半導(dǎo)體物理吉林大學(xué)半物第一章

1、半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué) Semiconductor PhysicsSemiconductor Physics - The Spirit of Honest 張寶林教授張寶林教授 致謝 PPT by PPT by 張教授張教授 李賢斌 D203 半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)是面向電子科學(xué)與技術(shù)方向微電子是面向電子科學(xué)與技術(shù)方向微電子 技術(shù)、集成電路與集成系統(tǒng)、微電子學(xué)、光電子學(xué)、技術(shù)、集成電路與集成系統(tǒng)、微電子學(xué)、光電子學(xué)、 材料學(xué)以及相關(guān)專業(yè)本科生所開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，材料學(xué)以及相關(guān)專業(yè)本科生所開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課， 是專業(yè)核心課程之一。是專業(yè)核心課程之一。 開設(shè)目的開設(shè)目的：揭示半導(dǎo)體主要性

2、質(zhì)，探討半導(dǎo)體材料在：揭示半導(dǎo)體主要性質(zhì)，探討半導(dǎo)體材料在 熱平衡態(tài)和非平衡態(tài)下所發(fā)生的物理過程、規(guī)律以及熱平衡態(tài)和非平衡態(tài)下所發(fā)生的物理過程、規(guī)律以及 相關(guān)應(yīng)用，并通過實(shí)驗(yàn)加深對半導(dǎo)體物理理論的理解，相關(guān)應(yīng)用，并通過實(shí)驗(yàn)加深對半導(dǎo)體物理理論的理解， 掌握半導(dǎo)體的測量技術(shù)和基本原理，以適應(yīng)后續(xù)專業(yè)掌握半導(dǎo)體的測量技術(shù)和基本原理，以適應(yīng)后續(xù)專業(yè) 課程的學(xué)習(xí)和將來工作的需要。課程的學(xué)習(xí)和將來工作的需要。 CMOS-IC p-Semiconductor LED Different Band Gap Solar Cell Silicon 1st Generation since 1982 2nd Ge

3、neration since 1995 3rd Generation since 2002 Matsushita, Sony, NEC, Ricoh Memory M. Wuttig 格點(diǎn)格點(diǎn)：以：以 R 指定的點(diǎn)，稱為格點(diǎn)；即空間（一維或多指定的點(diǎn)，稱為格點(diǎn)；即空間（一維或多 維）點(diǎn)陣中的點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）維）點(diǎn)陣中的點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)） 。 晶胞晶胞：圖圖1.1(a)中，以中，以 a，b 定義的定義的ABCD區(qū)域稱為晶胞；區(qū)域稱為晶胞； 原胞原胞：只含有一個(gè)格點(diǎn)的晶胞稱為原胞；：只含有一個(gè)格點(diǎn)的晶胞稱為原胞； 基矢基矢：確定原胞（晶胞）大小的矢量。原胞（晶胞）以：確定原胞（晶胞）大小的矢量。原胞（晶胞）以

4、基矢為周期排列，因此，基矢為周期排列，因此，基矢的大小為晶格常數(shù)?；傅拇笮榫Ц癯?shù)。 格矢格矢：平移矢量：平移矢量 R。 晶胞的選擇方法，在某種程度上是任意的。晶胞的選擇方法，在某種程度上是任意的。 根據(jù)晶胞的平移操作，就可以填滿整個(gè)晶格空間，根據(jù)晶胞的平移操作，就可以填滿整個(gè)晶格空間， 即，在晶格中的格點(diǎn)是周期性排列的，所以說即，在晶格中的格點(diǎn)是周期性排列的，所以說晶體內(nèi)晶體內(nèi) 部結(jié)構(gòu)具有周期性。部結(jié)構(gòu)具有周期性。 反映晶體周期性的重復(fù)單元，有兩種選取方法：反映晶體周期性的重復(fù)單元，有兩種選取方法： 在固體物理學(xué)中，選取周期最小的重復(fù)單元，即在固體物理學(xué)中，選取周期最小的重復(fù)單元，即原胞

5、原胞 在晶體學(xué)中，由對稱性選取最小的重復(fù)單元，即在晶體學(xué)中，由對稱性選取最小的重復(fù)單元，即晶胞晶胞 （單胞）。（單胞）。 原胞和晶胞都是用來描述晶體中晶格周期性的最小重復(fù)原胞和晶胞都是用來描述晶體中晶格周期性的最小重復(fù) 單元，但二者有所不同。單元，但二者有所不同。在固體物理學(xué)中，原胞只強(qiáng)在固體物理學(xué)中，原胞只強(qiáng) 調(diào)晶格的周期性；調(diào)晶格的周期性；而而在結(jié)晶學(xué)中，晶胞還要強(qiáng)調(diào)晶格在結(jié)晶學(xué)中，晶胞還要強(qiáng)調(diào)晶格 中原子分布的對稱性。中原子分布的對稱性。 Simple CubicFace Center Cubic 晶胞與原胞關(guān)系對比晶胞與原胞關(guān)系對比 1.3 1.3 倒格子倒格子（VIPVIP） 正格子

6、正格子：實(shí)空間中，晶體中的原子排列成：實(shí)空間中，晶體中的原子排列成 的晶格點(diǎn)陣，稱為正格子。的晶格點(diǎn)陣，稱為正格子。 倒格子倒格子：為了方便描述、討論晶體中傳播的：為了方便描述、討論晶體中傳播的 晶格振動(dòng)或電子的運(yùn)動(dòng)及其狀態(tài)等，引入晶格振動(dòng)或電子的運(yùn)動(dòng)及其狀態(tài)等，引入 的一個(gè)與正格子相關(guān)聯(lián)的空間關(guān)系。的一個(gè)與正格子相關(guān)聯(lián)的空間關(guān)系。 描述倒格子所存在的空間也稱為倒空間或描述倒格子所存在的空間也稱為倒空間或 k 空間?？臻g。(為后面討論波矢量為后面討論波矢量k做準(zhǔn)備做準(zhǔn)備)。 假設(shè)倒格子的基矢為假設(shè)倒格子的基矢為 , 它們與正格子基矢它們與正格子基矢 的關(guān)系為：的關(guān)系為： (1.3) 或?qū)憺椋夯?/p>

7、寫為： 其中：其中： (1.4) 0ababababab 2ababab 1312323121 332211 )3 ,2 ,1j , i (2ab ijji 321 b ,b ,b 321 a ,a ,a 321 21 3 321 13 2 321 32 1 2 2 2 aaa aa b aaa aa b aaa aa b V=a (bc) 方向：右手定則 模量：面積大小 叉乘 由上述的三個(gè)基矢由上述的三個(gè)基矢b1, b2, b3平移而形成的晶格稱為平移而形成的晶格稱為 倒格子倒格子。當(dāng)?shù)垢褡又械娜我飧顸c(diǎn)作為原點(diǎn)時(shí)，。當(dāng)?shù)垢褡又械娜我飧顸c(diǎn)作為原點(diǎn)時(shí)， 從原點(diǎn)到其他倒格子點(diǎn)之間的矢量稱為從原點(diǎn)到其他倒格子點(diǎn)之間的矢量稱為倒格矢倒格矢。 用用Kn表示，則表示，則 相應(yīng)的晶格矢相應(yīng)的晶格矢Rm可表示為：可表示為： 通常用通常用a1, a2, a3表示正格子原胞的三個(gè)基矢，而用表示正格子原胞的三個(gè)基矢，而用a, b, c表示晶胞的三個(gè)基矢。表示晶胞的三個(gè)基矢。 )n,n,n(bnbnbnK 321332211n 為任意整數(shù)為任意整數(shù) )m,m,m(amamamR 321332211m 為任意整數(shù)為任意整數(shù) 倒格矢倒格矢Kn和晶格矢和晶格矢Rm之間有如下關(guān)系：之間有如下關(guān)系： )7 . 1(1)RKiexp( )6 . 1()(2)mnmnmn(2RK mn 332211