半导体物理学之半导体中的电子状态

《半导体物理学》1、什么是半导体？物质按导电能力分为：绝缘体：电导率范围10-15-10-10S/cm

半导体：电导率范围10-10-105S/cm

导体:电导率范围105-106S/cm2、半导体物理的研究对象研究半导体的各种物理性质及其内在规律的一门学科。主要研究在外界作用下(掺杂、电场、温度场、磁场)半导体性质的变化及其原因。3、学习半导体物理的基础课程：量子力学、固体物理、热力学及统计物理4、半导体课程的特点：基础性、抽象性、理论性5、为什么要学习半导体物理？1、半导体物理学的学习方法：上课、看书、写作业(结合半导体技术)2、半导体物理学参考书

《半导体物理学》

《固体物理学》3、成绩评定平时成绩：点名、作业、提问考试成绩：期末考试成绩4、以前的补考率5～10％第一章半导体中电子的状态1.1半导体的晶格结构和结合性质1、金刚石结构和共价键正四面体结构金刚石型结构金刚石结构晶胞（111）面的密堆积（100）面上的投影Si

晶格常数为0.54nm(5.4Å）每立方厘米5.0×1022

原子间最短距离（0.235nm）Ge

晶格常数为0.56nm(5.6Å）每立方厘米4.42×1022

原子间最短距离（0.245nm）2、闪锌矿结构和混合结构Ⅲ族元素和Ⅴ族元素化合物构成半导体材料。他们大部分具有闪锌矿结构。闪锌矿结构：类似金刚石结构两类不同原子两套面心立方结构沿对角线平移1/43、纤锌矿结构晶体几何学简介七大晶系十四种布喇菲点阵七大晶系：1、立方晶系：2、四方晶系：3、正交晶系：4、三方晶系：5、六方晶系：6、单斜晶系：7、三斜晶系：14种布拉菲点阵：立方晶系：四方晶系正交晶系三方晶系六方晶系单斜晶系三斜晶系晶体学指数：（1）晶向指数将晶体点阵在任何方向上分解为平行的节点直线簇。不同方向的直线阵点密度不同，但同一线簇中各条直线阵点分布完全相同，故任何一条直线可以充当线簇的代表。晶体学中用晶向指数表示一直线簇。当坐标为(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)的两点，则坐标的最小整数比为晶向指数。(x1-x2):(y1-y2):(z1-z2)=u:v:w表示方法[uvw]2、晶面指数将晶体点阵在任意方向上分解为相互平行的节点平面簇。同一取向的平面，不仅互相平行、间距相等，而且其上节点的分布相同。不同取向的节点平面不同。晶体学上用(hkl)来表示一簇晶面，称为面指数。1.2半导体中的电子状态和能带1、原子能级和晶体能带a孤立原子能级b能带2、半导体中电子的状态和能带Schrodinger方程波函数的意义：电子出现的概率电子的共有化运动和准自由电子布里渊区和能带对于边长为L的立方晶体，k的取值分别为：第一布里渊区第二布里渊区第三布里渊区导体、半导体、绝缘体的能带绝缘体、半导体、导体能带示意图3、半导体中电子的运动有效质量半导体中E与k的关系电子有效质量电子平均速度电子的加速度有效质量的意义有效质量概括了晶体中电子的质量以及内部周期势场对电子的作用，引入有效质量后，晶体中电子的运动可用类似于自由电子运动(牛顿定律)来描述。它与电子所处的状态有关，与能带结构有关。图1-14能量、速度和有效质量与波矢的关系1.4本征半导体的导电空穴满带电子不导电价带中缺少一些电子而空出一些k状态后，可以认为这些状态为空穴所占据。空穴可以看做具有一个正电荷和正的有效质量。在半导体中电子和空穴都有导电作用。1.5回旋共振k空间的等能面回旋共振1.6硅和锗的能带结构硅和锗导带结构（1）若B沿[111]晶轴方向，只能观察到一个吸收峰；（2）若B沿[110]晶轴方向，只能观察到两个吸收峰；（3）若B沿[100]晶轴方向，只能观察到两个吸收峰；（4）若B沿任意晶轴方向，只能观察到三个吸收峰；（1）B沿[111]晶轴方向（2）B沿[110]晶轴方向三个吸收峰ml=0.91m0,mt=0.19mo（3）若B沿[100]晶轴方向（4）若B沿任意晶轴方向硅带隙：1.17eV锗带隙：0.74eV1.7Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构锑化铟的能带结构砷化镓的能带结构Eg=1.519eV混合晶体的能带结构阴影为间接带隙区Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的能带结构CdTe带隙1.49eVHgTe带隙-0.14eV（半金属，零带隙）第二章半导体中的杂质和缺陷能级原子的振动材