【物理】半导体物理西安电子科技大学柴常春等主讲-[笔记P1-P9].pdf

【物理】半导体物理西安电⼦科技⼤学柴常春等主讲-[笔记P1-P9] 引⾔ 热半导体 参杂半导体 光半导体Cd 磁场和电场也可以显著改变半导体的导电能⼒ 半导体是容易收到外界光/热/磁/ 电/微量参杂 半导体的课程主要就是谈论半导体材料收到以上条件变化⽽产⽣的变化。 预备知识 组成晶体的原⼦ （离⼦）在较⼤的范围内 （微⽶）都是按照⼀定的⽅式有规律的排列的。长程有序。 ⾮晶没有规则的外形，没有固定的熔点。但是在较⼩的范围内 （⼏个原⼦内存在有序）称为短程有序。 单晶：整块晶体由原⼦(离⼦)⼀种规律排列，贯穿始终。 多晶：由许多⼩晶粒杂乱的堆积起来的。微⽶数量级。 化学键与晶体结构 1. 原⼦的负电性-衡量原⼦对核外电⼦的束缚能⼒的强弱的量 电离能，原⼦失去价电⼦所必须的能量 ； 亲合能，中性原⼦获取⼀个价电⼦成为负离⼦，所释放的能量。 原⼦负电性 ：0.18* (电离能+亲合能），0.18是为了Li的负电性为 1. 负电性反映了原⼦相互结合时最外层电⼦得失的难易程度。 负电性⼤: {1. 电离能⼤说明很难失去电⼦ ；2.亲和能⼤说明容易获取电⼦） ⼩结 ：价电⼦总是向负电性⼤的原⼦转移。 各原⼦的负电性 ：同⼀⾏，由左向右—— 负电性变⼤，⾮⾦属性增强； 同⼀列，由上-下 ⬇负电性变⼩，⾦属性增强。 离⼦键 依靠正负离⼦之间的静电⼒，⼜离⼦键结合⽽成的晶体称为离⼦晶体。 配位数 晶体中，任意原⼦/离⼦，周围最近邻的原⼦/离⼦数。 NaCl配位数是6. 离⼦ 任意⼀离⼦的最近粒⼦，必定是带相反电荷的另⼀种离⼦，静电引⼒的作⽤结果 配位数的⼤⼩ 排列的紧密程度。 晶胞 晶体结构的基本单元，既反映了周期性，有反应了各种对称性。整个晶体是⼜晶胞重复排列⽽成的。 ⾯⼼⽴⽅体 原包 NaCl 晶体中，Na原⼦的价电⼦已经完全转移到Cl原⼦的最外层轨道上。他们紧束缚在各个离⼦上，他们不能随意移动，所以⼀般离⼦ 晶体是绝缘的。 共价键和共价晶体 同⼀种原⼦构成，原⼦间⽆电荷⽆负电性差，⽆价电，两个原⼦间⾃旋相反的价电⼦。两个之间的电⼦云重叠处有较⾼的密度，带正电的原 ⼦实，依靠原⼦之间带负电的电⼦云所形成的结合⼒。 共价键 依靠⼀对 ⾃旋相反配对的价电⼦所形成的结合⼒称为共价键，共价晶体。⾦刚⽯， i,Ge都是典型的共价晶体，他们的配位数是 4. 封闭的正四⾯体 （共价四⾯体，粽⼦） 饱和性 ： ⼀个原⼦与周围原⼦形成的数 ⽬是有限制的；⾦刚⽯， i,Ge 配位数是4 ⽅向性 ： ⼀定⽅向上 （共价键的⽅向），原⼦之间形成共价键时，电⼦云的重叠性具有最⾼密度。(量⼦⼒学内容，sp3杂化，共 价键间的夹⾓是 109 °28 ’) 共价四⾯体 ： 如果把原⼦看作圆球，并且最紧邻的圆球彼此相切，则球的半径称为共价半径。原⼦间距是共价半径的2倍。不能通 过共价四⾯体来平移形成晶体，说明不是他们的晶胞。 ⾦刚⽯ ：共价半径R,0.77。晶胞是正⽴⽅体，⽴⽅体的⼋个顶⾓各有⼀个原⼦，六个⾯⼼上各有⼀个原⼦，四条对⾓线，距离最近邻 的顶点，1/4 对⾓线，⽴⽅晶系。边长称为晶格常数a，XRD可以测出。 ⾦刚⽯结构原⼦密度 ：8/a^3,两个的⾯⼼⽴⽅沿着空间对⾓线 1/4长度套构⽽成。 i：共价半径，1.17，四个价电⼦，共有⼀对 ⾃旋相反的价电⼦。 Ge：共价半径，1.22 ⾦属键和⾦属晶体 I II III 族元素具有较低负电性，对价电⼦有较低的束缚能⼒，在构成晶体的时候分属各个原⼦的价电⼦不再属于某个原⼦，⽽是属于所有电 ⼦共有。可以在晶体中⾃由运动，电⼦的波函数遍及整个晶体- 电⼦⽓。带负电的电⼦⽓和带正电的电⼦实之间的库仑引⼒形成的结合⼒称 为⾦属键。 紧密型:要求原⼦的排列尽可能的紧密，才是最稳定的结构。 配位数 ：⾦属晶体中具有最⾼的配位数。 ⾯⼼⽴⽅: Cu,Au,Ag,Al 配位数 体⼼⽴⽅ ：碱⾦属，钨W,钼Mo 密排六⽅ ：ABAB,⾦属Zn,Cd⽴⽅密堆积。 导电性，导热性，光泽 （⾃由运动的电⼦，平均动能的标志，晶体具有关泽） 混合键和混合键型晶体 对于多数晶体存在⼏种形式的化学键，称谓混合键型晶体，如 ： III/V 族化合物半导体GaAs-砷化镓，Cd -硫化镉，共价键和离⼦键组成的混合键。