半导体物理1.ppt

1、半导体物理的基础，绪论意义：半导体物理是现代微电子科学和技术发展的基础，是现代信息技术(IT )光电子技术的基础，也是现代纳米科学和技术的研究前沿半导体材料：2 inch 3” 4” 6” 8” 12”硅单晶，GaAs单晶GaN单晶项目工程： 1948年， braden brave nin肖克莱发明晶体管电子革命1958年IC集成电路68年硅MOS脱老虎钳和大规模集成电路产业化超大规模集成电路(45 nm ) 1962年半导体激光器70年代室温连续发射激光器产业(cdvcddvd 1970年江崎和朱兆祥提出了超点阵概念，71年获得MBE创造了AlGaAs/GaAs超点阵人工设计半导体和光电产业

2、(80年Klitzing和82崔崎分别在超点阵异质结发现整数和分数量子霍尔效应)诺贝尔物理学奖的1990年英国Canhan， 在发现多孔硅室温段可见光发射全光硅电子集成技术的2000年后，纳米微粒纳米固体纳米薄膜量子点量子线的新型光伏器件提出了理论： 1954年半导体有效质量理论(kittel Luttinger等)， 边缘能带结构浅能级杂质(施主和受主) 提出了激发子能级能级理论1930年代量子力学金属导电乐队论传导带1940年代半导体杂质级施主受主掺杂大头针1959年的电势概念非常简化固体乐队计算精密化的半导体乐队论1970年超点阵概念90年代后的量子点方法：回旋加速器隆共振法光磁吸收激发

3、子光谱自由载流子光谱实验研究、分析： 1970年超高真空表面能频谱分析技术1982年隧道STM扫描技术等对象：以元素半导体为主，兼化合物半导体的内容与教材：由西安交大刘恩科等主编，第一章至第五章， 第七八章经协商，其馀自学不要求：1)上课做笔记2 )按时完成作业，第一章：半导体中的电子态，1.1半导体的晶格结构和耦合特性1 .半导体材料： 1，元素半导体： Si Ge，金刚石c (高温半导体)，灰锡； a-Sn 2、化合物半导体： -族： GaAs InP GaN； 家族： InZnSe； ZnO 3、多价化合物： HgCdTe (红外线检测) AlxGa1-xAs； InGaAsP等4、新兴

4、半导体：有机半导体(导电性高分子)量子点线阱等2、半导体结晶构造和结合特性： 1、金刚石结构：金刚石C Si Ge a-Sn； (1)结构：由2个相同原子构成的面心立方在体的对折角线方向位移了1/4的复合晶格(右图)特征： 1，配位数(最近的原子数)分别位于正四面体的四个顶点，例如F1.1(a) 2，层叠方式：以双原子层的形式按ABCABCA的顺序为3， 不等价原子：正八面体顶点和正四面体中心原子不同f.c.c，但两个最近邻原子的键均具有沿方向(2)的键特性：共价键：原子间大头针反平行共用电子对(负)和络离子实(正)相吸引的键特征1，饱和性： n族元素体共价键的配位数为(8N) 2， 方向性：

5、电子云的重叠密度大的方向的3，非极性键(相同的元素体，例如H2 F2 Si )，极性键HCl，HFGaAs，(3)混合轨道：以Be为例，孤立的Be原子基本结构为1S22S2的所有电子成对，不能结合，但在蒸汽状态下bee 可能的工艺： 1，1个2S电子激发到2P状态，形成1S22S12P1 2，不成对的2S1电子和2P1电子形成SP混合原子轨道3，2个原子的SP混合原子轨道形成SP2混合分子轨道， 在1个2S电子激励为2P状态而消耗的能量混合原子轨道耦合到混合分子轨道时释放的能量，该过程在能量上是有利的。要求1、激活能力低2、同一主壳层的s和p的混合化(最佳) (4)SP3混合：以金刚石为例，基

6、态1S22S22P2的原子在1S22S12Px12Py12Pz1 SP3混合轨道(原子的)上，一个s状态和三个p状态每个碳原子4个SP3混合轨道分别与每个最邻接的碳原子4个SP3轨道形成共价键，构成结合角10928的四面体片形共价键的能量最低，最稳定。 Si: 1S22S22P63S23P2和Ge:1S22S22P63S23P64S24P2的耦合也是SP3混合，根据量子力学的电势理论，4个s和p状态电子形成SP3混合轨道的波函数是：2 .闪锌矿结构(立方结构)二元化合物半导体， 例如iii族： GaAs InSbGaP GaN -族： CdTe HgTe 1)结构：分别由iii ()族原子和(

7、)族原子构成的面心立方在体对折角线方向位移了1/4的距离的复合晶格二原子层以ABCABC方式反复层叠。 特征： 1、各原子和四个异种原子最相邻，构成正四面体体的心原子和顶点原子不同2、交错结构：方向相邻的原子(不同)连接的2组(各3个)原子在空间上错开60角2 )结合特性：极化共价键以GaAs为例，As比Ga吸电子大， 负性强的SP3混合型的电子云接近As，即，耦合键具有一定密度的络离子性，因此，被称为极性半导体。 3、纤锌矿结构(六角密炉) A8-NBN构成四面体片1 )结构：六方结构密集排列，由异种原子构成的二原子面在ABABA密集排列六方结构的方向重复层叠的P8叶图Fig1.3的特征： 1、各个原子和4个异种原子(最邻接)通过共价键构成四面体片2， 重叠配置：在六方对称轴上沿相邻的两个不同原子连接的两个组(各三个)的不同原子沿方向相互对位，重