5_1半导体材料与基本能带结构

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1、固体理论朱俊微电子与固体电子学院第五章半导体电子论Electrontheoryofsemiconductor5.1半导体及其基本能带结构一.半导体材料二.半导体的带隙三.带边有效质量半导体的基本能带结构一.半导体材料半导体是电阻率介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数(NTC)的材料。室温电阻率：导体：＜10-4·cm【例如：铜10-6·cm】；半导体：10-3·cm＜＜108·cm【锗0.2·cm】；绝缘体：＞108·cm【玻璃1010~1014·cm】。半导体材料的电阻率对其杂质含量、

2、环境温度、以及光照、电场、磁场、压力等外界条件有非常高的灵敏性——可控。1.半导体的定义整流效应光电导效应负的电阻温度(NTC)效应光生伏特效应霍尔效应2.半导体独特的物理性质RTI电流V电压0正向反向半导体的基本能带结构一.半导体材料1.3半导体材料的分类(1).化学组分和结构的不同，可分为：元素半导体：Si，Ge，Diamond,Carbonnanotube,Graphene…化合物半导体:III-V族化合物（GaAs、GaN等）II-VI族化合物(CdS、ZnO、ZnTe)IV-IV族化合物(SiC)固溶体半导体

3、（SiGe、GaAlAs、GaAsP等）非晶半导体:（非晶硅、玻璃态氧化物半导体等）有机半导体(酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等)3.半导体的分类半导体的基本能带结构一.半导体材料1.3半导体材料的分类(2).禁带宽度的不同，可分为：窄带隙半导体(Eg<2eV)：Si，Ge，GaAs宽带隙半导体(Eg>2eV)：GaN，ZnO，SiC，AlN零带隙半导体(Eg~0eV)：-Sn，Graphene(石墨烯)(3).使用功能的不同，可分为：电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等半导体的基本能带结构一.半导体材料3.半导体的

4、分类第一代半导体，元素半导体(以Si和Ge为代表):晶圆尺寸越来越大(8~12inch)、特征线宽越来越小(32nm)SOI、GeSi、StrainSilicon，highK栅介质第二代半导体，化合物半导体(以GaAs，InP等为代表)超高速、低功耗、低噪音器件和电路，光电子器件和光电集成增大晶体直径(4~6inch)、提高材料的电学和光学微区均匀性超晶格、量子阱材料第三代半导体，宽禁带半导体(以GaN，SiC，ZnO，金刚石等为代表)高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路新型半导体，以稀磁半导体，低维半导体

5、等为代表材料体系的发展半导体的基本能带结构一.半导体材料4.半导体材料的发展趋势材料维度的发展由三维体材料向薄膜、两维超晶格量子阱、一维量子线和零维量子点材料方向发展。三维体材料：电子在其中可以自由运动而不受限制的材料。二维超晶格、量子阱材料、二维原子晶体：电子在X、Y平面里可以自由运动，在Z方向电子运动受到了限制。一维量子线：电子只能在长度的方向上可以自由的运动，在另两个方向X和Y都不能自由运动。它的能量在X和Y两个方向上都是量子化的。零维量子点：材料三个维度上的尺寸都比电子的平均自由程相比或更小，这时电子像被困在一

6、个笼子中，它的运动在三个方向都被受限。半导体的基本能带结构一.半导体材料4.半导体材料的发展趋势半导体的基本能带结构一.半导体材料材料维度的发展4.半导体材料的发展趋势5.半导体材料的应用信息处理与存储通信、雷达显示半导体照明太阳能电池、热电转换信息感测半导体的基本能带结构一.半导体材料半导体的性质与用途电子运动的多样化半导体基本能带结构半导体的能带结构能带工程能带裁剪杂质工程应变工程缺陷工程……5.1半导体及其基本能带结构一.半导体材料二.半导体的带隙三.带边有效质量半导体的基本能带结构二.半导体的带隙硅和锗的原子结

7、构简化模型及晶体结构价电子是我们要研究的对象1.半导体的共价键结构金刚石结构（硅、锗、金刚石）纤锌矿结构（GaN、AlN、InN）半导体的基本能带结构二.半导体的带隙闪锌矿结构(GaAs、InSb、GaP)Ev——价带顶Ec——导带底Eg导带价带满带禁带空带空带满带2.半导体能带的形成T=0时，能量最低的空带——导带能量最高的满带——价带导带底与价带顶能量之差——带隙（禁带宽度）E半导体的基本能带结构二.半导体的带隙+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子价带导带挣脱原子核束缚的电子称为自由电子价

8、带中留下的空位称为空穴禁带Eg外电场E自由电子定向移动形成电子流束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流对硅(sp3)：成键态——价带反键态——导带半导体的基本能带结构二.半导体的带隙2.半导体能带的形成空穴价带上的电子由于本征激发跃迁到导带上，留下一个空着的状态。这个在几乎充满的能带中未被电子占据的空量子态称为空穴。由电中性条件，空