半导体中的电子状态.ppt

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1、本章主要讨论:定性介绍能带理论，利用Schrodinger方程和Kroning-Penney模型近似推导关于半导体中电子的状态和能带特点。阐述本征半导体的导电机构，引入了空穴的概念。最后简单介绍几种半导体材料的能带结构。第一章半导体中的电子状态重点和难点：半导体硅、锗的晶体结构（金刚石结构）及其特点半导体的闪锌矿结构及其特点本征半导体及其导电结构、空穴晶体结构化学键Si，Ge金刚石型共价键GaAs闪锌矿型混合键(共价键+离子键）§1.1半导体的晶格结构和结合性质能带结构决定材料的性质1.1.1金刚石型结构和共价键现代电子学中

2、，重要的半导体材料：硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个，它们组合成晶体靠共价键结合。GeSi硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4表示除去价电子后的原子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其

3、它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构可看成是两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线互相位移了1/4的空间对角线长度套构而成的金刚石型结构的晶胞将许多正四面体累积起来就得到金刚石结构硅、锗基本物理参数晶格常数硅：5.43089埃锗：5.65754nm埃原子密度硅：5.00×1022/cm-3锗：4.42×1022/cm-3共价半径硅：0.117nm锗：0.122nm数量级1.1.2闪锌矿型结构和混合键材料：Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料以及部分Ⅱ-Ⅵ族化合物如GaAs,InP,

4、AlAs·····化学键：共价键具有一定的极性（两类原子的电负性不同）共价键+离子键晶胞特点：两类原子各自组成面心立方晶格，沿空间对角线方向彼此位移1/4空间对角线长度套构而成闪锌矿型结构的晶胞1.1.3纤锌矿型结构材料：ZnS,ZnSe，CdS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：具有六方对称性，而非立方对称性共价键的离子性更强纤锌矿型结构晶胞图属于纤锌矿型结构的晶体有：BeO、ZnO、AIN等1.2半导体中的电子状态和能带重点：电子的共有化运动原子能级分裂以及能带的形成导带、价带与禁带1.2.1原子的能

5、级和晶体的能带一、电子的共有化运动孤立原子：1s,2s,2p,3s,3p,···等电子壳层晶体：不同原子的内外各电子壳层出现交叠，电子可由一个原子转移到相邻的原子，因此，电子可以在整个晶体中运动，称为电子的共有化运动二、原子能级分裂以及能带的形成分裂的每一个能带称为允带允带之间无能级称为禁带内层原子受到的束缚强，共有化运动弱，能级分裂小，能带窄；外层原子受束缚弱，共有化运动强，能级分裂明显，能带宽。以金刚石结构单晶硅材料为例能级sp3杂化后，硅原子最外层有四个能量状态；若晶体中有N个原子，能级分裂后形成两个能带，各包含2N个

6、状态。能量高的能带有2N个状态，全空，称为导带；能量低的能带有2N个状态，全满，成为满带或价带。2学时半导体（硅、锗）能带的特点：存在轨道杂化，失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带低温下，价带填满电子，导带全空，升温或光照下价带中的一部分电子跃迁到导带，使晶体呈现弱导电性。导带与价带间的能隙（Energygap）称为禁带（forbiddenband）.禁带宽度取决于晶体种类、晶体结构及温度。当原子数很大时，导带、价带内能级密度很大，可以认为能级准连续能带产生的原因：定性

7、理论（物理概念）：晶体中原子之间的相互作用（电子共有化运动），使能级分裂形成能带。定量理论（量子力学计算）：电子在周期场中运动，其能量不连续形成能带。能带（energyband）包括允带和禁带。允带（allowedband）：允许电子能量存在的能量范围。禁带（forbiddenband）：不允许电子存在的能量范围。允带又分为空带、满带、导带、价带。空带（emptyband）：不被电子占据的允带。满带（filledband）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。导带（conductionband）：电子未占满的允带（有部分电

8、子。）价带（valenceband）:被价电子占据的允带（低温下通常被价电子占满）。共价键理论共价键理论主要有三点：晶体的化学键是共价键，如Si，Ge。共价键上的电子处于束缚态，不能参与导电。处于束缚态的价电子从外界得到能量，有可能挣脱束缚成为自由电子，参与导电。能带理论共价键理论价带中电