半导体物理学第一章

半导体物理与器件，裴素华，机械工业出版 社, 2008年9月 固体物理，方俊鑫，上海科技出版社，1995
第一章 半导体中的电子状态
1.1半导体的晶格结构和结合性质 1.2半导体的电子状态和能带 1.3半导体中电子的运动 有效质量 1.4本征半导体的导电机构 空穴 1.5回旋共振 1.6硅和锗的能带结构
解释： 如果硅导带底附近等能面是沿[100]方 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 在k空间原点，在[100]方向上。
硅导带等能面示意图
硅的导带等能面,6 个旋转椭球面
锗的导带等能面，8 个半旋转椭球面

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<100>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。 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<100> 方向的布里渊区边界的0.85倍处
四面体的结合
结晶学原胞
两个面心立方沿立方 体的空间对角线互相 位移了空间对角线四 分之一的长度套构而 成。 8个原子在角顶，6个 在面中心，晶胞内部 有4个原子，顶角和 面心与这4个原子周 围不同，是相同原子 构成的复式格子。
晶向,面的介绍
(001)(010)(100)(110)(111)面 <001><110><111>向
{100}{110}{111}
2.闪锌矿型结构和离子键

由三族元素Al、Ga，铟和五族元素P、As组成 的三五族化合物，它们大都是闪锌矿型结构。 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。 以共价键为主，但有一定的离子键成分。
3.纤锌矿型结构
二－六族化合物，如锌、铬、汞和硫、
半导体物理学
理学院物理科学与技术系

物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、 等离子体等等。 通常把导电性和导电导热性差或不好的材料， 如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为 绝缘体。


而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、 铁、锡、铝等称为导体。
可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称 为半导体。


砷化镓的能带结构：导带极小值位于
布里渊区中心k＝0处，等能面为球面， 导带底电子有效质量为0.067m0 。 在<100>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比 较小，电子有效质量比较大，约为 0.55m0 ，能量比布里渊区中心极小值 的能量高0.29ev。 价带结构与硅、锗类似。 室温下禁带宽度为1.424ev。
共有化运动的能量
原子能级分裂为能带的示意图
金刚石型结构价电子能带示意图
导带
价带
禁带
半导体中电子的状态和能带

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。 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 他大量电子的势场中运动。
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。
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。
离子键
1.2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
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nm量级， 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。
电子的共有化运动



n型锗的实验指出，锗的导电极小值位于 <100>方向的布里渊区边界上共有八个。 极值附近等能面为沿<100>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


硅和锗的价带结构：有三条价带，其中有 两条价带的极值在k＝0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 还有第三个价带，其带顶比前两个价带低， 对于硅低0.04ev，对于锗 低0.29ev 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，等能面接近平面。
研究在外界作用下(掺杂、电场、温度场、
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磁场)半导体性质的变化及其原因。
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。
学习本课程的基础课程
量子力学
半导体 物理
固体物理
热力学
统计物理
主要参考书： 半导体物理学，第7版，刘恩科，朱秉升， 罗晋生等编，电子工业出版社，2008年
其他参考书：
原胞：重复的单元。 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： 为反映晶体的对称性，体积不一定最小 布喇菲点阵 多种原子：同种原子组成子晶格 相对位移形成复式格子。 相对结构子晶格相互位移套构而成
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，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,布喇菲原胞

1.1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。
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 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。
三种简单格子
简立方 体心立方 面心立方
1.4 本征半导体的导电结构
空穴
1.5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E与波矢k的关系，需借助 实验的帮助。
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。
1.6硅和锗的能带结构
1.导带结构
若等能面是球面，那么只能观察到一个吸收峰。 对硅来说， （1）当B沿[111]晶轴方向，只能观察到一个吸收峰； （2）当B沿[110]晶轴方向，可以观察到两个吸收峰； （3）当B沿[100]晶轴方向，也能观察到两个吸收峰； （4）当B沿任意晶轴方向，可以观察到三个吸收峰。
简立方(SC)
体心立方(BCC)
面心立方(FCC)
1.金刚石型结构和共价键
Si，Ge都是第四周期的 元素，即外层有四个价 电子。硅、锗的结合依 靠共价键结合，组成金 刚石型结构。结构特点： 每一个原子周围有四个 最邻近的原子，这四个 原子分别处在四个顶角 上，任一顶角的原子和 中心原子各贡献一个价 电子为两个原子所共有。
布里渊区与能带
简约布里渊区与能带
金刚石型结构的第一布里渊区
导体、半导体、绝缘体的能带
(a)绝缘体
(b)半导体
(c)导体
1.3 半导体中电子的运动

有效质量
E(k)和k之间的关系 之前只给出了一个定性的关系，对E(k) 和k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 顶的电子，需考虑能带极值附近E(k)和k的 关系。

半导体物理发展进程
半导体物理的发展序幕
原子排列从有序向无序的转变
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
能带特征从自然向人工的转变
半导体表面物理
半导体超晶格物理
体系结构从三维向零维的转变
元素组成从原子向分子的转变
纳米半导体物理
有机半导体物理
半导体物理学研究对象
研究半导体的各种物理性质及其内在规 律。