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1、半导体物理 u晶体的分类 多晶 单晶:整个固体中排列有序 u晶胞(结晶学原胞):为反映对称性选取的最小重复单元的几倍 晶胞的边长称为晶格常数 u原胞(固体物理学原胞):最小重复单元 每个原胞只有一个格点 u晶向指数:晶面的法向指数晶面的法向指数 u密勒指数 :在晶胞坐标轴上的截距的倒数的互质整数比在晶胞坐标轴上的截距的倒数的互质整数比 u物质的波粒二相性 预备知识 半导体物理 习题 1. 面心立方结构的单晶体晶格常数是a=4.75A,求原子的 体密度。 2. 已知硅材料的晶格常数a=5.43A,求单位体积原子个数。 3. 确定如图所示晶胞中的晶面的密勒指数。 4. 计算以1105m/s运动的自
2、由电子的动量和德布罗意波长 。 半导体物理 第一章 半导体中的电子状态 v 晶体结构与共价键 金刚石型结构 闪锌矿型结构 纤锌矿型结构 氯化钠型结构 1.1节 半导体物理 1. 能级与能带 电子在原子核势场和 其他电子作用下分列 在不同能级 相邻原子壳 层形成交叠 原子相互接近 形成晶体 共有化运动 v 共有化运动:由于电子壳 层的交叠,电子不再完全局 限在某一个原子上,可以由 一个原子转移到相邻的原子 上去,因而,电子将可以在 整个晶体中运动 v 只有外层电子共有化运动最 显著 1.2节 半导体物理 能级分裂 半导体物理 能带形成 满带或价 带 导带 半导体物理 2.半导体中电子状态和能带
3、晶体中的电子VS 自由电子 严格周期性重复排列的原子间运动恒定为零的势场中运动 单电子近似:晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场 以及其他大量电子的平均势场中运动,这个势场也是周期变化的, 并且它的周期与晶格周期相同。 半导体物理 E(k)与k的关系 简约布里渊区 E和k的关系能 带 简约布里渊区 E和k的关系能 带 0 k 0 k 电子能量 半导体物理 E(k)随晶体中周期性变变化 势场势场影响形式复杂杂 能量 k空间间内环绕环绕原点的一个有限区域,一般称为简约为简约 布里渊 区,允带带出现现在以下几个区(布里渊区) 第一 : 第二 : 第三 : 整个k空间间 标志区域
4、k只能取有限多个分立值值 k可取任意的连续值连续值 ,自由电电子 可以在整个空间间内运动动 波矢K 几率不相同,有周期性 周期函数的周期与晶格周期相同 空间间各处处几率相同 波函数 共有化运动的电子自由电子 半导体物理 3. 导体、绝缘体和半导体的能带 (a) 绝缘体 (b) 半导体 (c) 导体 半导体物理 1.半导体中E(k)与k的关系 (能带极值附近) 2.半导体中电子的平均速度 (能带极值附近) 3.半导体中电子的加速度 (能带极值附近) 4.空穴正电荷q和正有效质量 1.31.4节 1.半导体中的电子运动 半导体物理 2. 有效质量的意义 : fa 1、概括了半导体内部势场 的作用
5、2、a是半导体内部势场和 外电场作用的综合效果 3、直接将外力与电子加速 度联系起来 半导体物理 1.5节 回旋共振回旋共振第一次直接测出有效质量第一次直接测出有效质量 有效质量为有效质量为 电子的回旋频率为电子的回旋频率为 半导体物理 1.硅和锗的能带结构 1.61.8节 v 硅和锗的导带极值的确定位置: 硅的导带极值位于方向的布里渊区中心到布里渊区边界的0.85倍处。 锗的导带极值极小值位于方向的边界上,共有八个。极值附近等能面为沿 方向旋转的八个旋转椭球 硅和锗的价带极值的确定位置: 价带顶位于k=0,即在布里渊区的中心 半导体物理 硅、锗沿111和100方向上的能带结构图 半导体物理
6、2.砷化镓能带结构 极小值k=0处,等能面为球面 = 0.067m0 价带中心简并 砷化镓的能带结构重空穴带V1,轻空穴带V2 自旋轨道耦合 (1) 导带 (2) 价带 半导体物理 禁带宽度随T而 。Eg(0):T=0K时禁带宽度 3. 禁带宽度 半导体的禁带宽度是随温度变化的。 T=0K时EgSi=1.170eV, EgGe=0.7437eV 随着温度升高, 半导体物理 习题 vP43习题1; vP43习题2; 半导体物理 补充习题 半导体物理 补充习题 半导体物理 3.右图为能量曲线E(k)的形状,试回答: (1)在、三个带中,哪 一个带的电子有效质量数值最小? -/a /a P13图1-
7、10(c) 补充习题 半导体物理 (2)在考虑、两个带充满电子,而第个带全空 的情况,如果少量电子进入第个带,在带中产生 同样数目的空穴,那么带中的空穴有效质量同带 中的电子有效质量相比,是一样、还是大或小? 对同一状态: 在带带顶附近: 半导体物理 在带带顶附近: 即:电子有效质量比空穴有效质量小 半导体物理 1、n 型半导体 施主杂质电离,施放电子到导带而 产生导电电子并形成正电中心 有EDEg 2、p 型半导体 特征:受主杂质电离,接受电子成 为负电中心并产生空穴在价带; 有 EAEg Impurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon 第二章半导体中杂质和缺陷能级 1.浅杂质能级 v所处位置不同:替位式杂质、间隙式杂质 半导体物理 2.浅能级杂质电离能的计算 其中 3.杂质的补偿作用 l 当NDNA时,n=ND-NAND n型半导体 l 当NAND时,p=NA-NDNA p型半导体 半导体物理 4.深能级杂质 非III、族杂质在硅锗的 禁带中产生的施主能级距 离导带底较远,产生的受 主能级距离价带顶也较远 。 5.缺陷与位错 点缺陷热缺陷点缺陷热缺陷 位错线缺陷(刃位错)位错线缺陷(刃位错) 半导体物理 习题(作业) vP48习题7(1)
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