第1章半导体物理半导体中的电子状态ppt课件.ppt

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1、1半导体中的电子状态3半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性5非平衡载流子6p－n结2半导体中杂质和缺陷能级半导体物第理七学版本章内容提要半导体材料、基本晶体结构与共价键能级与能带，共有化运动半导体中电子运动规律，有效质量能带模型及导电机构常见半导体材料的能带结构1半导体中的电子状态半导体独特的物理性质单电子近似求解薛定谔方程半导体组成、结构半导体中电子状态及运动特点周期性排列且固定不动的原子核势场其它电子的平均势场能带论原子核电子相互作用复杂的多体问题1.1半导体的晶格结构和结合性质金刚石型结构和共价键闪锌矿型结构和混合键纤锌矿型结构氯化钠型结构典型的半导体

2、：硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的特点：易受温度、光照、磁场及微量杂质原子的影响。正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之一。1.金刚石型结构和共价键特点：两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线平移1/4空间对角线套构而成。sp3杂化轨道为基础形成正四面体结构，夹角109º28´。固体物理学原胞包含两个原子，为复式晶格。硅、锗（Ⅳ族元素）的典型结构，共价键结合。当Si原子形成晶体时，原来在s轨道上的二个价电子，有一个被激发到了p轨道，形成s、px、py、pz四个轨道各有一个电子，然后它们再“混合”起来重新组成四个等

3、价轨道，这种轨道称为SP3杂化轨道，这样这四个电子，在四个新的等价轨道上，都成为未配对电子，而且它们的电子云分布基本上是单侧地伸向四面体的四个顶角，当原子结合成晶体时，就依照电子云重叠最多的角度，也就是四面体顶心这种角度进行(109°28‘)。金刚石型结构硅、锗的金刚石结构(111)面的堆积﹛100﹜面上的投影2.闪锌矿型结构和混合键特点：两类原子各自组成的面心立方晶格套构而成。双原子复式格子。结合性质具有不同程度的离子性（极性半导体）。Ⅲ－Ⅴ族、Ⅱ－Ⅵ族化合物。例如：GaAs、GaP、InP、InAs………闪锌矿型结构闪锌矿结构的结晶学原胞3.纤锌矿型结构特点

4、：六方对称性的正四面体结构为基础，不是立方对称性（与闪锌矿区别）。离子性结合占优。硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉可以闪锌矿型和纤锌矿型两种方式结晶。纤锌矿型结构纤维锌矿结构：ZnO、GaN、AlN、ZnS、ZnTe、CdS、CdTe…4.氯化钠型结构特点：两个面心立方（不同的离子构成）对角线方向平移1/2对角线长套构而成。离子性强。硫化铅、硒化铅、碲化铅等。氯化钠型结构1.2半导体中的电子状态和能带预备知识－－量子态和能级量子态：电子在原子中的微观运动状态能级：量子态所取的确定能量电子在原子核的势场和其它电子的作用下，它们处于不同的能级，即所谓电子壳层。描述原

5、子中的电子运动状态－－量子态有四个量子数：n、l、m、sn：1，2，3，….，主量子数，代表原子的主壳层l：n-1,n-2,…1,0,角量子数，代表支壳层m：±l,±(l-1),…±1,0,磁量子数自旋量子数s=±1/2，代表电子的两个不同的本征角动量分离变量法解薛定谔方程得到的同一电子壳层往往有好几个量子态。处于不同支壳层的电子分别用1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s等符号代表。N个量子态看作一个能级称为简并。主量子n轨道量子l磁量子m总轨道量子数自旋s容纳电子数001s1±l/222002s181-1,0,12p33003s1181-1,0,13p32

6、-2,-1,0,1,23d5nn-1,…,1,0±l,±(l-1),0n22n2预备知识－－泡利不相容原理在任意给定系统中，不可能有两个电子处于同一量子态。对于硅原子的最外层4个价电子，有两个价电子处于3s支层的两个量子态，有两个处于3p支层6个量子态中的两个量子态。1.2半导体中的电子状态和能带1.原子的能级和晶体的能带孤立原子（1s；2s，2p；3s，3p，3d；4s···）相互接近形成晶体电子的共有化运动能带结构能级分裂各电子壳层交叠电子共有化运动原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，

7、电子将可以在整个晶体中运动。说明：相似壳层转移，最外层电子的共有化运动才显著电子的共有化运动：能级分裂与能带的形成2个原子每个原子都分裂为8个相距很近的能级靠近时，双原子势场作用两个很近的能级孤立原子的能级八个原子能级的分裂8个原子（靠得越近，分裂得越厉害）说明（两原子系统）：不计原子本身的简并，一个能级对应两个态。每一个二度简并的能级分裂为两个相距很近的能级。两个原子靠得越近，分裂越厉害。推广：N个原子组成的晶体（能带）每一个N度简并的能级都分裂成N个彼此相距很近的能级（能带），晶体每立方厘米体积内有1022～1023个原子，N是一个很大的数值。每一个能带都称

8、为允带，允带之间因没有能