半导体物理学.pptx

半导体物理学半导体物理学BANDAOTIWULIXUE

半导体晶格结构和结合性质

三种类型根据固体中原子排列的有序程度，可以将其分为非晶、多晶和单晶。固体的种类非晶：无序多晶：晶粒和晶界单晶：长程有序

硅、锗第IVA族单晶材料，四个价电子，以共价键相结合元素半导体PeriodIIIIIIVVVI2BCNO3MgAlSiPS4ZnGaGeAsSe5CdInSnSbTe6HgPbBi

立方晶胞三种常见的立方晶胞几种晶胞结构简单立方：8个顶点钋体心立方：顶点+体心钠、钨面心立方：顶点+6个面心铝、铜、金、铂

晶向指数、晶面指数晶向指数：标识晶胞中的特定方向，如[100]、[110]、[111]晶向指数与晶面晶面指数：标识晶胞中的特定平面，如(100)、(110)、(111)

常见半导体晶体结构：金刚石结构(diamondlattice)：硅（Si），锗（Ge）等;半导体的晶体结构单晶材料的电学特性不仅与其化学组分有关，而且与固体中原子的排列紧密相关，因此必须了解半导体的晶格结构。闪锌矿结构(zinc-blendelattice)：砷化镓（GaAs）等;纤锌矿结构(wurtzitelattice)：硫化镉（CdS），硫化锌（ZnS）等;氯化钠型结构：硫化铅（PdS），碲化铅（PbTe）等

金刚石结构硅、锗（IVA族）正四面体结构共价键，键角109°28’每个原子周围有4个最近邻的原子，组成正四面体，顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子形成两个共有电子，共有电子在两个原子之间形成较大的电子云密度，通过它们对原子实的引力结合两个原子——共价键

立方对称，每个结晶学原胞中有8个原子金刚石结构的结晶学原胞两个面心立方体晶胞沿立方体的空间对角线位移1/4空间对角线长度套构而成。

硅、锗相关参数晶格常数a（nm）原子密度（个/cm3）原子间最短距离（nm）共价半径（nm）硅0.5430895.00×10220.2350.117锗0.5657544.42×10220.2450.122金刚石型结构{100}面上的投影

闪锌矿结构砷化镓双原子复式格子四面体结构混合键：共价键+离子键以砷化镓为例，砷原子和镓原子两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线位移其长度的1/4套构而成。

纤锌矿结构硫化锌、硫化镉四面体结构六方对称性混合键：共价键+离子键（占优）两类原子各自构成的六方排列的双原子层堆积而成，（001）面按ABABA…规则排列。

氯化钠型结构硫化铅、硒化铅、碲化铅面心立方结构离子键两套面心立方的晶胞沿边长方向移动1/2长度套构而成。

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半导体中的电子状态和能带

主量子数nn=1,2,3,4,……壳层K,L,M,N,……原子的孤立能级原子中的电子受到原子核势场的作用，只能处于某些特定的能量状态（能级）shellnK1L2M3N4sub-shellls0s0p1s0p1d2s0p1d2f3electronnumber2262610261014281832角量子数ls,p,d,f,……磁量子数自旋量子数

能量最低原理:原子中的电子先占据能量最低的量子态电子排布规律以硅原子为例，具有10个内层电子（2+8），外层有4个价电子，价电子受到的束缚相对较弱，可以参与成键与其它原子结合。泡利不相容原理:每个能级容纳自旋相反的两个电子Si:1s22s22p63s23p2

电子壳层交叠共有化运动电子壳层交叠：单晶体由紧密靠近的大量原子周期性排列，原子间距只有几埃，不同的原子的内外各电子壳层之间有交叠，相邻原子的最外电子壳层交叠最多。晶体中的能带电子共有化运动：由于电子的壳层的交叠，电子不再局限在一个原子上，可以在原子之间转移，在整个晶体中运动。

能级分裂相互靠近的两个原子能级分裂为两个彼此靠近的能级，原来在某一能级上的电子分别处在分裂的两个能级上，电子不再属于某一个原子，而是为两个原子共有。两个原子：N个原子相互靠近形成晶体，每个能级分裂为N个彼此相距很近的能级，形成能带。N个原子：

硅晶体能带的形成壳层交叠电子共有化运动能级分裂，轨道杂化实际能带导带禁带价带..............允带0个电子4N个电子

半导体中的电子状态电子的质量比原子核小的多，电子运动远快于原子核，故考虑电子运动规律时，可近似认为原子核固定不动。绝热近似：为了获得晶格中电子的运动规律，需要求解周期性势场下的薛定谔方程把每个电子的运动单独考虑，认为电