半物斌第一章

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)是面向電子科學(xué)與技術(shù)方向微電子半導(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：揭示半導(dǎo)體主要性質(zhì)，探討半導(dǎo)體材料在開設(shè)目的

2、：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(duì)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(duì)半導(dǎo)體物理理論的理解，掌握半導(dǎo)體的測(cè)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(cè)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 導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶Solar Cell Silicon1st Generation since 198

3、2 2nd Generation since 1995 3rd Generation since 2002 Matsushita, Sony, NEC, Ricoh MemoryGe-Sb-TeM. Wuttig & N. Yamada ,“Phase Change Material for rewritable data storage”, Nat. Mater. (2007). Device = SemiconductorPCMePCMoPCMMemoryNarrow Gap:HgCdTe, InSb, InAs, IR DetectorLASERAl-Ga-In-P (紅)In-

4、Ga-N (藍(lán)) Optical FiberCommunication半導(dǎo)體現(xiàn)象半導(dǎo)體現(xiàn)象 MOS晶體管：半導(dǎo)體如何導(dǎo)電？ 太陽(yáng)能電池：半導(dǎo)體如高效地將俘獲光子產(chǎn)生電壓？ 紅外探測(cè)器：半導(dǎo)體如何探測(cè)紅外光子產(chǎn)生電信號(hào)？ LED 和 LASER：半導(dǎo)體如何能發(fā)光？ 光波導(dǎo)：半導(dǎo)體如何光傳輸？ 選用教材：半導(dǎo)體物理學(xué)，選用教材：半導(dǎo)體物理學(xué)， 孟憲章，康昌鶴，孟憲章，康昌鶴， （吉林大學(xué)校內(nèi)講義）（吉林大學(xué)校內(nèi)講義）主要參考書目：主要參考書目：1、劉恩科，朱秉升，羅晉生等，半導(dǎo)體物理學(xué)，、劉恩科，朱秉升，羅晉生等，半導(dǎo)體物理學(xué)， 國(guó)防工業(yè)出版社。國(guó)防工業(yè)出版社。2、葉良修，半導(dǎo)體物理學(xué)（上、下冊(cè)）

5、，上海、葉良修，半導(dǎo)體物理學(xué)（上、下冊(cè)），上海 科學(xué)技術(shù)出版社，科學(xué)技術(shù)出版社，1984。3、黃昆，謝希德，半導(dǎo)體物理學(xué)，科學(xué)出版社，、黃昆，謝希德，半導(dǎo)體物理學(xué)，科學(xué)出版社， 1958。4、 S. M. Sze(施敏施敏), Physics of Semiconductor Devices, 2nd, Wiley, 1981. 5、Donald A. Neamen, 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理與器件與器件-基本原理基本原理 （第三版）（英文版），（第三版）（英文版）， 清華大學(xué)出版社，清華大學(xué)出版社，2003。以及教材所列出的其他參考書目。以及教材所列出的其他參考書目。本課內(nèi)容安排：本課內(nèi)容安排：

6、第一章第一章 晶體結(jié)構(gòu)：預(yù)備知識(shí)，簡(jiǎn)單介紹晶體結(jié)構(gòu)：預(yù)備知識(shí)，簡(jiǎn)單介紹第二章第二章 晶格振動(dòng)：預(yù)備知識(shí)，自學(xué)晶格振動(dòng)：預(yù)備知識(shí)，自學(xué)第三章第三章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)：重點(diǎn)中的重點(diǎn)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)：重點(diǎn)中的重點(diǎn)第四章第四章 電子和空穴的統(tǒng)計(jì)分布：重點(diǎn)電子和空穴的統(tǒng)計(jì)分布：重點(diǎn)第五章第五章 電荷輸運(yùn)現(xiàn)象：重點(diǎn)電荷輸運(yùn)現(xiàn)象：重點(diǎn)第六章第六章 半導(dǎo)體中的熱效應(yīng)：非重點(diǎn)半導(dǎo)體中的熱效應(yīng)：非重點(diǎn)第七章第七章 非平衡載流子：重點(diǎn)非平衡載流子：重點(diǎn)第八章第八章 半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象：部分講授，重點(diǎn)半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象：部分講授，重點(diǎn)第九章第九章 半導(dǎo)體表面：部分講授半導(dǎo)體表面：部分講授第十章第十章 半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)

7、：重點(diǎn)半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)：重點(diǎn) 課程之骨：課件內(nèi)容課程之骨：課件內(nèi)容 要求與期望要求與期望1. 重在理解；2. 作業(yè)重要；3. 鼓勵(lì)提問；“(1) Persistence. Anything you do, big or small, get it concluded. (2) Carefulness. (3) Outgoing and never shy of speaking out. I bet if you look around, most great scientists are also great speakers.”- Shengbai Zhang 學(xué)習(xí)捷徑學(xué)習(xí)捷徑Ask Wh

8、y?考核要求考核要求1. 1.平時(shí)成績(jī)平時(shí)成績(jī) 20% 20%2. 2. a. a. 出勤出勤3. 3. b. b. 作業(yè)作業(yè)4. 4. c. c. 測(cè)驗(yàn)測(cè)驗(yàn) 5. 5.2. 2. 考試成績(jī)考試成績(jī) 80% 80%第一章第一章 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 固體分為晶體和非晶體。固體分為晶體和非晶體。 非晶體也稱為玻璃態(tài)物質(zhì)或無定型固體，非晶體也稱為玻璃態(tài)物質(zhì)或無定型固體，非晶體中原子的排列是短程有序的。非晶體中原子的排列是短程有序的。 ( (參看第十三章參看第十三章 非晶態(tài)半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體) ) 晶體中的原子排列是長(zhǎng)程有序的。晶體中的原子排列是長(zhǎng)程有序的。PRL 107, 015501 (2011)第

9、一章的學(xué)習(xí)內(nèi)容第一章的學(xué)習(xí)內(nèi)容 1.1 1.1 晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性 1.3 1.3 倒格子倒格子1.1 1.1 晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性 晶體中的原子是按照一定規(guī)則排列的，形成一個(gè)晶體中的原子是按照一定規(guī)則排列的，形成一個(gè)有序結(jié)構(gòu)。有序結(jié)構(gòu)。 圖圖1.1(a)表示表示ABCD的基本單位。如果它的基矢的基本單位。如果它的基矢為為 a, b 時(shí)，則可用平移矢量時(shí)，則可用平移矢量 R 表示所有點(diǎn)的位置，表示所有點(diǎn)的位置，即：即： 在三維情況下，平移矢量為在三維情況下，平移矢量為 R又稱為格矢又稱為格矢)1 . 1(q,p(bqapR為整數(shù)）為整數(shù)） )2 . 1

10、(s ,q,p(csbqapR為整數(shù)）為整數(shù)） 晶格：由平移矢量晶格：由平移矢量 R形成的有規(guī)則排列的空間點(diǎn)陣形成的有規(guī)則排列的空間點(diǎn)陣;格點(diǎn)：以格點(diǎn)：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：圖晶胞：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：只含有一個(gè)格點(diǎn)的晶胞稱為原胞；原胞：只含有一個(gè)格點(diǎn)的晶胞稱為原胞；基矢：確定原胞（晶胞）大小的矢量。原胞（晶胞）以基矢：確定原胞（晶胞）大小的矢量。原胞（晶胞）以基矢為周期排列，因此，基矢的大小為晶格常數(shù)。基矢為周期

11、排列，因此，基矢的大小為晶格常數(shù)。格矢：平移矢量格矢：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，所以說晶體內(nèi)即，在晶格中的格點(diǎn)是周期性排列的，所以說晶體內(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，即原胞在固體物理學(xué)中，選取周期最小的重復(fù)單元，即原胞 在晶體學(xué)中，由對(duì)稱性選取最小的重復(fù)單元，即晶胞在晶體學(xué)中

12、，由對(duì)稱性選取最小的重復(fù)單元，即晶胞（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。在固體物理學(xué)中，原胞只強(qiáng)單元，但二者有所不同。在固體物理學(xué)中，原胞只強(qiáng)調(diào)晶格的周期性；而在結(jié)晶學(xué)中，晶胞還要強(qiáng)調(diào)晶格調(diào)晶格的周期性；而在結(jié)晶學(xué)中，晶胞還要強(qiáng)調(diào)晶格中原子分布的對(duì)稱性。中原子分布的對(duì)稱性。Simple CubicFace Center Cubic 晶胞與原胞關(guān)系對(duì)比晶胞與原胞關(guān)系對(duì)比 1.3 1.3 倒格子（倒格子（VIPVIP） 正格子：實(shí)空間中，晶體中的原子排列成的晶格正格子：實(shí)空間中，晶體中的原子排列成

13、的晶格點(diǎn)陣，稱為正格子。點(diǎn)陣，稱為正格子。倒格子：為了方便描述、討論晶體中傳播的晶格倒格子：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，引入的一個(gè)與振動(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。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 空空間。間。(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)憺椋夯驅(qū)憺椋浩渲校浩渲校?(1.4)0ababababab2ababab131232312

14、1332211 )3 ,2 ,1j , i (2abijji 321b ,b ,b321a ,a ,a321213321132321321222aaaaabaaaaabaaaaabV=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。當(dāng)?shù)垢褡又械娜我飧顸c(diǎn)作為原點(diǎn)時(shí)，倒格子。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)之間的矢量稱為倒格矢。從原點(diǎn)到其他倒格子點(diǎn)之間的矢量稱為倒格矢。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(bnbnbnK321332211n為任意整數(shù)為任意整數(shù) )m,m,m(a