电子信息物理学

1、电子信息物理学第1页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五理想晶体：电子处于严格的周期性势场中 电子运动状态不变，速度不变实际晶体：晶格原子振动、杂质、缺陷周期性势场偏离理想电子运动状态变化、速度变化电子势能改变稳定、非平衡电子分布使电子分布向恢复平衡发展恒定外力场电子定向运动使电子分布向非平衡发展第2页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.1 周期势场中的电子和能带论3.1.1能带的形成原子相互接近形成晶体电子不再局限在某一个原子电子可以从一个原子转移到另一个原子电子在整个晶体中共有化运动不同原子的相似壳层交替第3页，共133页，2022年，5月20日，4

2、点8分，星期五两个原子相距较远，其能级与孤立原子一样，但有2度简并原子相互接近，每个原子中的电子除受本身原子势场作用外，还受另外原子势场的作用 每个2度简并的能级分裂成2个相距很近的能级第4页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五原子间距 r0 ：晶体中平衡态原子间的距离分裂的能级数目达到平衡状态形成晶体众多的分裂能级形成连续的能带晶体中原子密度很高1022 原子/cm3 第5页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五 r0 ：晶体中平衡态原子间的距离能级分裂形成的能带都称为允带允带之间的能态空隙称为禁带第6页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五

3、实际晶体的能级分裂情况比较复杂例：硅（Si）晶体能级分裂a0 ：硅晶体中平衡态原子间的距离允带I ：导带禁带允带II ：导带第7页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.1 .2 Kronig-Penney模型大量原子周期性排列原子核多体多电子问题薛定谔方程多体晶体困难电子多电子第8页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五多体多电子问题单体多电子问题薛定谔方程能带理论单体单电子问题电子运动速度 离子运动速度哈特里.福克单电子近似法其他电子作用按几率分布用一个平均势场表示离子运动与电子运动不交换能量假定离子固定在平衡位置上不动绝热近似原子核势场第9页，共133页

4、，2022年，5月20日，4点8分，星期五原子实：除价电子外，包括原子核和所以壳层的离子单电子原子例：孤立原子位函数相邻原子实的交叠位函数其他电子的排斥作用削弱原子实的位函数起伏一个电子实际存在的位函数 V(r)= -e2 /40r 第10页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五核中质子产生的电势为：电子在该电场中运动的束缚位函数为：定态薛定谔方程：第11页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五晶体中周期性势场与晶格有相同的周期单电子在一维周期性势场中的运动满足薛定谔方程与 ，为同一能量本征值的波函数= ，a为晶格常数，n为整数第12页，共133页，2022年，

5、5月20日，4点8分，星期五自由电子波函数为平面波布洛赫定理：在一维周期性势场中的单电子波函数为一个周期性调幅的平面波，其振幅周期为晶格周期，用布洛赫函数描写状态的电子为布洛赫电子与 ，为同一能量本征值的波函数布洛赫函数)exp()(jkxAx=y则可以设此波函数的形式为：第13页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五扩充成三维（u（x）是一个周期函数）自由电子的动量：hk/2 布洛赫函数：布洛赫函数周期性函数：晶格矢量：布洛赫电子的hk/2并不具备确定的动量，不具备严格意义下的动量含义，但它具有动量的性质，称为准动量第14页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期

6、五区区第15页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五区： 区 ： 连续边界条件： x=a, -b:根据连续边界条件，可以获得以A,B,C,D为未知数的四个线性齐次方程第16页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五线性齐次方程组的非零解的条件时系数行列式为0：电子束缚在晶体内0：用数值解法或者图解法可以确定k，E，V0 的关系第17页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五假定势垒很窄但很高而为有限值本征方程：第18页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五求出总能量E本征方程为简化情况下，薛定谔方程有非零解的条件布洛赫函数求出 、区：

7、 区 ： 第19页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.1.3 k空间图第20页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五第一布里渊区第二布里渊区第三布里渊区第二布里渊区第三布里渊区第21页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五简约布里渊区第22页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五每隔1/a的k表示的是同一 个电子态简约不里渊区能带图第23页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五E（k）- k的对应意义：一个k值与一个能级（又称能量状态）相对应； 每个布里渊区有N（N：晶体的固体 物理学原胞数）个k状态，故每个

8、能带 中有N个能级； 每个能级最多可容纳自旋相反的两个电子，故 每个能带中最多可容纳2N个电子。 第24页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五自由电子的能带图本征方程：自由粒子无势场连续抛物线第25页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.1.4 能带论的其他模型1.自由电子模型晶体势场很弱电子的行为很象自由电子以势场平均值 求解薛定谔方程第26页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五实际势场可以分解零级近似微扰法求解薛定谔方程修正 和 第27页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五自由电子模型：电子能量与波矢的关系图（色散关

9、系）与kp模型类似色散曲线更接近自由电子的抛物线关系在附近有微小扰动 E(k)是偶函数适用于金属价电子的粗略近似第28页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五2.紧束缚模型：晶体中原子间的距离较近以孤立原子的能量作为零级近似原子间的相互作用很小每个原子对其他电子有较强的束缚作用简并能级只对能级进行微扰能带紧束缚模型：适用于导电性能较差的晶体，对狭窄内壳层 能带的粗略近似第29页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3. 2 固体的导电性、有效质量和空穴3.2.1 能带和键的模型：硅共价键例：T=0 K,价带4N个能太填满导带为空带，共价键图为：T0 K,热能使电

10、子能量增加，电子从价带跃迁到导带，价带和导带都是非满带，共价键图为：第30页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五温度继续升高价带电子不断跃迁到导带价带电子不断增加空态无外力时，价带空态和导带电子在k空间的分布是对称的第31页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.2.2 晶体中电子运动的速度和加速度1 .速度自由电子：（只有动能、没有势能）自由电子的德布罗意平面波：第32页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五2. 加速度，在一维空间分析第33页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五加速度，在空间分析能量增量外力作功：第34页

11、，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.2.3 有效质量有效质量电子与波失的关系（二阶导数 ），决定有效质量的大小和正负能带底E（k）极小值能带顶E（k）极大值第35页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五有效质量的物理意义电子有效质量电子的惯性质量m0外力F、晶体势场Fc 外力F可使电子加速，但与自由电子不同晶体势场Fc比外力F大的多，并且反向，外力F不足以使电子加速第36页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五半导体内部势场+外电 场的共同作用概括了半导体内部势场的作用 第37页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.2.

12、4 满带、部分填充的能带和空穴1. 满带、部分填充导带无电场时电子在状态中的分布（画线表示）（a）满带 (b)不满的带有电场时电子在状态中的分布（画线表示）（a）满带 (b)不满的带第38页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五2. 电子能态的变化与导电性a.无外场E是k的偶函数一维：v是k的奇函数K与k两个状态的电子对电流的贡献互相抵消晶体总电流0所有正负k状态大的电子对第39页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五b.外电场对电子状态的影响K空间电子能态变化速度：外电场：第40页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五满带电子能态各电子的能量E

13、和速度v变化，但E(k)与v（k）的分布不变正负速度的电子的作用全部抵消总电流为0，不导电部分填充的电子能态各电子的能量E和速度v变化，但E(k)与v（k）的分布不对称正负速度的电子的作用部分抵消总电流不为0，导电外电场E外电场E 满带晶体不导电 部分填充能带晶体导电1）满带中的电子不导电 即是说，+k态和-k态的电子电流互相抵消 所以，满带中的电子不导电。2) 而对部分填充的能带，将产生宏观电流。第41页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3. 空穴空穴：将价带电子的导电作用等效为带正电荷的准粒子的导电作用。空穴的主要特征： A、荷正电：+q； B、空穴浓度表示为p（电子浓

14、度表示为n）； C、EP=-En D、mP*=-mn*第42页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五T=0，无激发场价带为满带，导带为空带不导电总电流密度为0T大于0，热或其它激发价带顶附近一些电子进入导带价带顶附近出现一些空的状态总电流密度不为0空穴在半导体内的运动方式第43页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五因此，在半导体中存在两种载流子：（1）电子； （2）空穴；而在本征半导体中，n=p。如左下图所示： 空穴与导电电子第44页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.2.5 金属、绝缘体和半导体各种晶体都有各自的能带能带结构主要决定固体

15、的电、磁、光等特性价电子是构成化学键的电子价电子决定导电特性价电子形成的能带为价带固体导电性能导体非导体金属半导体半金属绝缘体第45页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五绝缘体：导带为空，不导电价带为满带，不导电禁带宽度很大，约为6ev例如：金刚石禁带宽度5.6ev，电导率很小第46页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五半导体：导带为部分填充能带，导电价为部分填充能带，导电禁带宽度比绝缘体小很多，约为1ev。例如Si的禁带宽度1.12ev，电导率比绝缘体大的多T0K,导带为空带，不导电T0K,导带为满带，不导电第47页，共133页，2022年，5月20日，4

16、点8分，星期五半金属：导带为部分填充能带，导电价为部分填充能带，导电导带与价带互相交叠电导率比半导体大的多金属：导带为部分填充能带，导电电导率比半导体大的多第48页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五导体、绝缘体和半导体的能带模型 第49页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.2.5 能带一维概念的三维扩展实际的晶体是三维的不同方向有不同的原子间距、不同的位函数不同的k空间不同方向有不同的E（k）函数第50页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五GaAs能带结构Si能带结构-k表示111晶向、k表示100晶向GaAs导带底曲率比Si的大，

17、GaAs导带电子有效质量比Si的小第51页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五GaAs导带底与价带顶具有相同的k值直接带隙半导体能带跃迁不改变电子的能量较适合于光学材料Si导带在100方向上价带顶k0间接带隙半导体，禁带宽度仍然为导带底与价带顶之差能带跃迁改变电子的动量和能量，满足能量守恒与动量守恒Ge也是间接带隙，导带底在111方向第52页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五GaAs的能带结构的主要特征（2）Eg（300K）= 1.428eV Eg (0K) = 1.522eV(3)直接能隙结构第53页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五

18、3.3半导体的载流子载流子：载运电流的粒子金属自由电子半导体导带电子、价带空穴3.3.1 态密度函数E(k)曲线在导带底与价带顶接近自由电子的抛物线关系近似模型：三维无限深势阱中的自由电子态密度函数：单位体积、单位能量允许电子占据的量子态数目。假设在能带中能量E与E+dE之间的能量间隔dE内有量子态dZ个，则定义状态密度g（E）为：金属、半导体导带中允许电子相对运动，但被限制在晶体中第54页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五晶体：边长为a的立方体势阱：p17页一维的例子在k空间，两个量子态的间距为/a ，考虑到泡利不相容原理，一个自旋量子态的体积为0.5(/a)3 第55页

19、，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五二维k空间阵列k空间第一1/8球体考虑k空间第一1/8球体球壳体积为第56页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五k空间的量子态密度态密度函数g（E）第57页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五对于半导体：导带底：价带顶：第58页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五导带底：禁带中：价带顶：第59页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五由此可知： 状态密度gC（E）和gV（E） 与能量E有抛物线关系，还与有效质量有关，有效质量大的 能带中的状态密度大。第60页，共133页，2

20、022年，5月20日，4点8分，星期五3.3.2 费米分布函数与费米能级不发生相互作用的粒子，在量子态中的统计规律：MaxwellBoltzmann几率函数 粒子可区分，每个量子态的粒子数不限 容器中的低压气体分子 BoseEinstein几率函数粒子不可区分，每个量子态的粒子数不限 黑体辐射FermiDirac（费米狄拉克）几率函数粒子不可区分，每个量子态只允许占据一个电子晶体中的电子第61页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五FermiDirac（费米狄拉克）几率函数为波尔兹曼常数，且费米分布函数实际上就是能量为E的一个独立的电子态被一个电子占据的几率下图为不同温度下费米

21、几率函数：第62页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五费米能级EF的意义费米能级EF ：描述电子统计分布的物理量，量纲为eVT0K: EEF ,f(E)=0,完全没有电子 E0K EEF ,f(E) 1/2 E 1/2 E=EF, f(E) = 1/2EF kBTF, ，TF为费米温度F(E)1/2EEF第63页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五费米能级EF的意义EF的位置比较直观地反映了电子占据电子态的情况。即标志了电子填充能级的水平。 EF越高，说明有较多的能量较高的电子态上有电子占据 不同温度下的量子态占据情况：第64页，共133页，2022年，5月

22、20日，4点8分，星期五, 对于本征半导体，EF位于禁带中部：Eg ：1.61.7ev半导体的费米温度TF ：104105 K室温：T=300K,则价带顶:价带主要由电子填充导带电子很少导带底：第65页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五和为粒子占据能态的几率为能态空占的几率以为EF对称第66页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五对于本征半导体，费米分布函数玻尔兹曼分布函数波尔兹曼（Boltzmann）分布函数 第67页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五空穴的费米分布函数第68页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.3

23、.2 半导体中的载流子 1. (本征半导体)导带中电子和价带中空穴浓度 在一定温度T下，产生过程与复合过程之间处于动态 的平衡，这种状态就叫热平衡状态。 处于热平衡状态的载流子n0和p0称为热平衡载流子。 它们保持着一定的数值。第69页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五本征激发 当温度一定时，价带电子受到激发而成为导带电子的过程 本征激发。激发前激发后第70页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五非掺杂的半导体(本征半导体)T0KT0K价带为满带，导带为空带价带和导带都不导电热激发（本征激发）价带电子进入导带价带空穴，导带电子价带和导带为部分填充能带价带和导

24、带导电第71页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五半导体中电子和空穴的有效质量 EC(k) 电子主要 在导带底抛物线近似Ev(k) 空穴进入价带顶抛物线近似故价带电子有效质量为正而导带电子有效质量是负的第72页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五导带电子统计分布玻尔兹曼近似单位体积电子数（电子浓度）：（金属自由电子）类比半导体单位体积能态密度导带电子浓度：导带有效态密度：第73页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五价带空穴统计分布玻尔兹曼近似价带空穴能态密度价带空穴浓度：价带有效态密度：第74页，共133页，2022年，5月20日，4点8分

25、，星期五第75页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五本征半导体热激发，使价带电子进入导带导带电子完全由价带提供：（禁带中心位置）T=0K,本征半导体的费米能级在禁带中央本征半导体的平衡载流子浓度：T=0K,本征半导体的平衡载流子浓度与温度、禁带宽度有关，而与费米能级无关第76页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五 1. 杂质半导体本征半导体提供导带电子施主杂质提供价带电子受主杂质N型半导体P型半导体第77页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五浅能级杂质：浅能级/施主杂质的能级离导带底/价带顶很近浅能级施主原子很容易电离、施主离子很难俘获电子

26、浅能级受主原子很容易电离、受主离子很难俘获空穴深能级杂质：深能级施主/受主杂质的能级离导带底/价带顶很远深能级杂质很难电离，很难为导带或者价带提供载流子第78页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五杂质的电离能：第79页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五N半导体T0K施主杂质原子电离成“”离子大量提供导带电子少量俘获电子总效应：大量提供导带电子P半导体T0K受主杂质原子电离成“”离子大量提供价带空穴少量俘获电子总效应：大量提供价带空穴第80页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五施主原子密度ND 占据施主态电子浓度nd 为离化离子浓度，g为简

27、并度，一般取g2第81页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五受主原子密度NA 受主态空穴浓度pa 为离化离子浓度，g为简并度，一般取g2第82页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五完全离化： T=0K： 第83页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五 补偿半导体：既掺施主杂质，也掺受主杂质NDNA 为n型半导体NAND为p型半导体第84页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五热平衡时，半导体晶体为电中性完全离化:本征载流子浓度:第85页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五掺杂半导体载流子浓度随温度变化特性低温

28、弱电离N型半导体载流子浓度：费米能级：EF在导带底与施主杂质能级之间T=0K， EF在导带底与施主杂质能级中部T0K，施主杂质浓度增加时，EF向导带底方向移动第86页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五低温弱电离p型半导体载流子浓度：费米能级：EFp在价带顶与受主杂质能级之间T=0K， EFp在价带顶与受主杂质能级中部T0K，受主杂质浓度增加时，EFp向价带顶方向移动第87页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五强电离载流子浓度：费米能级：n型半导体 p型半导体 高温本征区：p型半导体 和n型半导体都具有本征半导体的特性：载流子浓度：费米能级：第88页，共13

29、3页，2022年，5月20日，4点8分，星期五n半导体载流子浓度低温弱电离：强电离：高温本征区：低温弱电离：仅施主（杂质）上的部分有可能进导带，即杂质能级代替本征半导体的价带，kBT k BTEC-ED 高温本征区：价带跃迁到导带的电子已经很多，远多于杂质来的电子，与本征半导体相似第89页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.3.4 半导体的连续性方程均匀掺杂半导体在热平衡下，单位时间，单位体积电子空穴对产生数复合数载流子浓度不变载流子浓度均匀（电中性，包括杂质离子）外界（光或电）作用载流子浓度与平衡值有偏离，产生：非平衡多数载流子（多子）、非平衡少数载流子（少子）第90页

30、，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五N型半导体光照后增加载流子，非平衡少子浓度：少子（空穴）总浓度：少子扩散扩散流密度:单位时间、通过单位面积的粒子数扩散定律：由于浓度不均匀而导致载流子（电子或空穴）从高浓度处向低浓度处逐渐运动的过程 叫扩散第91页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五空穴扩散流密度：Sp 空穴扩散系数：Dp 单位时间、单位体积内积累在x处的空穴数：少子复合单位时间、单位体积内在x处复合的空穴数：非平衡少子寿命单位时间、单位体积内空穴数随时间的变化率：在恒定光照下达到稳定（扩散和复合动态平衡）：第92页，共133页，2022年，5月20日，4

31、点8分，星期五样品足够厚时 扩散长度表示非平衡空穴浓度从初始浓度下降到e的倒数倍时的距离第93页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五电子的扩散定律与稳态扩散方程 第94页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五外加电场如果有外加电场，则外加电场会产生漂移电流外电场E使少子（空穴）产生漂移运动，空穴的漂移电流密度为：空穴迁移率扩散电流与漂移电流 第95页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五连续性方程：其他因素导致单位时间、单位体积内积累的空穴数： 扩散项漂移扩散项漂移项复合项其它第96页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.4

32、 金属中的自由电子3.4 .1 自由气能量状态与费米面单位体积中金属的能态密度：单位体积中的电子数（电子浓度）：当T=0K时，费米能级第97页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五费米温度例如Na的费米能级：费米温度一般情况，温度升高对电子分布影响很小在费米能级EF 附近，温度上升对电子分布的影响较大第98页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五E= EF 的等能面为费米面自由电子的费米面：理想时为球面实际的费米面，与球面由较大的区别T=0K E EF ,完全没有电子 E0K EF-kBTE EF的电子跃迁到EF E EF+kBT的能态上电子的费米面对金属的物理

33、特性有较大的影响第99页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.4 .2 电阻率和温度的关系漂移运动导致载流子分布偏离均匀外电场力：稳恒状态，力平衡金属外电场杂质、缺陷、晶格振动、载流子碰撞、散射，导致载流子分布恢复均匀平均碰撞时间：阻力：第100页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五电导率：迁移率：在费米面附近的电子对电导的贡献：总自由电荷荷质比费米面附近的电子手晶格散射的弛豫时间第101页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五迁移率:半导体n型半导体p型半导体晶格振动T晶格振动散射对载流子扩散加强主导高温区电离杂质散射T载流子速度电离杂质

34、对载流子散射主导低温区第102页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五迁移率:低温， T迁移率由 主导，迁移率中温，T迁移率由 主导，迁移率高温，T迁移率由 主导，迁移率 载流子浓度n或者p低温，T 低温本征激发很小，主要由杂质电离增加载流子浓度中温， T 中温本征激发增加，杂质电离恒定，平稳增加载流子浓度高温， T 高温本征激发大幅度增加，杂质电离恒定，大幅度增加载流子浓度第103页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五 半导体电阻率与载流子浓度和迁移率成反比载流子浓度迁移率低温，T电阻率载流子浓度迁移率中温，T电阻率载流子浓度迁移率高温，T电阻率第104页，

35、共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五 3.5半导体材料半导体材料元素半导体：Si、Ge、Se、Te化合物半导体：晶态、非晶态无机、有机化合物、氧化物3.5.1 -族化合物半导体-族化合物半导体的化学键：共价键和极性键构成的混合键-族化合物半导体由9中组成：第105页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五GeAs（砷化镓）单晶材料：闪锌矿晶体结构，第二代半导体材料，继Si后发展很快、应用最广的半导体材料、直接带隙光电子器件、光电存储材料：InP(磷化铟)单晶材料：在某些材料上比GeAs（砷化镓）更加优异发展的趋势为：SiGeAsInP第106页，共133页，202

36、2年，5月20日，4点8分，星期五-族化合物半导体（合金半导体）：例如： GePxAs1-x （三元素，0 x1） （AlxGeP1-xAsySb1-y四元素，0 x1， 0y1 ）黑点处：二元化合物半导体黑但间连线上的点：三元合金半导体连线保卫的面上的点：四元和经半导体横坐标：晶格常数纵坐标：禁带宽度、波长化合物半导体需要与衬底晶格常数匹配第107页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.5.2 - 族化合物半导体 族半导体：Zn、Cd、Hg 族半导体：S、Se、Te-族化合物半导体的化学键：离子键、“自补偿”作用自补偿：掺受主杂质的半导体材料体内，由于热缺陷会出现负空位，

37、此负离子起施主作用，补偿了受主；反之亦然。 有些- 族化合物半导体只呈现p型或者n型，称为单极性半导体，例如Zn Te 、Cd Se 、 CdS； 窄禁带宽度半导体，用于远红外探测器（波长40m或以上） - 族三元化合物半导体： CdHgTe - 族化合物半导体：PbSnTe第108页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.5.3 非晶态半导体非晶态半导体短程有序掺入无穷多杂质和缺陷引入杂质能带1.非晶Si（- Si）半导体：太阳电池、场效应管（驱动液晶显示，逻辑电路和图像传感器）2.硫属玻璃半导体：奥氏（Ovshinsky）效应（奥 氏阈值开关、奥氏记忆开关）3.氧化物玻璃

38、体：ITO第109页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.5.4 有机半导体有机半导体：键（两个键，共轭双键）键电子在整个分子中运动有机化合物半导体的种类：分子晶体、络合物合电荷转移络合物、长键或聚合物、有机染料和一些生物学分子晶体例如：四氰基二甲苯（n型半导体电荷转移络合物）导电塑料（聚合物）第110页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.6 几种固态电子的体效应 固态电子效应（电、磁、声、光、热、力）：耿氏效应磁电效应热电效应压电效应声电效应磁光效应光磁电效应热磁电效应光磁热效应第111页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3.6.

39、1 磁电效应：霍尔（Hall）效应霍尔（Hall）效应霍尔效应的本质：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。 正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。第112页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五达到平衡使时有电场力与磁场洛伦兹力平衡霍尔迁移率：对n型半导体：霍尔电压：霍尔系数：式中

40、RH为霍尔系数，其定义为单位电流密度和单位磁感应强度所产生的霍尔电场，它与载流子浓度n和载流子电量e的关系：第113页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五前述，对n型半导体有：载流子速度的统计分布（玻尔兹曼Boltzmann方程）n 为常规电子迁移率垂直磁场使载流子漂移运动发生转移，电流同合成电场的夹角称为霍尔角 ，在弱磁场情况下，偏转比较小，霍尔角也很小。对于p型半导体 ：对于n型半导体：第114页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五应用根据霍尔效应，人们用半导体材料制成霍尔元件，它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，

41、在检测、自动化、信息处理等领域得到广泛的应用。确定半导体得导电类型 n型半导体： RH0确定载流子浓度p或者n测定霍尔系数RH 第115页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五确定半导体得禁带宽度结合电导率得测量，可得到多数载流子的迁移率测量磁场：迁移率较大的半导体高斯计磁阻效应：磁场较强时，载流子偏转较大，沿外电场方向电流密度减小，即由于磁场的存在，使半导体的电阻较大在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器 第116页，共133页，

42、2022年，5月20日，4点8分，星期五3.6.2 热电效应热能与电能相互转化热电效应（a）赛贝克效应氏档两个不同的导体A合B在连接处有不同的温度时产生温差电动势VAB 的效应。赛贝克系数：（b）珀儿贴效应是电流IAB通过连接着的两个不同导体A和B时在接头处产生吸收热量Q(放出热量)的效应珀儿贴系数：（c）汤姆逊效应是电流I流经有温度梯度的均匀导体时，除电阻产生的焦耳热外附加吸收或者放热的效应汤姆逊系数：第117页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五热电效应的赛贝克系数、珀儿贴系数和汤姆逊系数三个系数之间的关系第118页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五3

43、.6.2 耿氏效应耿氏效应:n型砷化镓两端电极上加以电压.当电压高到某一值时,半导体电流便以很高频率振荡,这个效应称为耿氏效应. 耿氏效应与半导体的能带结构有关:砷化镓导带最低能谷1位于布里渊区中心,在布里渊区边界L处还有一个能谷2,它比能谷1高出0.29ev.当温度不太高,电场不太强时,导带电子大部分位于能谷1.能谷1曲率大,电子有效质量小.能谷2曲率小,电子有效质量大.因能谷2有效质量大,故能谷2的电子迁移率比能谷1的电子迁移率小,故当电场很弱时,电子位于能谷1.当电场很强时,电子从电场获得较大能量由能谷1 跃迁到能谷2, 在速场特性上表现为不同的变化速率.在迁移率由变化到的过程中经过一个负阻区.在负阻区,迁移率为负值.这一特性也称为负阻效应.其意义是随着电场强度增大而电流密度减小.第119页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五欧姆（Ohme）定律：电场强度E增加电流密度J线性增加n型GaAs，平均漂移速度vd并非一直随电场强度上升而上升，而是有一个饱和值（电场强度3000V/cm时，达到最大值）电场强度E3000V/cm时，平均漂移速度vd随电场强度上升而下降载流子迁移率随电场强度上升而下降电流密度J不但不是线性增加，反而下降微分负阻 区第120页，共133页，2022年，5月20日，4点8分，星期五A: 耿氏