理学半导体物理学第一章.pptx

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1、第1页/共75页半导体物理发展进程半导体物理发展进程半导体物理的发展序幕半导体物理的发展序幕 晶态半导体物理晶态半导体物理原子排列从有序向无序的转变原子排列从有序向无序的转变 非晶态半导体物理非晶态半导体物理材料性质从体内向表面的转变材料性质从体内向表面的转变 半导体表面物理半导体表面物理能带特征从自然向人工的转变能带特征从自然向人工的转变 半导体超晶格物理半导体超晶格物理体系结构从三维向零维的转变体系结构从三维向零维的转变 纳米半导体物理纳米半导体物理元素组成从原子向分子的转变元素组成从原子向分子的转变 有机半导体物理有机半导体物理第2页/共75页半导体物理学研究对象半导体物理学研究对象l研

2、究半导体的各种物理性质及其内在规律。l研究在外界作用下(掺杂、电场、温度场、磁场)半导体性质的变化及其原因。l半导体种类繁多，本课程主要针对硅基晶态半导体作为研究对象。第3页/共75页学习本课程的基础课程学习本课程的基础课程量子力学半导体半导体物理物理固体物理热力学统计物理第4页/共75页主要参考书：主要参考书：半导体物理学，第半导体物理学，第7 7版，刘恩科，朱秉升，版，刘恩科，朱秉升，罗晋生等编，电子工业出版社，罗晋生等编，电子工业出版社，20082008年年其他参考书：其他参考书：半导体物理与器件，裴素华，机械工业出版半导体物理与器件，裴素华，机械工业出版社社,2008,2008年年9

3、9月月固体物理，方俊鑫，上海科技出版社，固体物理，方俊鑫，上海科技出版社，19951995第5页/共75页1.11.1半导体的晶格结构和结合性质半导体的晶格结构和结合性质1.21.2半导体的电子状态和能带半导体的电子状态和能带1.31.3半导体中电子的运动半导体中电子的运动 有效质量有效质量1.41.4本征半导体的导电机构本征半导体的导电机构 空穴空穴1.51.5回旋共振回旋共振1.61.6硅和锗的能带结构硅和锗的能带结构第一章第一章 半导体中的电子状态半导体中的电子状态第6页/共75页1.11.1半导体的晶格结构和结合性质半导体的晶格结构和结合性质 半导体的单晶材料和其他固态晶体材料一样，是

4、由大量原子周期性重复排列而成。半导体的单晶材料和其他固态晶体材料一样，是由大量原子周期性重复排列而成。每个原子又包含原子核和核外电子。每个原子又包含原子核和核外电子。单电子近似方法，即假设每个电子是在单电子近似方法，即假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及周期性排列且固定不动的原子核势场及其他电子的平均势场中运动。该势场具其他电子的平均势场中运动。该势场具有与晶格同周期的周期性势场。有与晶格同周期的周期性势场。第7页/共75页三种简单格子三种简单格子简立方简立方体心立方体心立方面心立方面心立方第8页/共75页原胞：重复的单元。原胞：重复的单元。原胞：重复的单元。原胞：重复的单元。边

5、长等于该方向上的周期，结点为顶点的平行六面体边长等于该方向上的周期，结点为顶点的平行六面体边长等于该方向上的周期，结点为顶点的平行六面体边长等于该方向上的周期，结点为顶点的平行六面体晶体学原胞：晶体学原胞：晶体学原胞：晶体学原胞：为反映晶体的对称性，体积不一定最小为反映晶体的对称性，体积不一定最小为反映晶体的对称性，体积不一定最小为反映晶体的对称性，体积不一定最小 布喇菲点阵布喇菲点阵布喇菲点阵布喇菲点阵多种原子：同种原子组成子晶格多种原子：同种原子组成子晶格多种原子：同种原子组成子晶格多种原子：同种原子组成子晶格相对位移形成复式格子。相对位移形成复式格子。相对位移形成复式格子。相对位移形成复

6、式格子。相对结构子晶格相互位移套构而成相对结构子晶格相互位移套构而成相对结构子晶格相互位移套构而成相对结构子晶格相互位移套构而成第9页/共75页第10页/共75页第11页/共75页第12页/共75页第13页/共75页结晶学结晶学晶体学中的布喇菲原胞，按对称特点来选取。基矢在晶轴方向，固体物理学中选取的原胞，晶体学中的布喇菲原胞，按对称特点来选取。基矢在晶轴方向，固体物理学中选取的原胞，不是任意重复单元，基矢方向和晶轴方向还是有一定的相对取向。不是任意重复单元，基矢方向和晶轴方向还是有一定的相对取向。结晶学中的立方晶系结晶学中的立方晶系,布喇菲原胞布喇菲原胞简立方(SCSC)体心立方(BCCBC

7、C)面心立方(FCCFCC)第14页/共75页第15页/共75页第16页/共75页第17页/共75页1.1.金刚石型结构和共价键金刚石型结构和共价键SiSi，GeGe都是第四周期的都是第四周期的元素，即外层有四个价元素，即外层有四个价电子。硅、锗的结合依电子。硅、锗的结合依靠共价键结合，组成金靠共价键结合，组成金刚石型结构。结构特点：刚石型结构。结构特点：每一个原子周围有四个每一个原子周围有四个最邻近的原子，这四个最邻近的原子，这四个原子分别处在四个顶角原子分别处在四个顶角上，任一顶角的原子和上，任一顶角的原子和中心原子各贡献一个价中心原子各贡献一个价电子为两个原子所共有。电子为两个原子所共有

8、。第18页/共75页四面体的结合四面体的结合第19页/共75页结晶学原胞结晶学原胞两个面心立方沿立方两个面心立方沿立方体的空间对角线互相体的空间对角线互相位移了空间对角线四位移了空间对角线四分之一的长度套构而分之一的长度套构而成。成。8 8个原子在角顶，个原子在角顶，6 6个个在面中心，晶胞内部在面中心，晶胞内部有有4 4个原子，顶角和个原子，顶角和面心与这面心与这4 4个原子周个原子周围不同，是相同原子围不同，是相同原子构成的复式格子。构成的复式格子。第20页/共75页晶向晶向,面的介绍面的介绍(001)(010)(100)(110)(111)(001)(010)(100)(110)(111

9、)面面向向100110111100110111第21页/共75页2.2.闪锌矿型结构和离子键闪锌矿型结构和离子键由三族元素由三族元素AlAl、GaGa，铟和五族元素，铟和五族元素P P、AsAs组成的三五族化合物，它们大都是闪锌矿组成的三五族化合物，它们大都是闪锌矿型结构。型结构。闪锌矿结构：与金刚石型结构类似，由两闪锌矿结构：与金刚石型结构类似，由两类原子组成，双原子复式格子。类原子组成，双原子复式格子。以共价键为主，但有一定的离子键成分。以共价键为主，但有一定的离子键成分。第22页/共75页第23页/共75页3.3.纤锌矿型结构纤锌矿型结构二六族化合物，如锌、铬、汞和硫、二六族化合物，如锌

10、、铬、汞和硫、硒、碲等组成的化合物大部分具有闪硒、碲等组成的化合物大部分具有闪锌矿型结构，但其中有些也可具有纤锌矿型结构，但其中有些也可具有纤锌矿型结构。锌矿型结构。离子键第24页/共75页第25页/共75页1.21.2半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带半导体材料大都是单晶体。单晶体是半导体材料大都是单晶体。单晶体是由靠得很紧密的原子周期性重复排列由靠得很紧密的原子周期性重复排列而成，相邻原子之间间距在而成，相邻原子之间间距在nmnm量级，量级，因此半导体中电子状态肯定和单原子因此半导体中电子状态肯定和单原子的电子状态有所不同。的电子状态有所不同。第26页/共75页电子的共有化运

11、动电子的共有化运动第27页/共75页共有化运动的能量共有化运动的能量第28页/共75页原子能级分裂为能带的示意图原子能级分裂为能带的示意图第29页/共75页金刚石型结构价电子能带示意图金刚石型结构价电子能带示意图导带导带价带价带禁带禁带第30页/共75页晶体中的原子与孤立原子的电子不同，也和自由运动的电子不同。晶体中的原子与孤立原子的电子不同，也和自由运动的电子不同。半导体中电子的状态和能带半导体中电子的状态和能带单电子近似认为，晶体中某一个电子是在单电子近似认为，晶体中某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场和其周期性排列且固定不动的原子核势场和其他大量电子的势场中运动。他大量电子的势

12、场中运动。研究发现，电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电子运动十分相似。第31页/共75页第32页/共75页第33页/共75页布里渊区与能带第34页/共75页简约布里渊区与能带第35页/共75页金刚石型结构的第一布里渊区金刚石型结构的第一布里渊区第36页/共75页导体、半导体、绝缘体的能带导体、半导体、绝缘体的能带 (a)(a)绝缘体绝缘体 (b)(b)半导体半导体(c)(c)导体导体第37页/共75页第38页/共75页1.3 1.3 半导体中电子的运动半导体中电子的运动 有效质有效质量量E(k)E(k)和和k k之间的关系之间的关系 之前只给出了一个定性的关系，对之前只给出了一个定性的关

13、系，对E(k)E(k)和和k k的关系式并不清楚。的关系式并不清楚。通常半导体中，起作用的是导带底或价带通常半导体中，起作用的是导带底或价带顶的电子，需考虑能带极值附近顶的电子，需考虑能带极值附近E(k)E(k)和和k k的的关系。关系。第39页/共75页第40页/共75页第41页/共75页第42页/共75页第43页/共75页第44页/共75页1.4 1.4 本征半导体的导电结构本征半导体的导电结构 空穴空穴第45页/共75页第46页/共75页1.51.5回旋共振回旋共振不同的半导体材料，其能带结构不同，从理论上难以确定不同的半导体材料，其能带结构不同，从理论上难以确定E E与波矢与波矢k k

14、的关系，需借的关系，需借助实验的帮助。助实验的帮助。n回旋共振实验用于测量半导体中载流子有 效质量及能带结构。第47页/共75页第48页/共75页第49页/共75页第50页/共75页第51页/共75页第52页/共75页1.61.6硅和锗的能带结构硅和锗的能带结构1.1.导带结构导带结构 对硅来说，对硅来说，（1 1）当）当B B沿沿111111晶轴方向，只能观察到一个吸收峰；晶轴方向，只能观察到一个吸收峰；（2 2）当）当B B沿沿110110晶轴方向，可以观察到两个吸收峰；晶轴方向，可以观察到两个吸收峰；（3 3）当）当B B沿沿100100晶轴方向，也能观察到两个吸收峰；晶轴方向，也能观察

15、到两个吸收峰；（4 4）当）当B B沿任意晶轴方向，可以观察到三个吸收峰。沿任意晶轴方向，可以观察到三个吸收峰。若等能面是球面，那么只能观察到一个吸收峰。第53页/共75页解释：解释：如果硅导带底附近等能面是沿如果硅导带底附近等能面是沿100100方方向的旋转椭球面，椭球长轴与该方向重合，那向的旋转椭球面，椭球长轴与该方向重合，那么理论与实验结果一致。同时，导带最小值不么理论与实验结果一致。同时，导带最小值不在在k k空间原点，在空间原点，在100100方向上。方向上。硅导带等能面示意图第54页/共75页第55页/共75页第56页/共75页第57页/共75页第58页/共75页锗的导带等能面，8

16、个半旋转椭球面硅的导带等能面,6个旋转椭球面第59页/共75页回旋共振的实验发现，硅、锗电子有效质量各向异性，说明其等能面各向异性。回旋共振的实验发现，硅、锗电子有效质量各向异性，说明其等能面各向异性。硅有六个椭球等能面，分别分布在硅有六个椭球等能面，分别分布在晶向的六个等效晶轴上，电子主要分布在晶向的六个等效晶轴上，电子主要分布在这六个椭球的中心（极值）附近。这六个椭球的中心（极值）附近。仅从回旋共振的实验还不能决定导带极值（椭球中心）的确定位置。通过施主电子仅从回旋共振的实验还不能决定导带极值（椭球中心）的确定位置。通过施主电子自旋共振实验得出，硅的导带极值位于自旋共振实验得出，硅的导带极

17、值位于方向的布里渊区边界的方向的布里渊区边界的0.850.85倍处倍处 第60页/共75页n n型锗的实验指出，锗的导电极小值位于型锗的实验指出，锗的导电极小值位于方向的布里渊区边界上共有八个。方向的布里渊区边界上共有八个。极值附近等能面为沿极值附近等能面为沿方向旋转的八个椭球面，每个椭球面有半个在布里渊方向旋转的八个椭球面，每个椭球面有半个在布里渊区，因此，在简约布里渊区共有四个椭球区，因此，在简约布里渊区共有四个椭球 第61页/共75页第62页/共75页第63页/共75页第64页/共75页第65页/共75页硅和锗的价带结构：有三条价带，其中有两条价带的极值在硅和锗的价带结构：有三条价带，其

18、中有两条价带的极值在k k0 0处重合，有两种处重合，有两种空穴有效质量与之对应，分别为重空穴和轻空穴空穴有效质量与之对应，分别为重空穴和轻空穴还有第三个价带，其带顶比前两个价带低，对于硅低还有第三个价带，其带顶比前两个价带低，对于硅低0.04ev0.04ev，对于锗，对于锗 低低0.29ev0.29ev给出了第三种空穴。空穴猪要分布在前两个价带。在价带顶附近，等能面接近平给出了第三种空穴。空穴猪要分布在前两个价带。在价带顶附近，等能面接近平面。面。第66页/共75页第67页/共75页砷化镓的能带结构：导带极小值位于砷化镓的能带结构：导带极小值位于布里渊区中心布里渊区中心k k0 0处，等能面

19、为球面，处，等能面为球面，导带底电子有效质量为导带底电子有效质量为0.067m0 0.067m0。在在方向布里渊区边界还有一个方向布里渊区边界还有一个导带极小值，极值附近的曲线的曲率导带极小值，极值附近的曲线的曲率比较小，电子有效质量比较大，约为比较小，电子有效质量比较大，约为0.55m0 0.55m0，能量比布里渊区中心极小，能量比布里渊区中心极小值的能量高值的能量高0.29ev0.29ev。价带结构与硅、锗类似。价带结构与硅、锗类似。室温下禁带宽度为室温下禁带宽度为1.424ev1.424ev。第68页/共75页第69页/共75页第70页/共75页第71页/共75页第72页/共75页第73页/共75页第74页/共75页感谢您的观看！第75页/共75页