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半导体物理学 刘瑶 广西大学物理学院电子教研室 Email: 2012年 1 半导体中的电子状态半导体中的电子状态 3 半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布 4半导体的导电性半导体的导电性 5 非平衡载流子非平衡载流子 6p pn n结结 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级 半半 导导 体体 物物 第第 理理 七七 学学 版版 课程简介1 n n 学习目的学习目的 课程简介2 n特点 n系统性 n容量大 n仍在飞速发展的学科 n学习方法 n掌握物理概念和物理模型 n掌握预备知识 参考书目：参考书目： 1. 1.黄昆黄昆 , ,半导体物理基础半导体物理基础，科学出版社，科学出版社 2. Donald 2. Donald A.NeamenA.Neamen，半导体物理与器件半导体物理与器件，电，电 子工业出版社子工业出版社 3. 3.季振国，半导体物理，浙江大学出版社季振国，半导体物理，浙江大学出版社 4. 4.王长安，半导体物理基础，上海科学技术出版社王长安，半导体物理基础，上海科学技术出版社 5. 5.施敏，半导体器件施敏，半导体器件- -物理与工艺，科学出版社物理与工艺，科学出版社 6. 6.田敬民，田敬民， 半导体物理问题与习题，国防工业出版半导体物理问题与习题，国防工业出版 社社 1. 半导体概述 什么是半导体？什么是半导体？ 半导体半导体(semiconductor)(semiconductor)，顾名思义就是指导电性介，顾名思义就是指导电性介 于导体与绝缘体的物质于导体与绝缘体的物质 半导体的主要特征？半导体的主要特征？ 半导体的电阻率可在很大范围内变化半导体的电阻率可在很大范围内变化 n(1833-1931年)现象观察半导体所具有的负 电阻温度系数 、光电导效应、整流效应 、光电 池效应 的发现 n1931年A.H.Wilson 通过解薛定谔方程发展了能 带理论 n1947年贝尔实验室发明晶体管 半导体学科发展半导体学科发展 n1947年Shockley提出p-n结型晶体管，1952年提 出第一个场效应管, Ebers发明晶闸管，1958年 发明隧道二极管 n1958年：杰克-S-基尔比发明第一块集成电路 n1959年第一块单片集 成系统，在Si衬底制 备了真正的集成电路 n1971年由Intel公司制 造出第一个微处理器 4004 半导体材料应用广泛半导体材料应用广泛 uu微电子学：集成电路，量子器件微电子学：集成电路，量子器件 uu光电子学：半导体激光器，探测器，光通讯，光电光电子学：半导体激光器，探测器，光通讯，光电 池池 半导体元素 2.物质结构 常见的半导体材料 Element semiconductors: Si, Ge 固体材料类型固体材料类型： u晶体 长程有序（至少在微米量级范围有序排列） u非晶体 无序 无定型(非晶) 只在几个原子或分子 尺度内有序 多晶 微米级范围内有序 单晶 整个固体中排列有序 3. 空间晶格 n晶体结构的周期性： n基元：构成晶体的基本单元称为基元，由一种原子或多种原子（离子） 组成的原子团构成 n格点：基元在晶格中的位置用基元中任一点（如重心）作为代表的点 n晶格：周期性排列的格点和它们之间的间距所形成的空间点阵 n布拉维格子：每个格点周围的情况完全相同的晶格称为布拉维格子 n基矢：晶格任一格点可表示为：Rl(r)= l1a1+l2a2+l3a3, a1、a2 和a3为基矢 。 二维晶格 n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(基元) n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 二维结构 三维结构 n晶格常数：晶胞的边长 n晶轴：晶胞的三个方向 4. 基本的晶体结构 简立方体心立方面心立方 uu立方晶系立方晶系晶轴相互垂直，且边长相等的晶胞称为立方晶系的晶胞。晶轴相互垂直，且边长相等的晶胞称为立方晶系的晶胞。 例1 n体心立方结构的晶格常数为a=5A，确定其原子 体密度。 立方晶胞原胞 uu立方晶系的复式格子立方晶系的复式格子NaClNaCl结构结构 l复式格子：基元含有2种或2种以上的原子。 一维的复式格子 a a 原胞：对于布拉维格子，每个原胞只含有一个原子。 对于复式格子：每个原胞中原子的数目=每个基元中原子数目 u金刚石 结构 uu闪锌矿结构闪锌矿结构 u六方结构hcp u晶系和布拉维晶胞 v通常描写晶胞的六个 物理量是三个基矢的 长度和基矢之间的夹 角，如图所示 va，b，c，通 常又称为晶格常数， 可以由x射线确定 v根据a，b，c， ，的不同，晶格可 分为七大晶系和十四 种布拉维晶胞 七大晶系 晶系名称 晶轴上的周期 晶轴间的夹角 三斜晶系abc90 单斜晶系abc =90， 90 正交晶系abc=90 四方晶系a=bc=90 六角晶系a=bc=90， =120 三角晶系a=b=c=90 立方晶系a=b=c=90 十四种布拉维晶胞 三斜：简单 单斜：简单，底心 正交：简单，体心，面心，底心 四方：简单，体心 六角：简单 三角：简单 立方：简单，体心，面心 属于每一晶系的空间属于每一晶系的空间 格子，因为重复单元格子，因为重复单元 所包括的点子（格点所包括的点子（格点 、结点）不同，又可、结点）不同，又可 分为一种或几种类型分为一种或几种类型 。这样，七个晶系中。这样，七个晶系中 共有共有1414种重复单元，种重复单元， 通常称为通常称为1414种布拉维种布拉维 晶胞。晶胞。1414种布拉维晶种布拉维晶 胞中，按每个格子所胞中，按每个格子所 包含的结点数目，又包含的结点数目，又 可分为原始格子、底可分为原始格子、底 心格子、体心格子和心格子、体心格子和 面心格子四种。面心格子四种。 5晶体结构的表征 n晶面，晶向和指数 n晶体的一个基本特点是具有方向性，沿晶体的不同方向 晶体的性质不同。 n晶体中原子排列成的直线称晶列，每个晶列定义一个方向 称为晶向 n晶向指数：晶面的法向指数 具体方向: 100 n晶向指数的确定：如果沿着某一晶向，从一个原子到最近 的原子的位移矢量为：Rl(r)= l1a1+l2a2+l3a3, ，则该晶向就 用l1、l2、l3来标志，写成l1 l2 l3。标志晶向的这组数 称为晶向指数。 n以简立方晶格为例 n晶面：晶格的格点还可以看成分列在平行等距的平面 系上，这样的平面称为晶面， n晶面指数：标志不同的晶面，常用密勒指数。 密勒指数的确定：在晶格中，选一格点为原点，并以 3个基矢a1、a2、a3 为坐标轴建立坐标系。该晶面族中任 一晶面与3个坐标轴交点的位矢分别为ra1、sa2、ta3，则 它们的倒数连比可化为互质的整数，即 其中h、k、l为互质的整数，晶体学中以（hkl）来标志 该晶面，称为密勒指数。 相同的晶面簇表示为单形符号：hkl 平面与三个坐标轴的截 距分别是1、3和2，于是 该平面的密勒指数便是6 、2 和3，这个面便标作 （623）面。 立方晶格的不同晶面 晶向指数是晶面的法向指数晶向指数是晶面的法向指数 6. 量子化概念 n与经典物理相悖的试验现象 光电效应和入射光的频率相关，和入射光强度无关。 n物质的波粒二相性 微观粒子表现出波的特性德布罗意波（de broglie） n 能量分立（Plank能量子概念） 量子态的能量只能取某些特定的值，而不是随意的 2. 2. 计算波长为计算波长为0.7A0.7A的的x x光光子能量。光光子能量。 例2 7. 薛定谔波动方程 分离变量法 可得 可看成是与时间无关的发现粒子的概率密度函数 可以得出电子在晶体中的能量分布 -用于研究大量电子在各类量子态中的分布情用于研究大量电子在各类量子