半导体物理第一章01.pdfVIP

1 1 63 半导体物理半导体物理半导体物理半导体物理 黄正兴 创新园大厦黄正兴 创新园大厦A416 Email huangzx 2 63第一章01 教材教材 半导体物理学 第 半导体物理学 第7版 版 刘恩科 朱秉升 罗晋生编刘恩科 朱秉升 罗晋生编 电子工业出版社电子工业出版社 3 63第一章01 参考书参考书参考书参考书 4 63第一章01 半导体收音机 半导体收音机 半导体收音机 半导体收音机 六十年代开始出现晶体管收音机 在当六十年代开始出现晶体管收音机 在当六十年代开始出现晶体管收音机 在当六十年代开始出现晶体管收音机 在当 时 电子管收音机更为普遍 为了区分电时 电子管收音机更为普遍 为了区分电时 电子管收音机更为普遍 为了区分电时 电子管收音机更为普遍 为了区分电 子管收音机 将晶体管作成的收音机通俗子管收音机 将晶体管作成的收音机通俗子管收音机 将晶体管作成的收音机通俗子管收音机 将晶体管作成的收音机通俗 地称之为半导体收音机 或简称半导体地称之为半导体收音机 或简称半导体地称之为半导体收音机 或简称半导体地称之为半导体收音机 或简称半导体 我们这里的半导体物理学是从材料上来区分我们这里的半导体物理学是从材料上来区分我们这里的半导体物理学是从材料上来区分我们这里的半导体物理学是从材料上来区分 的的的的 一 什么是半导体 一 什么是半导体 5 63第一章01 固体材料可分成 超导体 导体 半导体 绝缘体 从导电性 电阻 半导体电阻率 介于导体和绝缘体之间 通常 具有负的电阻温度系数 固体材料可分成 超导体 导体 半导体 绝缘体 从导电性 电阻 半导体电阻率 介于导体和绝缘体之间 通常 具有负的电阻温度系数 6 63第一章01 电阻率电阻率 导体 导体 10 4 cm 例如 例如 Cu 10 6 cm 半导体 半导体 10 3 cm 108 cm Ge 0 2 cm 绝缘体 绝缘体 108 cm 2 7 63第一章01 T R 半导体 金属 绝 缘 体 电阻温度系数 电阻温度系数 8 63第一章01 二 半导体材料的分类二 半导体材料的分类 按功能和应用分按功能和应用分 微电子半导体 集成电路 光电半导体 光信息器件 热电半导体 热电制冷和发电 微波半导体 气敏半导体 传感器 微电子半导体 集成电路 光电半导体 光信息器件 热电半导体 热电制冷和发电 微波半导体 气敏半导体 传感器 9 63第一章01 按组成分 按组成分 无机半导体 元素 化合物 有机半导体 按结构分 无机半导体 元素 化合物 有机半导体 按结构分 晶体 单晶体 多晶体 非晶 无定形 晶体 单晶体 多晶体 非晶 无定形 10 63第一章01 半导体材料的原子组成半导体材料的原子组成半导体材料的原子组成半导体材料的原子组成 11 63第一章01 1 无机半导体晶体材料无机半导体晶体材料 无机半导体晶体材料包含元素半导体 化 合物半导体及固溶体半导体 无机半导体晶体材料包含元素半导体 化 合物半导体及固溶体半导体 1 元素半导体晶体元素半导体晶体 Si Ge Se 等元素等元素 12 63第一章01 化合物 半导体 化合物 半导体 族 族 族 族 金 属氧化物 金 属氧化物 族 族 族 族 族 族 InP GaN GaAs InSb InAs CdS CdTe CdSe ZnS SiC GeS SnTe GeSe PbS PbTe AsSe3 AsTe3 AsS3 SbS3 CuO2 ZnO SnO2 2 化合物半导体及固溶体半导体化合物半导体及固溶体半导体 3 13 63第一章01 1 非晶非晶Si 非晶 非晶Ge以及非晶以及非晶Te Se元素半导体元素半导体 2 化合物有化合物有GeTe As2Te3 Se4Te Se2As3 As2SeTe非晶半导体非晶半导体 2 非晶态半导体非晶态半导体 14 63第一章01 有机半导体通常分为有机分子晶体 有机分子络 合物和高分子聚合物 有机半导体通常分为有机分子晶体 有机分子络 合物和高分子聚合物 3 有机半导体有机半导体 15 63第一章01 三 半导体材料的地位三 半导体材料的地位 国民经济国民经济国家安全国家安全 科学技术科学技术 半导体微电子和光电子材料半导体微电子和光电子材料 通信 高速计算 大容量信息处理 空间防御 电子对 抗 武器装备的微 型化 智能化 16 63第一章01 几种主要半导体的发展现状与趋势几种主要半导体的发展现状与趋势 硅 增大直拉硅单晶的直径仍是今后发展 的总趋势 硅 增大直拉硅单晶的直径仍是今后发展 的总趋势 面积越大 单位面积的成本越小 17 63第一章01 GaAs和和 InP单晶单晶 世界世界GaAs单晶的总年产量已超过单晶的总年产量已超过200 吨 其中以低位错密度生长的吨 其中以低位错密度生长的2 3英寸 的导电 英寸 的导电GaAs衬底材料为主 衬底材料为主 18 63第一章01 InP具有比具有比GaAs 更优越的高频性能 发展的速度更快 但不幸的是 研制直 径 更优越的高频性能 发展的速度更快 但不幸的是 研制直 径3英寸以上大直径的英寸以上大直径的InP单晶的关键技 术尚未完全突破 价格居高不下 单晶的关键技 术尚未完全突破 价格居高不下 4 19 63第一章01 半导体超晶格 量子阱半导体超晶格 量子阱 III V族超晶格 量子阱材料族超晶格 量子阱材料 GaAlAs GaAs GaInAs GaAs AlGaInP GaAs GaInAs InP AlInAs InP InGaAsP InP等等GaAs InP基 晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相 当成熟 已成功地用来制造超高速 超高 频微电子器件和单片集成电路 基 晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相 当成熟 已成功地用来制造超高速 超高 频微电子器件和单片集成电路 20 63第一章01 GeSi Si应变层超晶格材料应变层超晶格材料 因其在新一 代移动通信上的重要应用前景 而成为 目 前 硅 基 材 料 研 究 的 主 流 因其在新一 代移动通信上的重要应用前景 而成为 目 前 硅 基 材 料 研 究 的 主 流 Si GeSi MOSFET 的 最 高 截 止 频 率 已 达的 最 高 截 止 频 率 已 达 200GHz 噪音在 噪音在10GHz下为下为0 9dB 其 性能可与 其 性能可与GaAs器件相媲美 器件相媲美 硅基应变异质结构材料硅基应变异质结构材料 21 63第一章01 一维量子线 零维量子点 基于量子尺寸效应 量子干涉效应 量子隧 穿效应以及非线性光学效应等的低维半导体 材料是一种人工构造 通过能带工程实施 的新型半导体材料 是新一代量子器件的基 础 一维量子线 零维量子点 基于量子尺寸效应 量子干涉效应 量子隧 穿效应以及非线性光学效应等的低维半导体 材料是一种人工构造 通过能带工程实施 的新型半导体材料 是新一代量子器件的基 础 22 63第一章01 宽带隙半导体材料 宽带隙半导体材料 宽带隙半导体材料主要指的是金刚石 宽带隙半导体材料主要指的是金刚石 III族氮 化物 碳化硅 立方氮化硼以及 族氮 化物 碳化硅 立方氮化硼以及II VI族硫 锡 碲化物 氧化物 族硫 锡 碲化物 氧化物 ZnO等 及固溶体等 特别 是 等 及固溶体等 特别 是SiC GaN 和金刚石薄膜等材料和金刚石薄膜等材料 因具有高热 导率 高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压 等特点 成为研制高频大功率 耐高温 抗辐 射半导体微电子器件和电路的理想材料 在通 信 汽车 航空 航天 石油开采以及国防等 方面有着广泛的应用前景 因具有高热 导率 高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压 等特点 成为研制高频大功率 耐高温 抗辐 射半导体微电子器件和电路的理想材料 在通 信 汽车 航空 航天 石油开采以及国防等 方面有着广泛的应用前景 23 63第一章01 半导体物理半导体物理半导体物理半导体物理 课程的目标课程的目标课程的目标课程的目标 研究半导体材料中电子的分布状态和研究半导体材料中电子的分布状态和研究半导体材料中电子的分布状态和研究半导体材料中电子的分布状态和 输运规律 以及外电场对电子输运规输运规律 以及外电场对电子输运规输运规律 以及外电场对电子输运规输运规律 以及外电场对电子输运规 律的影响律的影响律的影响律的影响 是半导体器件和集成电路设计等课程是半导体器件和集成电路设计等课程是半导体器件和集成电路设计等课程是半导体器件和集成电路设计等课程 的基础的基础的基础的基础 24 63第一章01 课程的主要内容课程的主要内容课程的主要内容课程的主要内容 第第第第1 1章半导体中的电子状态章半导体中的电子状态章半导体中的电子状态章半导体中的电子状态 第第第第2 2章半导体中杂质和缺陷能级章半导体中杂质和缺陷能级章半导体中杂质和缺陷能级章半导体中杂质和缺陷能级 第第第第3 3章半导体中载流子的统计分布章半导体中载流子的统计分布章半导体中载流子的统计分布章半导体中载流子的统计分布 第第第第4 4章半导体的导电性章半导体的导电性章半导体的导电性章半导体的导电性 第第第第5 5章非平衡载流子章非平衡载流子章非平衡载流子章非平衡载流子 第第第第6 6章章章章pnpn结结结结 第第第第7 7章金属和半导体接触章金属和半导体接触章金属和半导体接触章金属和半导体接触 第第第第8 8章半导体表面和章半导体表面和章半导体表面和章半导体表面和MISMIS结构结构结构结构 一定量的习题课一定量的习题课一定量的习题课一定量的习题课 5 25 63第一章01 1 1 半导体的晶格结构和结合性质半导体的晶格结构和结合性质 1 2 半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带 1 3 半导体中电子的运动 有效质量半导体中电子的运动 有效质量 1 4 本征半导体的导电机构 空穴本征半导体的导电机构 空穴 第一章第一章 半导体中的电子态半导体中的电子态 26 63第一章01 半导体具有许多独特的物理性质 这半导体具有许多独特的物理性质 这半导体具有许多独特的物理性质 这半导体具有许多独特的物理性质 这 与半导体中电子的状态及其运动特点与半导体中电子的状态及其运动特点与半导体中电子的状态及其运动特点与半导体中电子的状态及其运动特点 有密切关系 有密切关系 有密切关系 有密切关系 为了研究和利用半导体的这些物理性为了研究和利用半导体的这些物理性为了研究和利用半导体的这些物理性为了研究和利用半导体的这些物理性 质 首先要研究半导体质 首先要研究半导体质 首先要研究半导体质 首先要研究半导体单晶材料单晶材料单晶材料单晶材料中的中的中的中的 电子状态及其运动规律 电子状态及其运动规律 电子状态及其运动规律 电子状态及其运动规律 27 63第一章01 半导体单晶材料和其他固态晶体一样 是半导体单晶材料和其他固态晶体一样 是半导体单晶材料和其他固态晶体一样 是半导体单晶材料和其他固态晶体一样 是 由大量原子周期性重复排列而成 而每个由大量原子周期性重复排列而成 而每个由大量原子周期性重复排列而成 而每个由大量原子周期性重复排列而成 而每个 原子又包含原子核和许多电子 原子又包含原子核和许多电子 原子又包含原子核和许多电子 原子又包含原子核和许多电子 如果能够写出半导体中所有相互作用着的如果能够写出半导体中所有相互作用着的如果能够写出半导体中所有相互作用着的如果能够写出半导体中所有相互作用着的 原子核和电子系统的薛定愕方程 并求出原子核和电子系统的薛定愕方程 并求出原子核和电子系统的薛定愕方程 并求出原子核和电子系统的薛定愕方程 并求出 其解 便可以了解半导体的许多物理性其解 便可以了解半导体的许多物理性其解 便可以了解半导体的许多物理性其解 便可以了解半导体的许多物理性 质 质 质 质 28 63第一章01 但是 这是一个非常复杂的多体问题 不但是 这是一个非常复杂的多体问题 不但是 这是一个非常复杂的多体问题 不但是 这是一个非常复杂的多体问题 不 可能求出其严格解 只能用近似的处理方可能求出其严格解 只能用近似的处理方可能求出其严格解 只能用近似的处理方可能求出其严格解 只能用近似的处理方 法法法法 单电子近似来研究固态晶体中电子的单电子近似来研究固态晶体中电子的单电子近似来研究固态晶体中电子的单电子近似来研究固态晶体中电子的 能量状态 能量状态 能量状态 能量状态 所谓单电子近似 即假设每个电子是在周所谓单电子近似 即假设每个电子是在周所谓单电子近似 即假设每个电子是在周所谓单电子近似 即假设每个电子是在周 期性排列且固定不动的原子核势场及其他期性排列且固定不动的原子核势场及其他期性排列且固定不动的原子核势场及其他期性排列且固定不动的原子核势场及其他 电子的平均势场中运动 该势场是具有与电子的平均势场中运动 该势场是具有与电子的平均势场中运动 该势场是具有与电子的平均势场中运动 该势场是具有与 晶格同周期的周期性势场 晶格同周期的周期性势场 晶格同周期的周期性势场 晶格同周期的周期性势场 29 63第一章01 用单电子近似法研究晶体中电子状态的理用单电子近似法研究晶体中电子状态的理用单电子近似法研究晶体中电子状态的理用单电子近似法研究晶体中电子状态的理 论称为能带论 论称为能带论 论称为能带论 论称为能带论 有关能带论的内容在固体物理学课程中已有关能带论的内容在固体物理学课程中已有关能带论的内容在固体物理学课程中已有关能带论的内容在固体物理学课程中已 经比较完整地介绍过了 这里仅作简要回经比较完整地介绍过了 这里仅作简要回经比较完整地介绍过了 这里仅作简要回经比较完整地介绍过了 这里仅作简要回 顾 并介绍几种重要半导体材料的能带结顾 并介绍几种重要半导体材料的能带结顾 并介绍几种重要半导体材料的能带结顾 并介绍几种重要半导体材料的能带结 构 构 构 构 30 63第一章01 1 1 1 1 半导体的晶格结构和结合性质半导体的晶格结构和结合性质 金刚石型结构和共价键金刚石型结构和共价键金刚石型结构和共价键 重要的半导体材料硅 锗等在化学元素周 期表中都属于第 金刚石型结构和共价键 重要的半导体材料硅 锗等在化学元素周 期表中都属于第IV族元素 原子的最外层 都具有四个价电子 大量的硅 锗原子组 合成晶体靠的是共价键结合 它们的晶格 结构与碳原子组成的一种金刚石晶格都属 于金刚石型结构 族元素 原子的最外层 都具有四个价电子 大量的硅 锗原子组 合成晶体靠的是共价键结合 它们的晶格 结构与碳原子组成的一种金刚石晶格都属 于金刚石型结构 6 31 63第一章01 SiSi GeGe 32 63第一章01 这种结构的特点是这种结构的特点是这种结构的特点是这种结构的特点是 每个原子周围都有四个最每个原子周围都有四个最每个原子周围都有四个最每个原子周围都有四个最 近邻的原子 组成一个正四面体结构 这近邻的原子 组成一个正四面体结构 这近邻的原子 组成一个正四面体结构 这近邻的原子 组成一个正四面体结构 这 四个原子分别处在正四面体的顶角上 任四个原子分别处在正四面体的顶角上 任四个原子分别处在正四面体的顶角上 任四个原子分别处在正四面体的顶角上 任 一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价 电子为该两个原子所共有 共有的电子在电子为该两个原子所共有 共有的电子在电子为该两个原子所共有 共有的电子在电子为该两个原子所共有 共有的电子在 两个原子之间形成较大的电子云密度 通两个原子之间形成较大的电子云密度 通两个原子之间形成较大的电子云密度 通两个原子之间形成较大的电子云密度 通 过它们对原子核的引力把两个原子结合在过它们对原子核的引力把两个原子结合在过它们对原子核的引力把两个原子结合在过它们对原子核的引力把两个原子结合在 一起 这就是共价键 一起 这就是共价键 一起 这就是共价键 一起 这就是共价键 33 63第一章01 这样 每个原子和周围四个原子组成四个共这样 每个原子和周围四个原子组成四个共这样 每个原子和周围四个原子组成四个共这样 每个原子和周围四个原子组成四个共 价键 上述四面体的四个顶角原子又可以价键 上述四面体的四个顶角原子又可以价键 上述四面体的四个顶角原子又可以价键 上述四面体的四个顶角原子又可以 各通过四个共价键组成四个正四面体 如各通过四个共价键组成四个正四面体 如各通过四个共价键组成四个正四面体 如各通过四个共价键组成四个正四面体 如 此推广 将许多正四面体累积起来就得到此推广 将许多正四面体累积起来就得到此推广 将许多正四面体累积起来就得到此推广 将许多正四面体累积起来就得到 这样 每个原子和周围四个原子组成四个这样 每个原子和周围四个原子组成四个这样 每个原子和周围四个原子组成四个这样 每个原子和周围四个原子组成四个 共价键 上述四面体的四个顶角原子又可共价键 上述四面体的四个顶角原子又可共价键 上述四面体的四个顶角原子又可共价键 上述四面体的四个顶角原子又可 以各通过四个共价键组成四个正四面体 以各通过四个共价键组成四个正四面体 以各通过四个共价键组成四个正四面体 以各通过四个共价键组成四个正四面体 如此推广 将许多正四面体累积起来就得如此推广 将许多正四面体累积起来就得如此推广 将许多正四面体累积起来就得如此推广 将许多正四面体累积起来就得 到金刚石型结构到金刚石型结构到金刚石型结构到金刚石型结构 34 63第一章01 金刚石结构的原胞 最小的重复单元 金刚石结构的原胞 最小的重复单元 35 63第一章01 在四面体结构的共价晶体中 四个共价键在四面体结构的共价晶体中 四个共价键在四面体结构的共价晶体中 四个共价键在四面体结构的共价晶体中 四个共价键 并不是以孤立原子的电子波函数为基础形并不是以孤立原子的电子波函数为基础形并不是以孤立原子的电子波函数为基础形并不是以孤立原子的电子波函数为基础形 成的 而是以成的 而是以成的 而是以成的 而是以s s态和态和态和态和p p态波函数的组性组合态波函数的组性组合态波函数的组性组合态波函数的组性组合 为基础 构成了所谓为基础 构成了所谓为基础 构成了所谓为基础 构成了所谓 杂化轨道杂化轨道杂化轨道杂化轨道 即以一 即以一 即以一 即以一 个个个个s s态和三个态和三个态和三个态和三个p p态组成的态组成的态组成的态组成的SpSp 3 3 杂化轨道为基础杂化轨道为基础杂化轨道为基础杂化轨道为基础 形成的 它们之间具有相同的夹角形成的 它们之间具有相同的夹角形成的 它们之间具有相同的夹角形成的 它们之间具有相同的夹角109109 0 0 2828 36 63第一章01 2 2 Al Al GaGa InIn P As SbP As Sb 族和族和族和族和 大部分大部分大部分大部分 族化合物半导体属于闪锌矿结族化合物半导体属于闪锌矿结族化合物半导体属于闪锌矿结族化合物半导体属于闪锌矿结 构构构构 与金刚石结构类似 不过含有两种原子与金刚石结构类似 不过含有两种原子与金刚石结构类似 不过含有两种原子与金刚石结构类似 不过含有两种原子 a a 金刚石结构闪锌矿结构金刚石结构闪锌矿结构 7 37 63第一章01 GaAsGaAsAlAsAlAs 38 63第一章01 与与与与IVIV族元素半导体的情况类似 这类共价族元素半导体的情况类似 这类共价族元素半导体的情况类似 这类共价族元素半导体的情况类似 这类共价 性的化合物半导体中 共价键也是以性的化合物半导体中 共价键也是以性的化合物半导体中 共价键也是以性的化合物半导体中 共价键也是以SpSp 3 3 杂杂杂杂 化轨道为基础的 但是 与化轨道为基础的 但是 与化轨道为基础的 但是 与化轨道为基础的 但是 与IVIV族元素半导族元素半导族元素半导族元素半导 体相比有一个重要区别 这就是在共价性体相比有一个重要区别 这就是在共价性体相比有一个重要区别 这就是在共价性体相比有一个重要区别 这就是在共价性 化合物晶体中 结合的性质具有不同程度化合物晶体中 结合的性质具有不同程度化合物晶体中 结合的性质具有不同程度化合物晶体中 结合的性质具有不同程度 的离子性 常称这类半导体为极性半导的离子性 常称这类半导体为极性半导的离子性 常称这类半导体为极性半导的离子性 常称这类半导体为极性半导 体 体 体 体 39 63第一章01 例如 重要的例如 重要的例如 重要的例如 重要的IIIIII V V族化合物半导体材料砷化族化合物半导体材料砷化族化合物半导体材料砷化族化合物半导体材料砷化 稼 相邻砷化稼所共有的价电子实际上并不是稼 相邻砷化稼所共有的价电子实际上并不是稼 相邻砷化稼所共有的价电子实际上并不是稼 相邻砷化稼所共有的价电子实际上并不是 对等地分配在砷和稼的附近 由于砷具有较强对等地分配在砷和稼的附近 由于砷具有较强对等地分配在砷和稼的附近 由于砷具有较强对等地分配在砷和稼的附近 由于砷具有较强 的电负性 成键的电子更集中地分布在砷原子的电负性 成键的电子更集中地分布在砷原子的电负性 成键的电子更集中地分布在砷原子的电负性 成键的电子更集中地分布在砷原子 附近 因而在共价化合物中 电负性强的原子附近 因而在共价化合物中 电负性强的原子附近 因而在共价化合物中 电负性强的原子附近 因而在共价化合物中 电负性强的原子 平均来说带有负电 电负性弱的原子平均来说平均来说带有负电 电负性弱的原子平均来说平均来说带有负电 电负性弱的原子平均来说平均来说带有负电 电负性弱的原子平均来说 带有正电 正负电荷之间的库仑作用对结合能带有正电 正负电荷之间的库仑作用对结合能带有正电 正负电荷之间的库仑作用对结合能带有正电 正负电荷之间的库仑作用对结合能 有一定的贡献 在共价结合占优势的情况下 有一定的贡献 在共价结合占优势的情况下 有一定的贡献 在共价结合占优势的情况下 有一定的贡献 在共价结合占优势的情况下 这种化合物倾向于构成闪锌矿型结构 这种化合物倾向于构成闪锌矿型结构 这种化合物倾向于构成闪锌矿型结构 这种化合物倾向于构成闪锌矿型结构 40 63第一章01 1 1 1 1 半导体的晶格结构和结合性质半导体的晶格结构和结合性质 3 部分 部分 族化合物可以是闪锌矿结构 也可以是纤锌矿结构 族化合物可以是闪锌矿结构 也可以是纤锌矿结构 纤锌矿型结构和闪锌矿型结构相接近 它也是以正四面体结构为基础构成的 但是它具有六方对称性 而不是立方对 称性 硫化锌 纤锌矿型结构和闪锌矿型结构相接近 它也是以正四面体结构为基础构成的 但是它具有六方对称性 而不是立方对 称性 硫化锌 ZnS 硒化锌 硒化锌 ZnSe 硫 化镉 硫 化镉 CdS 硒化 硒化镉镉 CdSe 等都可以闪 锌矿型和纤锌矿型两种方式结晶 等都可以闪 锌矿型和纤锌矿型两种方式结晶 41 63第一章01 与与与与lIIlII V V族化合物类似 这种共价性化合物晶体中 其结合的性质也具族化合物类似 这种共价性化合物晶体中 其结合的性质也具族化合物类似 这种共价性化合物晶体中 其结合的性质也具族化合物类似 这种共价性化合物晶体中 其结合的性质也具 有离子性 但这两种元素的电负性差别较大 如果离子性结合占优势有离子性 但这两种元素的电负性差别较大 如果离子性结合占优势有离子性 但这两种元素的电负性差别较大 如果离子性结合占优势有离子性 但这两种元素的电负性差别较大 如果离子性结合占优势 的话 就倾向于构成纤锌矿型结构 的话 就倾向于构成纤锌矿型结构 的话 就倾向于构成纤锌矿型结构 的话 就倾向于构成纤锌矿型结构 还有一些重要的半导体材料不是以四面体结构结晶的 如还有一些重要的半导体材料不是以四面体结构结晶的 如还有一些重要的半导体材料不是以四面体结构结晶的 如还有一些重要的半导体材料不是以四面体结构结晶的 如IVIV VI VI 族化族化族化族化 合物硫化铅 硒化铅 磅化铅 它们都是以氯化钠型结构结晶的合物硫化铅 硒化铅 磅化铅 它们都是以氯化钠型结构结晶的合物硫化铅 硒化铅 磅化铅 它们都是以氯化钠型结构结晶的合物硫化铅 硒化铅 磅化铅 它们都是以氯化钠型结构结晶的 42 63第一章01 1 2 半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带 1 2 1 原子的能级和晶体的能带原子的能级和晶体的能带 制造半导体器件所用的材料大多是单晶 体 单晶体是由靠得很紧密的原子周期性 重复排列而成的 相邻原子间距只有零点 几纳米的数量级 制造半导体器件所用的材料大多是单晶 体 单晶体是由靠得很紧密的原子周期性 重复排列而成的 相邻原子间距只有零点 几纳米的数量级 8 43 63第一章01 因此 半导体中的电子状态肯定和原子中因此 半导体中的电子状态肯定和原子中因此 半导体中的电子状态肯定和原子中因此 半导体中的电子状态肯定和原子中 的不同 特别是外层电子会有显著的变的不同 特别是外层电子会有显著的变的不同 特别是外层电子会有显著的变的不同 特别是外层电子会有显著的变 化 但是 晶体是由分立的原子凝聚而化 但是 晶体是由分立的原子凝聚而化 但是 晶体是由分立的原子凝聚而化 但是 晶体是由分立的原子凝聚而 成 两者的电子状态又必定存在着某种联成 两者的电子状态又必定存在着某种联成 两者的电子状态又必定存在着某种联成 两者的电子状态又必定存在着某种联 系 下面以原子结合成晶体的过程定性地系 下面以原子结合成晶体的过程定性地系 下面以原子结合成晶体的过程定性地系 下面以原子结合成晶体的过程定性地 说明半导体中的电子状态 说明半导体中的电子状态 说明半导体中的电子状态 说明半导体中的电子状态 44 63第一章01 共有化运动共有化运动 原子中的电子在原子核的势场和其他电子的作用原子中的电子在原子核的势场和其他电子的作用原子中的电子在原子核的势场和其他电子的作用原子中的电子在原子核的势场和其他电子的作用 下 它们分列在不同的能级上 形成所谓电子壳下 它们分列在不同的能级上 形成所谓电子壳下 它们分列在不同的能级上 形成所谓电子壳下 它们分列在不同的能级上 形成所谓电子壳 层 不同支壳层的电子分别用层 不同支壳层的电子分别用层 不同支壳层的电子分别用层 不同支壳层的电子分别用 ls ls 2s 2p 3s 3p 3d 2s 2p 3s 3p 3d 4s4s 等符号表示 每一支壳层对应于确定的能等符号表示 每一支壳层对应于确定的能等符号表示 每一支壳层对应于确定的能等符号表示 每一支壳层对应于确定的能 量 量 量 量 当原子相互接近形成晶体时 不同原子的内外各当原子相互接近形成晶体时 不同原子的内外各当原子相互接近形成晶体时 不同原子的内外各当原子相互接近形成晶体时 不同原子的内外各 电子壳层之间就有了一定程度的交叠 相邻原子电子壳层之间就有了一定程度的交叠 相邻原子电子壳层之间就有了一定程度的交叠 相邻原子电子壳层之间就有了一定程度的交叠 相邻原子 最外壳层交叠很多 内壳层交叠较少 原子组成最外壳层交叠很多 内壳层交叠较少 原子组成最外壳层交叠很多 内壳层交叠较少 原子组成最外壳层交叠很多 内壳层交叠较少 原子组成 晶体后 由于电子壳层的交叠 电子不再完全局晶体后 由于电子壳层的交叠 电子不再完全局晶体后 由于电子壳层的交叠 电子不再完全局晶体后 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限在某一个原子上 可以由一个原子转移到相邻限在某一个原子上 可以由一个原子转移到相邻限在某一个原子上 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的原子上去 因而 电子将可以在整个晶体中运的原子上去 因而 电子将可以在整个晶体中运的原子上去 因而 电子将可以在整个晶体中运 动 这种运动称为电子的动 这种运动称为电子的动 这种运动称为电子的动 这种运动称为电子的共有化运动共有化运动共有化运动共有化运动 45 63第一章01 但必须注意 因为各原子中相似壳层上的但必须注意 因为各原子中相似壳层上的但必须注意 因为各原子中相似壳层上的但必须注意 因为各原子中相似壳层上的 电子才有相同的能量 电子只能在相似壳电子才有相同的能量 电子只能在相似壳电子才有相同的能量 电子只能在相似壳电子才有相同的能量 电子只能在相似壳 层间转移 因此 共有化运动的产生是由层间转移 因此 共有化运动的产生是由层间转移 因此 共有化运动的产生是由层间转移 因此 共有化运动的产生是由 于不同原子的相似壳层间的交叠 例如于不同原子的相似壳层间的交叠 例如于不同原子的相似壳层间的交叠 例如于不同原子的相似壳层间的交叠 例如2p2p 支壳层的交叠 支壳层的交叠 支壳层的交叠 支壳层的交叠 3s3s支壳层的交叠 如图支壳层的交叠 如图支壳层的交叠 如图支壳层的交叠 如图1 1 5 5 所示 所示 所示 所示 46 63第一章01 也可以说 结合成晶体后 每一个原子能也可以说 结合成晶体后 每一个原子能也可以说 结合成晶体后 每一个原子能也可以说 结合成晶体后 每一个原子能 引起引起引起引起 与之相应与之相应与之相应与之相应 的共有化运动 例如的共有化运动 例如的共有化运动 例如的共有化运动 例如3s3s能能能能 级引起级引起级引起级引起 3s3s 的共有化运动 的共有化运动 的共有化运动 的共有化运动 2p2p能级引起能级引起能级引起能级引起 2p 2p 的共有化运动 等等 由于内外壳层的共有化运动 等等 由于内外壳层的共有化运动 等等 由于内外壳层的共有化运动 等等 由于内外壳层 交叠程度很不相同 所以 只有最外层电交叠程度很不相同 所以 只有最外层电交叠程度很不相同 所以 只有最外层电交叠程度很不相同 所以 只有最外层电 子的共有化运动才显著 子的共有化运动才显著 子的共有化运动才显著 子的共有化运动才显著 47 63第一章01 两个相互靠近的原子 相互作用 能级分裂 48 63第一章01 考虑考虑N个原子组成的晶体个原子组成的晶体 1 越靠近内壳层 的电子 共有化运动 弱 能带窄 越靠近内壳层 的电子 共有化运动 弱 能带窄 2 各分裂能级间 能量相差小 看作准 连续 各分裂能级间 能量相差小 看作准 连续 3 有些能带被电 子占满 满带 有 些被部分占满 半满 带 未被电子占据 的是空带 有些能带被电 子占满 满带 有 些被部分占满 半满 带 未被电子占据 的是空带 原子能级能带原子能级能带 9 49 63第一章01 但是必须指出 许多实际晶体的能带与孤但是必须指出 许多实际晶体的能带与孤但是必须指出 许多实际晶体的能带与孤但是必须指出 许多实际晶体的能带与孤 立原子能级间的对应关系 并不都像上述立原子能级间的对应关系 并不都像上述立原子能级间的对应关系 并不都像上述立原子能级间的对应关系 并不都像上述 的那样简单 的那样简单 的那样简单 的那样简单 因为一个能带不一定同孤立因为一个能带不一定同孤立因为一个能带不一定同孤立因为一个能带不一定同孤立 原子的某个能级相当原子的某个能级相当原子的某个能级相当原子的某个能级相当 即不一定能区分 即不一定能区分 即不一定能区分 即不一定能区分s s能能能能 级和级和级和级和p p能级所过渡的能带 能级所过渡的能带 能级所过渡的能带 能级所过渡的能带 50 63第一章01 1 2 2 1 2 2 半导体中电子的状态和能带半导体中电子的状态和能带半导体中电子的状态和能带半导体中电子的状态和能带 晶体中的电子与孤立原子中的电子不同 晶体中的电子与孤立原子中的电子不同 晶体中的电子与孤立原子中的电子不同 晶体中的电子与孤立原子中的电子不同 也和自由运动的电子不同 也和自由运动的电子不同 也和自由运动的电子不同 也和自由运动的电子不同 孤立原子 电子是在该原子的核和其他电孤立原子 电子是在该原子的核和其他电孤立原子 电子是在该原子的核和其他电孤立原子 电子是在该原子的核和其他电 子的势场中运动子的势场中运动子的势场中运动子的势场中运动 自由电子是在一恒定为零的势场中运动 自由电子是在一恒定为零的势场中运动 自由电子是在一恒定为零的势场中运动 自由电子是在一恒定为零的势场中运动 晶体中的电子是在严格周期性重复排列的晶体中的电子是在严格周期性重复排列的晶体中的电子是在严格周期性重复排列的晶体中的电子是在严格周期性重复排列的 原子间运动 原子间运动 原子间运动 原子间运动 51 63第一章01 单电子近似认为 晶体中的某一个电子是单电子近似认为 晶体中的某一个电子是单电子近似认为 晶体中的某一个电子是单电子近似认为 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在周期性排列且固定不动的原子核的势在周期性排列且固定不动的原子核的势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场 以及其他大量电子的平均势场中运场 以及其他大量电子的平均势场中运场 以及其他大量电子的平均势场中运 动 这个势场也是周期性变化的 而且它动 这个势场也是周期性变化的 而且它动 这个势场也是周期性变化的 而且它动 这个势场也是周期性变化的 而且它 的周期与晶格周期相同 的周期与晶格周期相同 的周期与晶格周期相同 的周期与晶格周期相同 研究发现 电子在周期性势场中运动的基研究发现 电子在周期性势场中运动的基研究发现 电子在周期性势场中运动的基研究发现 电子在周期性势场中运动的基 本特点和自由电子的运动十分相似 下面本特点和自由电子的运动十分相似 下面本特点和自由电子的运动十分相似 下面本特点和自由电子的运动十分相似 下面 先简单介绍一个自由电子的运动 先简单介绍一个自由电子的运动 先简单介绍一个自由电子的运动 先简单介绍一个自由电子的运动 52 63第一章01 由微观粒子的波粒二象性得自由电子的波由微观粒子的波粒二象性得自由电子的波由微观粒子的波粒二象性得自由电子的波由微观粒子的波粒二象性得自由电子的波 函数函数函数函数 能量与波矢量的关系能量与波矢量的关系能量与波矢量的关系能量与波矢量的关系 1 8 ikx xAe 22 0 1 11 2 k E m 53 63第一章01 单电子近似认为晶体中某个电子是在与晶单电子近似认为晶体中某个电子是在与晶单电子近似认为晶体中某个电子是在与晶单电子近似认为晶体中某个电子是在与晶 格同周期的周期性势场中运动 例如对于格同周期的周期性势场中运动 例如对于格同周期的周期性势场中运动 例如对于格同周期的周期性势场中运动 例如对于 一维晶格 表示晶格中位置为一维晶格 表示晶格中位置为一维晶格 表示晶格中位置为一维晶格 表示晶格中位置为 x x处的电势为处的电势为处的电势为处的电势为 式中式中式中式中 s s为整数为整数为整数为整数 a a为晶格常数 晶体中电子为晶格常数 晶体中电子为晶格常数 晶体中电子为晶格常数 晶体中电子 所遵守的薛定锷方程为所遵守的薛定锷方程为所遵守的薛定锷方程为所遵守的薛定锷方程为 其中其中其中其中V V满足式满足式满足式满足式 1 1 12 12 布洛赫证明式 布洛赫证明式 布洛赫证明式 布洛赫证明式 1 1 13 13 的解为的解为的解为的解为 1 12 V xV xsa 1 14 1 13 22 2 0 2 dx V xxEx mdx ikx k xux e kk uxuxna 54 63第一章01 首先 从式首先 从式首先 从式首先 从式 1 1 14 14 与式与式与式与式 1 1 8 8 的比较可知 的比较可知 的比较可知 的比较可知 晶体中的电子在周期性势场中运动的波函晶体中的电子在周期性势场中运动的波函晶体中的电子在周期性势场中运动的波函晶体中的电子在周期性势场中运动的波函 数与自由电子的波函数形式相似 不过这数与自由电子的波函数形式相似 不过这数与自由电子的波函数形式相似 不过这数与自由电子的波函数形式相似 不过这 个波的振幅个波的振幅个波的振幅个波的振幅u u k k x x 随随随随x x作周期性变化 其变化作周期性变化 其变化作周期性变化 其变化作周期性变化 其变化 周期与晶格周期相同 周期与晶格周期相同 周期与晶格周期相同 周期与晶格周期相同 所以常说晶体中的电子是以一个被调幅的所以常说晶体中的电子是以一个被调幅的所以常说晶体中的电子是以一个被调幅的所以常说晶体中的电子是以一个被调幅的 平面波在晶体中传播 显然 若令式平面波在晶体中传播 显然 若令式平面波在晶体中传播 显然 若令式平面波在晶体中传播 显然 若令式 1 1 14 14 中的中的中的中的u u k k x x 为常数 则在周期性势场中运动为常数 则在周期性势场中运动为常数 则在周期性势场中运动为常数 则在周期性势场中运动 的电子的波函数就完全变为自由电子的波的电子的波函数就完全变为自由电子的波的电子的波函数就完全变为自由电子的波的电子的波函数就完全变为自由电子的波 函数了 函数了 函数了 函数了 1 8 1 14 ikx ikx k xAe xux e 10 55 63第一章01 其次 根据波函数的意义 在空间某一点其次 根据波函数的意义 在空间某一点其次 根据波函数的意义 在空间某一点其次 根据波函数的意义 在空间某一点 找到电子的概率与波函数在该点的强度成找到电子的概率与波函数在该点的强度成找到电子的概率与波函数在该点的强度成找到电子的概率与波函数在该点的强度成 比例 比例 比例 比例 对于自由电子 在空间各点波函数的强度相对于自由电子 在空间各点波函数的强度相对于自由电子 在空间各点波函数的强度相对于自由电子 在空间各点波函数的强度相 等 故在空间各点找到电子的概率相同 等 故在空间各点找到电子的概率相同 等 故在空间各点找到电子的概率相同 等 故在空间各点找到电子的概率相同 这反映了电子在空间中的自由运动 而对这反映了电子在空间中的自由运动 而对这反映了电子在空间中的自由运动 而对这反映了电子在空间中的自由运动 而对 于晶体中的电子 由于于晶体中的电子 由于于晶体中的电子 由于于晶体中的电子 由于u u k k x x 是与晶格同周是与晶格同周是与晶格同周是与晶格同周 期的函数 在晶体中波函数的强度也随晶期的函数 在晶体中波函数的强度也随晶期的函数 在晶体中波函数的强度也随晶期的函数 在晶体中波函数的强度也随晶 格周期性变化 所以在晶体中各点找到该格周期性变化 所以在晶体中各点找到该格周期性变化 所以在晶体中各点找到该格周期性变化 所以在晶体中各点找到该 电子的概率也具有周期性变化性质 电子的概率也具有周期性变化性质 电子的概率也具有周期性变化性质 电子的概率也具有周期性变化性质 56 63第一章01 这反映了电子不再完全局限在某一个原子上 而这反映了电子不再完全局限在某一个原子上 而这反映了电子不再完全局限在某一个原子上 而这反映了电子不再完全局限在某一个原子上 而 是可以从晶胞中某一点自由地运动到其他晶胞内是可以从晶胞中某一点自由地运动到其他晶胞内是可以从晶胞中某一点自由地运动到其他晶胞内是可以从晶胞中某一点自由地运动到其他晶胞内 的对应点 因而电子可以在整个晶体中运动 这的对应点 因而电子可以在整个晶体中运动 这的对应点 因而电子可以在整个晶体中运动 这的对应点 因而电子可以在整个晶体中运动 这 种运动称为电子在晶体内的共有化运动 种运动称为电子在晶体内的共有化运动 种运动称为电子在晶体内的共有化运动 种运动称为电子在晶体内的共有化运动 组成晶体的原子的外层电子共有化运动较强 组成晶体的原子的外层电子共有化运动较强 组成晶体的原子的外层电子共有化运动较强 组成晶体的原子的外层电子共有化运动较强 其行为与自由电子相似 常称为准自由电子 而其行为与自由电子相似 常称为准自由电子 而其行为与自由电子相似 常称为准自由电子 而其行为与自由电子相似 常称为准自由电子 而 内层电子的共有化运动较弱 其行为与孤立原子内层电子的共有化运动较弱 其行为与孤立原子内层电子的共有化运动较弱 其行为与孤立原子内层电子的共有化运动较弱 其行为与孤立原子 中的电子相似 最后 布洛赫波函数中的波矢中的电子相似 最后 布洛赫波函数中的波矢中的电子相似 最后 布洛赫波函数中的波矢中的电子相似 最后 布洛赫波函数中的波矢 k k 与自由电子波函数中的一样 它描述晶体中电子与自由电子波函数中的一样 它描述晶体中电子与自由电子波函数中的一样 它描述晶体中电子与自由电子波函数中的一样 它描述晶体中电子 的共有化运动状态 不同的的共有化运动状态 不同的的共有化运动状态 不同的的共有化运动状态 不同的 k k标志着不同的共有标志着不同的共有标志着不同的共有标志着不同的共有 化运动状态化运动状态化运动状态化运动状态 57 63第一章01 1 2 3 1 2 3 导体 半导体 绝缘体的能带导体 半导体 绝缘体的能带导体 半导体 绝缘体的能带导体 半导体 绝缘体的能带 固体按其导电性分为导体 半导体 绝缘固体按其导电性分为导体 半导体 绝缘固体按其导电性分为导体 半导体 绝缘固体按其导电性分为导体 半导体 绝缘 体的机理 可以根据电子填充能带的情况体的机理 可以根据电子填充能带的情况体的机理 可以根据电子填充能带的情况体的机理 可以根据电子填充能带的情况 来说明 来说明 来说明 来说明 58 63第一章01 固体能够导电 是固体中的电子在外电场作用下固体能够导电 是固体中的电子在外电场作用下固体能够导电 是固体中的电子在外电场作用下固体能够导电 是固体中的电子在外电场作用下 做定向运动的结果 由于电场力对电子的加速作做定向运动的结果 由于电场力对电子的加速作做定向运动的结果 由于电场力对电子的加速作做定向运动的结果 由于电场力对电子的加速作 用 使电子的运动速度和能量都发生了变化 换用 使电子的运动速度和能量都发生了变化 换用 使电子的运动速度和能量都发生了变化 换用 使电子的运动速度和能量都发生了变化 换 言之 即电子与外电场间发生能量交换 从能带言之 即电子与外电场间发生能量交换 从能带言之 即电子与外电场间发生能量交换 从能带言之 即电子与外电场间发生能量交换 从能带 论来看 电子的能量变化 就是电子从一个能级论来看 电子的能量变化 就是电子从一个能级论来看 电子的能量变化 就是电子从一个能级论来看 电子的能量变化 就是电子从一个能级 跃迁到另一个能级上去 跃迁到另一个能级上去 跃迁到另一个能级上去 跃迁到另一个能级上去 对于满带 其中的能级已为电子所占满 在外电对于满带 其中的能级已为电子所占满 在外电对于满带 其中的能级已为电子所占满 在外电对于满带 其中的能级已为电子所占满 在外电 场作用下 满带中的电子并不形成电流 对导电场作用下 满带中的电子并不形成电流 对导电场作用下 满带中的电子并不形成电流 对导电场作用下 满带中的电子并不形成电流 对导电 没有贡献 通常原子中的内层电子都是占据满带没有贡献 通常原子中的内层电子都是占据满带没有贡献 通常原子中的内层电子都是占据满带没有贡献 通常原子中的内层电子都是占据满带 中的能级 因而内层电子对导电没有贡献 中的能级 因而内层电子对导电没有贡献 中的能级 因而内层电子对导电没有贡献 中的能级 因而内层电子对导电没有贡献