半导体材料能带结构讲解

1、材料科学的发展 人类文明的发展伴随着新材料的发现和应用。 旧 石 器 时 代 新 石 器 时 代 铜 器 时 代 铁 器 时 代 材料：人类用来制造有用物件的物质。 材料技术在人类社会的发展中起着极其 重要的作用。 物理学的进展，使人们对越来越多的天 然材料的性能有了更为清楚的了解。 也更加具备了人造新材料的能力。今天， 人类已经可以摆布一个一个的原子，让 分子、原子按照周密的设计构造成新材 料。 材料（传统） 金属 无机非金属 有机高分子 复合材料 按材料的性能：功能材料、结构材料 7.1 物质结构的基础知识 按导电能力：导体、半导体和绝缘体三类。 按材料的结构：晶体、非晶固体和液体 一、元

2、素是构成材料的最小单位一、元素是构成材料的最小单位 1、元素是构成材料的最小单位、元素是构成材料的最小单位 2、组成化合物的最小单位是分子、组成化合物的最小单位是分子 二、分子的键型和构形二、分子的键型和构形 构成原则：使构成的分子或晶体处于最低的能态 1、分子的键型：离子键和共价键、分子的键型：离子键和共价键 离子键：有电子转移，如NaCl 共价键：两原子共享电子而成 2、分子的构型：有极分子和无极分子 有极分子：如有极分子：如NH3,H2O,SO2,CO等等 无极分子：如N2,H2,CO2,CH4等 三、晶体的结合类型和结构 绝大部分的金属材料、半导体材料和绝缘体材 料都是晶体。 原子或分

3、子在晶体中有规则地排列着，被称为 “长程有序”，这一规则排列一般称为晶体格 子，或简称为晶格。 原子在结合成晶体时，相互之间的间距只有几个 埃（10-10m）的数量级。 1、离子晶体：结构稳固，导电性能差，熔点高， 膨胀系数小 2、原子晶体：共价晶体 3、金属晶体：价电子为自由电子 氯化钠结构（NaCl） 氯化铯结构（CsCl） 四、晶体特性 1、晶体结构的周期性 2、晶体结构的对称性 3、各向异性 4、最小内能性 5、晶格振动 五、非晶凝聚态物质 （多数人工合成的） 合金，金属玻璃，非晶硅和液晶 7.2 半导体 一、导体、绝缘体和半导体 1、导体：善于传导电流的物体，其电阻率很小 2、绝缘体

4、：电阻率极高的物体 3、半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间 4、晶体的能带结构 1947年12月，美国贝尔实验室的巴丁、布拉顿 和肖克莱三人利用半导体材料锗制成第一个晶体 管，同获1956年诺贝尔物理学奖。 （1）、能带的形成 a、外层电子共有化 对大量原子有规则地排列成晶体时，由于原 子离得很近，每个电子不仅受到本身原子核 的作用，而且受到邻近原子核的影响,内层电 子因受原子核的牢牢束缚而影响较小；价电 子或外层电子却不同，外层电子受邻近原子 的作用更强，容易脱离原来的原子而进入到 其他原子当中。 即电子不再分属各个原子所 有，而是属于整个原子所共有，这称电子的 共有化， b、能带的形成

5、因为当有N个相同的自由原子时，每个原子内 的电子有相同的分立的能级，它们是N重简并的， 当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中 的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相 容原则）从而只能分裂成N个非常靠近的能级 （10-22ev），因为能量差甚小，可看成能量连续 的区域，称为能带。 1s 2p 2s ? E o 原子间距 禁带 禁带 能带 （2）电子填空能带的情况）电子填空能带的情况 a、满带：、满带：各能级都被两个自旋相反电子填满的能带 满带 E ? 当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电 子必作相反的转移。没有额外的定向运动。满带 中电子不能形成电流。 导带 E ? 电子可在外场作

6、 用下跃迁到高一 级的能级形成电 流。故称为导带。 b、导带：能级没有被电子填满的能带 c、空带：各能级都没有被电子填充的能带 d、价带：价电子所处的带称为价带 （3）金属、半导体、绝缘体的能带结构 a、导体：价带是导带或等效导带 导带 满带 满带 空带 满带 空带 重叠 相连 b、绝缘体：只有满带和空带，且禁带宽度较大 满带 空带 )63(eVEg? eV63 g E? 禁带 例如金刚石中两个碳原 子相距15纳米时， Eg=5.33电子伏。 c、半导体：价带是满带，但是禁带宽度较小 导体、半导体、绝缘体的不同，主要是能带结构 不同 满带 空带 eV21 . 0 g E?禁带 )21 . 0(

7、eVEg? 例如硅?Eg=1.14电子 伏，锗?Eg=0.67电子 伏，砷化镓?Eg=1.43 电子伏。 金属导电与半导体导电的差别：金属导电的载流 子是自由电子，半导体导电的载流子是导带中的 电子和价带中的空穴。 二、本征半导体与杂质半导体 1 1、本征半导体：不含杂质的纯净半导体，很少 实际应用 空带 满带 禁带 -e -e -e -e E ? Ie IP ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 本征激发 空 穴 电 流 导电机制： 本征导电中的载流子是电子和空穴 （本征导电） 2、杂质半导体：有n型和p型 n型：本征半导体中掺入微量五价的杂质原子，多 余电子导电 例在四价锗（G

8、e）元素半导体中掺入五价砷（AS） 所形成的半导体 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 G e AS AS +5 +5 掺入AS以后，五个价电 子中，有四个电子与周 围的G e组成共价键晶体 ，还多余一个电子，此 电子成为自由电子 p p型：本征半导体中掺入微量三价的杂质原子，空型：本征半导体中掺入微量三价的杂质原子，空 穴导电 例在四价锗（G e）元素半导体中掺入三价硼（B） 所形成的半导体 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4

9、 G e 掺入B以后，B是三价， 与周围的G e组成共价键 晶体，还缺少一个电子， 从而形成一个空穴，形 成空穴导电。 B B +3 +3 三、半导体硅材料 单晶硅是做半导体器件和集成电路时用得最 多(95%)的材料 1、硅在地壳中含量较高，成本低 2、硅器件性能较稳定 世界上95%以上的半导体器件用硅制成的原因： 硅占地壳总重量的27%；硅禁带宽度大，做成器 件性能稳定； 硅机械强度高，结晶性好。 3、硅机械强度高，结晶性好，其提炼和制 成单晶的工艺成熟 另：砷化镓制成的集成电路在响应速度,耐高温, 抗辐射方面都优于硅集成电路，但制作难度大, 价格昂贵 四、半导体材料的应用简介四、半导体材料

10、的应用简介 1.p-n结和晶体管 p-n结是构成各种半导体器件的基础，其最重要结是构成各种半导体器件的基础，其最重要 的特性是单向导电性 P型 N型 E ? P型衬底 P-n结的构造： N型杂质 P型半导体与n型半导型接触形成的偶电层结构 这种结构称为P-n结。 扩散 晶体管：二极管和三极管 二极管单向导电，三极管放大 P - n 结整流特性 N型 P型 N型 P型 U U 正 i 反 i 0.18微米上海“汉芯一号” 利用0.3微米线宽工艺在10mm20mm的芯片上集 成了1.4亿个元件，即集成密度达70万个元件/毫米。 每个芯片可包含多至上百万个晶体管。 晶体管小型化的速度是非常惊人的。从

11、 60年代 线宽10微米，到90年代已达到线宽0.5微米或更 小。 2集成电路：采用氧化、光刻、扩散掺杂等工艺 把晶体管、电阻、电容等元件集成于一块半导体芯 片上，封装成多脚的器件。主要优点：小、轻、电 路性能好且可靠，成本低。电子产品的不断更新换 代，主要得益于集成电路技术的迅速发展 3半导体激光器 4太阳能电池（光生伏特特性） 光纤通信是未来通信的发展方向，用的主要是 半导体激光器。半导体激光器与发光二极管都是 靠材料中的电子和空穴退激使发光，硅和锗等元 素半导体退激时只引起发热，砷化镓等化合物半 导体中退激时会发光。砷化镓发近红外光。 太阳能电池是利用PN结的光生伏特效应，最 重要的参数

12、是电转换效率，非晶硅太阳电池，转 换效率约10%，成本低；砷化镓晶体太阳电池转 换效率可达20%以上，但成本高。太阳能电池广 泛应用于人造卫星和航天器上。 7.3 7.3 超导材料 一、超导体的基本特性 1 1、零电阻效应 19131913年获诺贝尔物理学奖 ?t o ?1 1911年荷兰物理学家昂尼斯 （H.K.Onnes 18531926）发现， 汞在 T c = 4.2K 时，其电阻率 ?0，汞的这种现象称为“超导 现象”。Tc 称为“转变温度” 正常导体的电阻率： 汞的电阻率 寻找转变温度Tc较高的新 超导体材料： ? 1955年发现了化合物 氮化铌（NbN）的转变温 度Tc=14.7

13、K； ? 1973年，发现铌三锗 （Nb 3Ge）的转变温度 Tc=23.2K ? 1930年，发现铌（Nb） 的转变温度为9.2K； 2、完全抗磁性，迈斯纳效应 1933年，迈斯纳发现 3、存在临界磁场Hc HHc时，超导态变为正常态 超导体的抗磁性 磁悬浮的小球 I 4 4、同位素效应 T Tc cM M1/2 1/2= =常数 P.258,一些元素的超导参数表 5、超导电性的微观理论(BCS)，获1972年诺贝 尔物理学奖 二、常温超导与高温超导 常温超导材料:元素,合金,化合物 我国在高温超导的实验领域处于领先地位。目前T Tc c 己达134K134K，加压时可达164K164K，已

14、有许多实际应用。 高温超导材料:陶瓷，1986年发现，1987年获诺贝尔 物理学奖。 巴丁、库柏和施里弗三人共同创立的现代超导微 观理论。 三、超导的应用前景 低损耗电能传输低损耗电能传输 由超导材料制成的输电线可用于长距离的直流输电。 磁悬浮列车磁悬浮列车 利用超导体的抗磁性，可以把列车悬浮在轨道上，车 速可达到500公里以上。 制成无摩擦轴承，从而大大提高轴承的转速，达 到每分钟数十万转。 超导应用简介(P.260)(P.260) *7.5 纳米材料与C 60结构 一、 纳米材料 二、 纳米加工与原子操纵 三、举世瞩目的C60 纳米科学技术 观察和研究固体表面的微观结构 1 2 3 4 5 6 退出 返回 2 纳米科学技术 观察DNA分子揭示生命的奥秘 世界上第一张DNA图像 小白鼠DNA 1 2 3 4 5 6 退出 返回 2 纳米科学技术 DNA合成瞬间 平行双链DNA 观察DNA分子揭示生命的奥秘 1 2 3 4 5 6 退出 返回 2 纳米科学技术 DNA合成瞬间 平行双链DNA 观察DNA分子揭示生命的奥秘 1 2 3 4 5 6 退出 返回 2 纳米科学技术 改造微观世界的手段 操纵原子不是梦操纵原子不是梦 1 2 3 4 5 6 退出 返回 2