电子信息物理学1省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件

第一章绪论一、信息客观事物状态表露随时间改变反应信息依附于物质认识客事物中介物信息技术：信息产生、转换、处理、传输、探测、显示、存放信息产业：主要是3C(Communication，Computer，Control)第1页社会发展政治：原始社会奴隶社会

……

技术：农业社会工业社会

信息社会主导经济：农业经济工业经济

知识经济信息高速公路：提供产生、传输与享用信息快速通道使人们在任何时间、任何地点，能够经过声音、图像、数据、文表等方式相互传递信息第2页二、电子基本粒子之一（电子、原子、中子、超子、介子、无质量粒子（光子、中微子等）。原子主要组成部分基本电荷(1.60219*10-19C)自由电子静止质量(9.10956*10-31kg)电子学：研究电子运动规律及其应用学科电子在原子中状态电子在物体中状态电子与场相互作用电子与粒子间相互作用许多电子学低频高频微波光纳米信息电子学第3页三、信息电子学信息与电子是密不可分，电子和光子是信息主要载体光子：基本粒子之一真空中光子速度c=2.998*108m/s

光子能量hυ

光子动量hυ/c=h/λ

真空中光子运动质量hv/c2

光子静止质量0电子与光子响应速度电子响应速度：10-9s左右光子响应速度：10-12～10-15s第4页信息电子学属于“弱电”范围主要材料固体半导体材料、光学材料、超导材料、磁性材料、电介质材料、……

电子材料材料、器件与物理发展是相互交叉、相互渗透、相互促进第5页四、信息电子学物理基础固态电子学信息电子器件、技术与工程桥梁信息电子学物理基础理论基础（生长土壤）应用领域（阳光雨露）载流子运动规律、固体基本物理过程、物理现象、物理性质电、磁、声、光、热等效应及其相关半导体、光电子、电介质、磁性、超导、纳米器件、技术、系统与工程第6页1.电子在固体中形态与运动方式金属：价电子在（晶格）孔隙中自由运动半导体：载流子（导带电子与价带空穴）激发与复合迁移运动超导体：超导态电子无晶格散射、零电阻运动磁体：电子旋转电介质（绝缘体）：正负电荷相对位移第7页2.外界原因（场或粒子等）与电子相互作用与影响压电、热电、磁电、铁电、电光、磁光、声光、弹光、热光、声光电等物理效应提供反应客观物体信息对材料经过信息进行各种处理第8页第一章固体晶体结构介绍本书包括到信息电子固体器件，均与构制器件固体材料所含有电学性质、磁学性质、介电性质、光学性质相关。信息电子器件所用固体材料，普通是单晶材料。单晶材料光、电、磁学等性质不但由化学组分，而且由固体中原子排列决定。所以有必要了解固体晶体结构知识。

第9页固体材料电子学特征电介质特征超导体特征光学特征磁学特征力学特征信息电子固体器件固体材料化学组成（结构基元）原子排列（空间点阵）信息电子固体器件特征晶体结构第10页1.1固体类型固体无定形：原子排列在数个原子尺度内有序多晶：多晶体在许多个原子范围内短程有序单晶体：理想化单晶体，在整个材料空间内应含有长程有序各向同性各向异性三类晶体二维示意图第11页1.2空间点阵一、晶格、原包、元包结构单元：原子、离子、分子或者络合离子空间点阵结构单元晶体结构单晶二维点阵第12页任意四个不在同一平面上相邻阵点（格点）三个方向基矢a，b，c一个平行六面体晶体元包广义主元包第13页单晶二维点阵几个元包原包：最小元包晶格中任意格点位置矢量：第14页二、基本晶体结构晶体结构低级晶族三斜单斜斜方中级晶族正方三方六方高级晶族立方晶系32晶类第15页立方晶系共有3种晶类：简单立方、体心立方、面心立方（a）简单立方（b）体心立方（c）面心立方第16页晶面和密勒指数要求晶体不一样晶面方法：密勒（W.H.Miller）指数选定坐标系：原点与方向基矢a，b，c需要求晶面与坐标轴相交截距（交点）：p，q，s截距取倒数，并乘以适当系数简单互质整数之比：h：k：l该晶面密勒指数（hkl）第17页a轴截距（交点）：p＝3b轴截距（交点）：q＝2c轴截距（交点）：s＝11/p:1/q:1/s=1/3:1/2:1/1=2:3:6=h:k:l密勒指数（236）第18页p＝1，q＝∞，s＝∞1/1:1/∞:1/∞=1:0:0密勒指数（100）p＝1，q＝1，s＝11/1:1/1:1/1=1:1:1密勒指数（111）p＝1，q＝1，s＝∞1/1:1/1:1/∞=1:1:0密勒指数（110）（a）（100）面（b）（110）面（c）（111）面第19页四、晶面间距晶面间距：相邻平行晶面之间距离晶面间距是晶面主要参数之一晶面间距相邻平行晶面原子之间作用力解理该平面更轻易简单立方晶格常数a1（100）晶面间距：a1（110）晶面间距：a1（111）晶面间距：a1

第20页五、晶面原子表面密度体心立方（110）晶面:面积：a1*20.5*a1＝20.5a12

原子数：1＋4*1/4=2原子表面密度：2/20.5a12=20.5/a12=a1=5*10-8cm5.66*1014原子/cm2第21页六、方向指数晶格中任意格点位置矢量：格点直线方向指数：直线上任意两格点坐标相减之比,化为三个互质整数比即为此直线方向方向指数u:v:w。且方向指数表示为[u:v:w]比如简单立方：(0－1):(0－1):(0－1)1:1:1[1:1:1]第22页1.3金刚石结构金刚石结构元包金刚石结构金刚石硅（Si）锗（Ge）金刚石结构特点结构单元：碳（C）原子结构：每个碳原子周围都有四个碳原子形成正四面体结构近邻原子之间距离（键长）相等：30.5

a/4近邻原子连线之间夹角（键角）相等第23页体心立方结构交替去掉四个顶角原子正四面体点阵结构正四面体点阵结构（a）金刚石点阵底半部份（b）金刚石点阵底半部份这种结构也能够看作是边长为a立方体一个晶包：八个原子位于八个顶角上，六个原子位于六个面中心上，晶包内部有四个原子第24页砷化镓（GaAs）结构：每个镓原子周围都有四个最近邻砷原子每个砷原子周围都有四个最近邻镓原子闪锌矿结构：与金刚石结构相同只是由两种不一样原子组成第25页1.4原子键原子：正电－原子核负电－绕核运动电子原子键：原子间相互作用表现核外电子：在晶体结构基元键合时起到主要作用处于热平衡系统，其总能量总是趋于最小值原子间相互作用描述方法严格分析：量子力学定性分析：价电子或者最外层电子特征第26页一、离子键电离能极小金属原子（如碱金属合碱土金属）电子亲和势很大非金属原子（如卤族和氧族）失去电子取得电子相互靠近正离子负离子电子组态结构与上周期惰性气体原子相同电子组态结构与上周期惰性气体原子相同离子相吸电子云相斥离子键NaClNa:Z=11,1S22S22P63S1Na+:1S22S22P6

(Na+电子组态同Ne，Z=10，处于能量较低稳定状态)Cl:Z=17,1S22S22P63S22P5Cl－:1S22S22P63S22P6(Cl－电子组态同Ar，Z=18，处于能量较低稳定状态)第27页二、共价键同种原子或者电负性相差很小原子相互靠近电子云重合自旋方向相反成单电子结合共价键氢共价键第28页氢共价键特点：氢分子形成后无多出电子形成其它共价键而硅共价键特点为：硅原子与另一硅原子形成一对共价键后，还有三个电子多出，能够与另外三个硅原子形成共价键四面体结构金刚石点阵硅晶体理论上能够不停生长变大无限大硅晶体硅共价键第29页三、金属键全部金属原子都倾向于失去电子正离子释放电子含有很大活动范围游离于正离子之间自由电子气将全部正离子“胶合”在一起金属键第30页金属键与离子键差异正离子自由电子金属键：正离子负离子离子键：金属键与共价键差异金属键：自由电子属于整个晶体中全部原子（只在某瞬间围绕某原子运动）共价键：共价电子仅仅属于对应固定原子对第31页四、范德瓦斯（VanderWaals）键弱键（键能较小）：比金属键、离子键、共价键小1～2个数量级键形成极性分子取向力极性分子与非极性分子诱导力非极性分子瞬间（极化）色散力范德瓦斯是气体分子能够凝聚为液体和固体主要原因第32页1.5固体中缺点和杂质一个理想单晶结构,在一个实际晶体中，晶格并非完美，而是包含许多缺点，完美几何周期性在一定程度上以各种形式受到破坏。因为缺点会改变材料电学性质，在有些情形中，电学参量将由这些缺点或杂质所左右。第33页晶体缺点：结构单元点阵排列偏离严格周期现象空间延伸线度：点缺点、线缺点、面缺点、体缺点一、点缺点：热缺点、杂质缺点、色心热缺点夫伦克耳肖特基缺点：热能（T≠0K）离子离开晶体表面晶体内部产生离子空位和添隙离子离子空位空位缺点