半导体物理刘恩科教材版本.ppt
《半导体物理刘恩科教材版本.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《半导体物理刘恩科教材版本.ppt(43页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、半 导 体 物 理 学,刘恩科等 国防工业出版社,参考书目:,1. 半导体物理学作者: 李名復页数:376科学出版社,出版日期:1991年2月第1版(凝聚态物理学丛书). 2.半导体物理学作者:果玉忱页数:271国防工业出版社,出版日期:1988年12月第1版 3.半导体物理学(上册)作者:叶良修页数:511高等教育出版社,出版日期:1987年11月第2版 4.高等学校教学参考书 半导体物理学作者:刘文明页数:627吉林科学技术出版社,出版日期:1986年第1版 5半导体物理学 孟宪章,康昌鹤编,吉林大学出版社, 1993.12 6.半导体物理学顾祖毅等著,北京 : 电子工业出版社 1995,
2、应用范围,半导体器件、IC器件等电荷运动的机理。 半导体材料、陶瓷(半导化)材料的导电机理。 新型有机材料及其复合材料的机理分析。 各种发光材料的电荷运动机理。,课程概括,单晶材料中的电子状态及运动规律 处于热电平衡时: 晶体材料的结构与能带- 第一章 杂质和缺陷- 第二章 电子运动状态- 第三章* 运动规律- 第四章* 非电学平衡- 第五章* 器件工作机理- 第六章,第一章 半导体中的电子状态,研究方法:假设(近似)、理论、验证 已经了解:单个原子的电子结构 不了解:多个原子排列在一起出现的问题。电子 原子、电子 - 电子的相互作用以及原子- 原子排列形成的势场等多体问题。,简单化:忽略电子
3、 - 电子的相互作用,价电子在平均势场中运动,原子固定不动: “单电子近似” 。 (Hi-i, H e-e)分别消除。 研究一个电子在周期性势场中的状态(单电子近似-平均势场-能带论),原 胞,(a):构成了固体物理学原胞,基矢有两个原子。 (b):每个实心的原子有四个相邻的空心原子(反之成立),每个相邻的连线方向可以形成一个四面体。故一个原子成为了四个四面体的顶角。 (c):结晶学原胞,固体物理学原胞:基于固体物理学中的基矢平衡构成的原胞,体积最小; 结晶学原胞:外观观测、对称性好,易于分析。 图1-1: (a)四面体,(b)金刚石型结构,(c)晶胞,金刚石的原子排列,(d)(111)面的堆
4、积,(e)100面的投影 注:表示 100,010,等六个晶格方向; 110表示(110),(101),等六个密勒指数的晶面方向。 (d):取垂直于(c)中对角线的平面,如一个顶角最近邻的三个顶角,这三个顶角构成了(111)面。该层包含了套构的原子,形成了双原子层的A层。面心立方为ABC层排列。 (e):从上到下分为五层。,需要记忆的参数,晶格常数:硅 0.543nm, 锗 0.566nm 密度: 5.00*1022cm-3, 4.42*1022cm-3 共价半径: 0.117nm, 0.122nm.,2.闪锌矿型结构和混合键,价键:共价鍵,有一定成份的“离子键”,称之为:混合键 即具有“离子
5、性”-“极性半导体”。 (极性物质:正负电荷中心不重合的物质,会形成“电偶极子”) 如砷化镓中,砷具有较强的电负性(得电子能力)。因此,砷(V)相当于负离子,镓(III)相当于正离子。光学支格波存在。 双原子层:电偶极层。 IIIV:111方向,III族原子层为111面。 结论:共价结合占优势的情况下,此类物质倾向于构成 “闪锌矿结构”。,在金刚石结构中,若由两类原子组成,分别占据两套面心立方-闪锌矿结构。 两类原子:III族(铟,镓)和V族(磷,砷,锑),3。纤锌矿型结构,六角密堆积结构和面心立方结构具有相似的地方:ABABAB;ABCABC。 两套面心的套构形成了闪锌矿结构; 两套六角的套
6、构形成了纤锌矿结构。 每个原子与最近邻的四个原子依然保持 “正四面体”结构。 主要由II和VI族原子构成,它们的大小、电负性差异较大。呈现较强的离子性,如:硫化锌、硫化镉等。,1.2 半导体中的电子状态和能带,1.原子的能级和晶体的能带 原子能级的简并及消失 当N个原子相距很远时,每个原子的电子壳层完全相同,即电子有相同的能级,此时为简并的。 当N个原子相互靠近时,相邻原子的电子壳层开始交叠,电子不再局限在一个原子上,通过交叠的轨道,可以转移到相邻原子的相似壳层上,由此导致电子在整个晶体上的“共有化”运动。 另外,由于2个电子不能有完全相同的能量,交叠的壳层发生分裂,形成相距很近的能级带以容纳
7、原来能量相同的电子。原子相距越近,分裂越厉害,能级差越大。由此导致简并的消失。,内壳层的电子,轨道交叠少,共有化运动弱,可忽略。 外层的价电子,轨道交叠多,共有化运动强,能级分裂大,被视为“准自由电子”。 原来简并的N个原子的s能级,结合成晶体后分裂为N个十分靠近的能级,形成能带(允带),因N值极大,能带被视为“准连续的”。,提问 1. 能否用实验手段验证上述准连续的能带?,2. 非晶态物质中是否存在能带结构?,N个碱金属原子的s能级分裂后形成了N个准连续的能级,可容纳2N个电子。因此,N个电子填充为半满,导电。 N个碱土金属的s能级被2N个电子填满,因上下能带交叠而导电。,金刚石、硅、锗单个
8、原子的价电子为2个s和2个p电子;形成晶体后为1个s电子和3个p电子;经过轨道杂化后N个原子形成了复杂的2N个低能带和2N个高能带,4N个电子填充在低能带,又称价带;而上面的能带为空带,又称导带。两者之间为禁带。,2.半导体中电子的状态和能带,在晶体中的电子,存在着电子和电子之间的相互作用,也存在电子与离子的相互作用。为了理论计算的方便,必须作简化处理。 单电子近似:忽略电子之间的相互作用,仅考虑离子的周期性势场对电子的影响,同时认为原子核是固定不动的。这种近似也叫做“独立电子近似”。 电子运动满足的规律:,电子的运动方程,单电子近似认为,电子与原子的作用相当于电子在原子的势场中运动。周期性的
9、原子排列产生了周期性的势场。在一维晶格中,x处的势能为:,电子所满足的波函数为布洛赫波函数:,为周期函数,反映电子在每个原子附近的运动情况。,平面波函数,空间各点出现的几率相同,共有化。,布里渊区与能带,什么是电子的运动状态?,运动状态由电子波矢k的大小和方向确定,求解 (k)与k的关系,可以得到电子的能量,如图1-10.,图中虚线为自由电子的关系,实线为周期势场的关系曲线,在布里渊区边界出现了不连续,形成了允带和禁带。允带出现的条件是:第一布里渊区出现在中间,第二、第三分别在两边。将能量值(k)作布里渊区整数倍的平移,总可以将其他布里渊区的值平移到第一布里渊区。因倒空间的周期性,这种平移不改
10、变能量的大小。因此,第一布里渊区有晶体能量的全部信息。常称此区域为简约布里渊区。根据周期性边界条件,三个波矢分量为,1.3 半导体中电子的运动 有效质量,1. 半导体中(k)与k的关系 起主要作用的是处于能带顶部和底部的电子。在能带顶部和底部的电子能量为,能带顶部的底部的波矢均为k=0,同时dE/dk=0,其结果为,能带顶部和底部电子的有效质量分别为负和正。,半导体中电子的平均速度和加速度,电子含时间的波函数为:,电子的平均速度(波包的速度)为:,在能带极值附近的电子速度为:,电子的加速度为:,其中,有效质量的意义,加速度的公式中,外力作用于有效质量而不是惯性质量。其原因是,电子受的总力为外电
11、场力和内部原子的势场力。因此,加速度是内外场作用的综合效果。使用有效质量可以使问题变简单:可以不涉及半导体的内部势场,而又可以从实验测定有效质量。 在k=0附近,内部势场很弱,接近自由电子,有效质量为正。 在布里渊区边界,内部势场对电子的作用很强,大于外场,使有效质量呈现负值。 作业:P32 习题1和2。,1.4本征半导体的导电机构 空穴,机构:指产生机理的物质。 本征半导体中本征的含义:本征方程、本征值, 即本来的特征,100%纯的,无外来杂质的,“理想的” 材料本身所特有的 材料如何导电?如何分析?用能带:导带、价带,占满电子。 只有不满能带的电子才能导电。 碱金属:占半满价带,电子有移动
12、的空间。 碱土金属:占满价带,电子没有移动空间,但三维布里渊区不对称,导带与价带有交叠,使其导电。 三价金属:半满价带,导电。 四价:非金属。电子填满了第二级允带-价满,其导带为第三级允带。 解释:电子从价带跃迁到导带底,在外场作用下,导带电子参与导电;同时,价带不满的状态-空穴也参与了导电,电子从价带到导带:成为可在整个晶体内运动的共有化电子。 在结构上理解为图1-15:产生了一个空穴和一个填隙电子。 对于空穴:产生了一个正电荷的空状态; 对于电子:在外电场E作用下,受外力作用,电子的k状态不断变化:,空状态的电流:,所有电子的k状态均变化相同, 在价带顶,,,空穴带正电,力为qE, m*n
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 半导体 物理 科教 版本
链接地址:https://www.31doc.com/p-8574912.html