半物斌第一章

1、半导体物理学半导体物理学Semiconductor PhysicsSemiconductor Physics- The Spirit of Honest张宝林教授张宝林教授 致谢PPT by PPT by 张教授张教授李贤斌 D203半导体物理学是面向电子科学与技术方向微电子半导体物理学是面向电子科学与技术方向微电子技术、集成电路与集成系统、微电子学、光电子学、技术、集成电路与集成系统、微电子学、光电子学、材料学以及相关专业本科生所开设的一门专业基础课，材料学以及相关专业本科生所开设的一门专业基础课，是专业核心课程之一。是专业核心课程之一。开设目的：揭示半导体主要性质，探讨半导体材料在开设目的

2、：揭示半导体主要性质，探讨半导体材料在热平衡态和非平衡态下所发生的物理过程、规律以及热平衡态和非平衡态下所发生的物理过程、规律以及相关应用，并通过实验加深对半导体物理理论的理解，相关应用，并通过实验加深对半导体物理理论的理解，掌握半导体的测量技术和基本原理，以适应后续专业掌握半导体的测量技术和基本原理，以适应后续专业课程的学习和将来工作的需要。课程的学习和将来工作的需要。CMOS-IC p-Semiconductor LED Different Band Gap 导带导带价带价带导带导带价带价带价带价带导带导带Solar Cell Silicon1st Generation since 198

3、2 2nd Generation since 1995 3rd Generation since 2002 Matsushita, Sony, NEC, Ricoh MemoryGe-Sb-TeM. Wuttig & N. Yamada ,“Phase Change Material for rewritable data storage”, Nat. Mater. (2007). Device = SemiconductorPCMePCMoPCMMemoryNarrow Gap:HgCdTe, InSb, InAs, IR DetectorLASERAl-Ga-In-P (红)In-

4、Ga-N (蓝) Optical FiberCommunication半导体现象半导体现象 MOS晶体管：半导体如何导电？ 太阳能电池：半导体如高效地将俘获光子产生电压？ 红外探测器：半导体如何探测红外光子产生电信号？ LED 和 LASER：半导体如何能发光？ 光波导：半导体如何光传输？ 选用教材：半导体物理学，选用教材：半导体物理学， 孟宪章，康昌鹤，孟宪章，康昌鹤， （吉林大学校内讲义）（吉林大学校内讲义）主要参考书目：主要参考书目：1、刘恩科，朱秉升，罗晋生等，半导体物理学，、刘恩科，朱秉升，罗晋生等，半导体物理学， 国防工业出版社。国防工业出版社。2、叶良修，半导体物理学（上、下册）

5、，上海、叶良修，半导体物理学（上、下册），上海 科学技术出版社，科学技术出版社，1984。3、黄昆，谢希德，半导体物理学，科学出版社，、黄昆，谢希德，半导体物理学，科学出版社， 1958。4、 S. M. Sze(施敏施敏), Physics of Semiconductor Devices, 2nd, Wiley, 1981. 5、Donald A. Neamen, 半导体物理半导体物理与器件与器件-基本原理基本原理 （第三版）（英文版），（第三版）（英文版）， 清华大学出版社，清华大学出版社，2003。以及教材所列出的其他参考书目。以及教材所列出的其他参考书目。本课内容安排：本课内容安排：

6、第一章第一章 晶体结构：预备知识，简单介绍晶体结构：预备知识，简单介绍第二章第二章 晶格振动：预备知识，自学晶格振动：预备知识，自学第三章第三章 半导体中的电子状态：重点中的重点半导体中的电子状态：重点中的重点第四章第四章 电子和空穴的统计分布：重点电子和空穴的统计分布：重点第五章第五章 电荷输运现象：重点电荷输运现象：重点第六章第六章 半导体中的热效应：非重点半导体中的热效应：非重点第七章第七章 非平衡载流子：重点非平衡载流子：重点第八章第八章 半导体的接触现象：部分讲授，重点半导体的接触现象：部分讲授，重点第九章第九章 半导体表面：部分讲授半导体表面：部分讲授第十章第十章 半导体的光学性质

7、：重点半导体的光学性质：重点 课程之骨：课件内容课程之骨：课件内容 要求与期望要求与期望1. 重在理解；2. 作业重要；3. 鼓励提问；“(1) Persistence. Anything you do, big or small, get it concluded. (2) Carefulness. (3) Outgoing and never shy of speaking out. I bet if you look around, most great scientists are also great speakers.”- Shengbai Zhang 学习捷径学习捷径Ask Wh

8、y?考核要求考核要求1. 1.平时成绩平时成绩 20% 20%2. 2. a. a. 出勤出勤3. 3. b. b. 作业作业4. 4. c. c. 测验测验 5. 5.2. 2. 考试成绩考试成绩 80% 80%第一章第一章 晶体结构晶体结构 固体分为晶体和非晶体。固体分为晶体和非晶体。 非晶体也称为玻璃态物质或无定型固体，非晶体也称为玻璃态物质或无定型固体，非晶体中原子的排列是短程有序的。非晶体中原子的排列是短程有序的。 ( (参看第十三章参看第十三章 非晶态半导体非晶态半导体) ) 晶体中的原子排列是长程有序的。晶体中的原子排列是长程有序的。PRL 107, 015501 (2011)第

9、一章的学习内容第一章的学习内容 1.1 1.1 晶体内部结构的周期性晶体内部结构的周期性 1.3 1.3 倒格子倒格子1.1 1.1 晶体内部结构的周期性晶体内部结构的周期性 晶体中的原子是按照一定规则排列的，形成一个晶体中的原子是按照一定规则排列的，形成一个有序结构。有序结构。 图图1.1(a)表示表示ABCD的基本单位。如果它的基矢的基本单位。如果它的基矢为为 a, b 时，则可用平移矢量时，则可用平移矢量 R 表示所有点的位置，表示所有点的位置，即：即： 在三维情况下，平移矢量为在三维情况下，平移矢量为 R又称为格矢又称为格矢)1 . 1(q,p(bqapR为整数）为整数） )2 . 1

10、(s ,q,p(csbqapR为整数）为整数） 晶格：由平移矢量晶格：由平移矢量 R形成的有规则排列的空间点阵形成的有规则排列的空间点阵;格点：以格点：以 R 指定的点，称为格点；即空间（一维或多指定的点，称为格点；即空间（一维或多维）点阵中的点（结点）维）点阵中的点（结点） 。晶胞：图晶胞：图1.1(a)中，以中，以 a，b 定义的定义的ABCD区域称为晶胞；区域称为晶胞；原胞：只含有一个格点的晶胞称为原胞；原胞：只含有一个格点的晶胞称为原胞；基矢：确定原胞（晶胞）大小的矢量。原胞（晶胞）以基矢：确定原胞（晶胞）大小的矢量。原胞（晶胞）以基矢为周期排列，因此，基矢的大小为晶格常数。基矢为周期

11、排列，因此，基矢的大小为晶格常数。格矢：平移矢量格矢：平移矢量 R。 晶胞的选择方法，在某种程度上是任意的。晶胞的选择方法，在某种程度上是任意的。 根据晶胞的平移操作，就可以填满整个晶格空间，根据晶胞的平移操作，就可以填满整个晶格空间，即，在晶格中的格点是周期性排列的，所以说晶体内即，在晶格中的格点是周期性排列的，所以说晶体内部结构具有周期性。部结构具有周期性。反映晶体周期性的重复单元，有两种选取方法：反映晶体周期性的重复单元，有两种选取方法： 在固体物理学中，选取周期最小的重复单元，即原胞在固体物理学中，选取周期最小的重复单元，即原胞 在晶体学中，由对称性选取最小的重复单元，即晶胞在晶体学中

12、，由对称性选取最小的重复单元，即晶胞（单胞）。（单胞）。原胞和晶胞都是用来描述晶体中晶格周期性的最小重复原胞和晶胞都是用来描述晶体中晶格周期性的最小重复单元，但二者有所不同。在固体物理学中，原胞只强单元，但二者有所不同。在固体物理学中，原胞只强调晶格的周期性；而在结晶学中，晶胞还要强调晶格调晶格的周期性；而在结晶学中，晶胞还要强调晶格中原子分布的对称性。中原子分布的对称性。Simple CubicFace Center Cubic 晶胞与原胞关系对比晶胞与原胞关系对比 1.3 1.3 倒格子（倒格子（VIPVIP） 正格子：实空间中，晶体中的原子排列成的晶格正格子：实空间中，晶体中的原子排列成

13、的晶格点阵，称为正格子。点阵，称为正格子。倒格子：为了方便描述、讨论晶体中传播的晶格倒格子：为了方便描述、讨论晶体中传播的晶格振动或电子的运动及其状态等，引入的一个与振动或电子的运动及其状态等，引入的一个与正格子相关联的空间关系。正格子相关联的空间关系。 描述倒格子所存在的空间也称为倒空间或描述倒格子所存在的空间也称为倒空间或 k 空空间。间。(为后面讨论波矢量为后面讨论波矢量k做准备做准备)。假设倒格子的基矢为假设倒格子的基矢为 , 它们与正格子基矢它们与正格子基矢 的关系为：的关系为： (1.3)或写为：或写为：其中：其中： (1.4)0ababababab2ababab131232312

14、1332211 )3 ,2 ,1j , i (2abijji 321b ,b ,b321a ,a ,a321213321132321321222aaaaabaaaaabaaaaabV=a (bc)方向：右手定则模量：面积大小叉乘由上述的三个基矢由上述的三个基矢b1, b2, b3平移而形成的晶格称为平移而形成的晶格称为倒格子。当倒格子中的任意格点作为原点时，倒格子。当倒格子中的任意格点作为原点时，从原点到其他倒格子点之间的矢量称为倒格矢。从原点到其他倒格子点之间的矢量称为倒格矢。用用Kn表示，则表示，则相应的晶格矢相应的晶格矢Rm可表示为：可表示为：通常用通常用a1, a2, a3表示正格子原胞的三个基矢，而用表示正格子原胞的三个基矢，而用a, b, c表示晶胞的三个基矢。表示晶胞的三个基矢。)n,n,n(bnbnbnK321332211n为任意整数为任意整数 )m,m,m(a