现代半导体物理

现代半导体物理第1页，共36页，2023年，2月20日，星期六分类能带特点导体最高占据能带为部分填充，无能隙存在半导体绝对零度时，所有能带全满或全空，存在能隙，但是能隙较小（<5.0eV）导电能力介于导体与绝缘体之间，掺杂后导电能力有很大变化。绝缘体绝对零度时，所有能带全满或全空，存在能隙，但是能隙较大（>5.0eV）电阻率很大，即使掺杂后导电能力也不会有很大变化。材料按能带特点第2页，共36页，2023年，2月20日，星期六分类成份元素半导体由单一元素构成，如锗、硅、硒合金半导体由两种性能接近的元素构成，如GexSi1-x化合物半导体两种或两种以上元素构成的半导体材料，如InP、GaAs、GaN、SiC等氧化物半导体一种特殊的化合物半导体，成份为金属氧化物有机半导体有机高分子材料，如电荷转移络合物、芳香族化合物半导体材料按成份分类第3页，共36页，2023年，2月20日，星期六分类晶体结构单晶半导体整个半导体材料为一个完整的晶体，原子有序排列。多晶半导体半导体材料中分成许多晶粒，每个晶粒均为完整的晶体。非晶半导体半导体材料中的原子无序排列，没有周期性。异质结构两种不同半导体材料构成的半导体结构。量子阱两层禁带宽度较大的半导体材料中夹一层禁带宽度较小的半导体材料。超晶格半导体多个量子阱周期性排列构成的结构，具有周期性，阱与阱之间有相互作用。低维半导体材料一个或一个以上尺度上为纳米量级的半导体结构，如纳米点、线、管、薄膜等。复合半导体由两种性能不同的半导体材料复合形成的半导体材料，包括无机/无机、无机/有机、有机/有机复合的半导体材料。半导体材料按结构分类第4页，共36页，2023年，2月20日，星期六半导体材料按功能分类分类功能电子材料用于制造各种分立的电子器件及集成电路等光电子材料用于制造光波导、光放大、光运算、光开关、光转换、光存储、光电转换器件辐射探测材料用于探测各种辐射，包括热、光、射线、高能粒子等发光材料半导体发光，如发光二极管、激光二极管等气敏半导体用于检测气体，特别是用于有害气体探测磁敏半导体霍尔效应、磁阻效应，用于传感器、磁记录等热电半导体热敏元件，辐射计，热-电转换、热电成像压敏材料用于测量压力、加速度等湿敏材料用于湿度测量第5页，共36页，2023年，2月20日，星期六理想晶体的原子排列具有周期性，或长程有序。晶格——晶体中原子排列的具体形式称为晶格（或格子）。二、晶体结构预备知识原子球的正方排列体心立方晶格的堆积方式第6页，共36页，2023年，2月20日，星期六2.原胞——一个晶格的最小的周期性单元。原胞示意图第7页，共36页，2023年，2月20日，星期六3.

晶格基矢——原胞的边矢量（单位矢量）。 能通过平移画出整个点阵的最小可能的矢量。简单立方：面心立方：第8页，共36页，2023年，2月20日，星期六在结晶学中，选某一格点为原点O，任一格点A的格矢为4.格矢（平移矢量）为对应晶轴上的投影，取整数。为晶轴上的单位矢量。第9页，共36页，2023年，2月20日，星期六5.布拉菲格子——由同种原子构成的点阵。6.复式格子——结点由两种或两种以上原子构成的点阵，各种原子各自构成相同的布拉菲格子，但相互有一个位移，形成一个复式点阵。7.晶列——布拉菲格子的格点可以看成分布在一系列相互平行的直线系上，这些直线系叫晶列。8.晶向——每一个晶列定义了一个方向，称为晶向。 如果从一个原子沿晶向到最近的原子的位移矢量为则晶向就用l1,l2,l3来标志，写成[l1

l2

l3]——晶向指数晶列晶向第10页，共36页，2023年，2月20日，星期六9.晶面——布拉菲格点还可看成分列在平行等距的平面系上，这样的平面称为晶面。密勒指数（h1h2h3）：|

h1|、|h2|、|h3|表示等距的晶面分别把基矢a1、a2、a3分割成多少个等份。(110)(111)(100)第11页，共36页，2023年，2月20日，星期六10.倒格矢与真实空间的晶格对应，动量空间也有一套相应的点阵，即倒易点阵。X射线、电子显微镜等利用衍射得到的是倒格子信息。STM（扫描透视显微镜）得到的是真实空间结构。正空间基矢与倒空间基矢关系：另外，正空间基矢与倒空间基矢关系：第12页，共36页，2023年，2月20日，星期六倒格矢与晶面间距d纳米ZnO的XRD及TEM第13页，共36页，2023年，2月20日，星期六11.原子的结合键合类型产生原因离子键电负性相差较大的原子间结合形式，离子间存在库伦相互作用，有较大电荷作用共价键电负性相同或相差很小的原子间的结合方式，由共有电子对产生的交换作用引起的，基本没有电荷转移混合键介于上面两种情形的键合形式，有电荷转移，但是转移数量不大分子键依靠分子间的吸引力即范德华力形成的键氢键氢原子与一个原子结合后，由于其原子核体积很小，可以与另一个电负性较大的原子结合形成氢键金属键共用传导电子，原子核与共有电子之间通过库伦力相互作用电负性：获取电子的能力。轨道杂化：原子中不同轨道的电子结合成晶体时为降低总能量导致的轨道混杂的现象。本质为波函数叠加。第14页，共36页，2023年，2月20日，星期六金刚石型结构金刚石结构每个原子周围有四个最邻近的原子，这四个原子处于正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。共价键夹角：109˚28’第15页，共36页，2023年，2月20日，星期六金刚石结构结晶学原胞两个面心立方沿立方体空间对角线互相位移了四分之一的空间对角线长度套构而成。金刚石结构固体物理学原胞中心有原子的正四面体结构（相同双原子复式晶格）金刚石结构原子在晶胞内的排列情况顶角八个，贡献1个原子；面心六个，贡献3个原子；晶胞内部4个；共计8个原子。第16页，共36页，2023年，2月20日，星期六硅、锗基本物理参数晶格常数硅：0.543089nm锗：0.565754nm原子密度硅：5.00×1022锗：4.42×1022共价半径硅：0.117nm锗：0.122nm第17页，共36页，2023年，2月20日，星期六Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料结晶学原胞结构特点两类原子各自组成的面心立方晶格，沿空间对角线方向彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成。闪锌矿型结构第18页，共36页，2023年，2月20日，星期六与金刚石结构的区别共价键具有一定的极性（两类原子的电负性不同），因此晶体不同晶面的性质不同。不同双原子复式晶格。常见闪锌矿结构半导体材料

Ⅲ-Ⅴ族化合物 部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞等半金属材料。第19页，共36页，2023年，2月20日，星期六纤锌矿型结构与闪锌矿型结构相比相同点：以正四面体结构为基础构成区别：

1.具有六方对称性，而非立方对称性

2.共价键的离子性更强硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉等材料均可以闪锌矿型和纤锌矿型两种结构结晶某些重要的半导体材料以氯化钠型结构结晶。如Ⅳ-Ⅵ族化合物硫化铅、硒化铅、碲化铅等。第20页，共36页，2023年，2月20日，星期六周期性势场的形成(1)孤立原子中价电子所在处的势能及总能(按经典理论,电子在ab之间运动)EPrEabEPEPrEbacdABd(2)在ab区域内运动的电子有一定的概率穿过bc运动到cd,这样电子在一定程度上是两个原子共有的。第三章晶体中电子的能带一.能带的形成第21页，共36页，2023年，2月20日，星期六(3)原子相距为d组成一维点阵rE3EPacbdE1E2对能量为E3的价电子,完全可以自由地在晶体中运动。

2.

电子的共有化——

由于量子力学的隧道效应，能量低于势垒的价电子也有较大的概率穿越势垒而摆脱单个原子核的束缚。而能量高于势垒的价电子本身已是自由电子。于是，价电子不再被约束于单个原子，而为整个晶体中原子所共有。这称为电子的共有化。它显然是一种量子效应。第22页，共36页，2023年，2月20日，星期六能带的形成和能带的结构能带的形成:由于电子的共有化,使原来原子中的电子能级分裂而形成能带。

(实质上是固体中原子相互作用,相互影响的结果)(1)氢原子组成氢分子由于两原子的相互作用,使得1s能级分裂成稍许不同的两个能级Er0dEaEbEr0dabN个能级(2)由N个原子组合成晶体时,原来相同的能级形成N个能级(能带)第23页，共36页，2023年，2月20日，星期六说明: a.新能级的能量范围称为能带；

b.由于N极大,△E又很小,故能带内能级可看成是连续的；

4.能带与能级的对应关系(1)能带可以用相应的能级符号表示s,p,d,f,…带(2)禁带:在相邻两个能带之间不存在电子的稳定态,这一能带间隔△Eg称为禁带,如图。3p1s2s2p3s3d原子能级晶体能带第24页，共36页，2023年，2月20日，星期六（3）价带与导带价带:绝对零度时，全满的能带。

对半导体而言，价带中的能级基本上是连续的。全充满的能带中的电子不能产生宏观电流。若受到光照，可吸收足够能量而跳入下一个容许的最高能区，从而使价带变成部分充填，在电场作用下就可以产生宏观电流。导带:绝对零度时，全空的能带。导带禁带价带第25页，共36页，2023年，2月20日，星期六二.导体、绝缘体和半导体的能带结构

空带满带（2）价带是满带，但满带与空带相重叠。电子很容易从满带跃迁到空带中而导电。金属Mg、Zn、Be属此类。空带导带（3）价带是未满的导带，而它又与相邻的空带重叠。电子很容易跃迁导电。金属Na、K、Cu、Al、Ag属此类。导带1.导体：（1）价带是未填满的导带。电子很容易在导带中从低能级向高能级跃迁而导电。金属Li属此类。第26页，共36页，2023年，2月20日，星期六2.绝缘体：绝缘体的价带为满带，且满带与空带之间的禁带宽度△Eg

较大，电子很难跃迁导电。但是，如果外电场很强，使满带中的电子大量跃迁到空带中去，从而绝缘体变成导体，这就是绝缘体的击穿。空带满带空带满带3.半导体：半导体的能带结构与绝缘体大致相同，价带也是满带，但满带与空带之间的禁带宽度△Eg较小。容易把电子从满带激发到空带中去，从而电子和空穴都参与导电。例如,硅(Si)和锗(Ge)的禁带宽度，在常温下分别为1.11eV和0.47eV。第27页，共36页，2023年，2月20日，星期六绝缘体半导体导体第28页，共36页，2023年，2月20日，星期六三.空穴价带一般是满的。研究价带上电子的途径：电子、空着的状态。气泡雨滴价带空穴导带电子空穴：代表价带顶部附近的电子激发到导带后留下的价带空状态。为了讨论方便而假设的粒子。电荷：+e运动方向：与导带电子方向相反导电机制半导体：电子+空穴=载流子金属：电子第29页，共36页，2023年，2月20日，星期六四.本征半导体与杂质半导体1.本征半导体：不含任何杂质和缺陷的理想半导体。◆本征载流子——本征半导体中参与导电的电子和空穴；◆本征激发——电子由满带直接激发到导带中而在满带中留下空穴。◆本征导电——只由本征载流子参与的导电。2.

杂质半导体：掺有杂质的半导体称为杂质半导体。

（1）n型半导体（电子型）：

——由四价元素（例如硅或锗）半导体掺入五价元素（例如砷）杂质构成。

逾量电子施主杂质（Dopant）施主能级电离能△ED<<△Eg导带满带施主能级第30页，共36页，2023年，2月20日，星期六以上杂质能级属于“浅能级”。N电四五施主导底P空四三受主满顶注意：P型半导体的多数载流子是空穴，但仍有少数载流子是电子。

注意：N型半导体多数载流子是电子，但仍有少数载流子是空穴。（2）P型半导体（空穴型）：由四价元素（例如硅或锗）半导体掺入三价元素（例如硼）构成。

◆受主杂质（Acceptor）◆受主能级

◆电离能△EA<<△Eg满带导带E受主能级第31页，共36页，2023年，2月20日，星期六五.电子的有效质量有效质量体现了晶格场的影响。晶体中电子的有效质量并不是电子的静止质量或惯性质量，它是为了讨论方便引入的。在能带底附近，电子的