半導體物理 第一章

§1.1半導體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)CrystalStructureandBondsinSemiconductors學習重點：1、晶體結(jié)構(gòu)：（1）金剛石型：Ge、Si（2）閃鋅礦型：GaAs2、化合鍵：

（1）共價鍵：Ge、Si（2）混合鍵：GaAs哈爾濱工業(yè)大學微電子科學與技術(shù)系1、金剛石型結(jié)構(gòu)和共價鍵

化學鍵：構(gòu)成晶體的結(jié)合力。由同種晶體組成的元素半導體，其原子間無負電性差，它們通過共用一對自旋相反而配對的價電子結(jié)合在一起。共價鍵（1）共價鍵的特點

①飽和性；

②方向性。（2）金剛石型結(jié)構(gòu){100}面上的投影（3）金剛石結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學原胞Si：a=5.65754埃Ge：a=5.43089埃2、閃鋅礦結(jié)構(gòu)和混合鍵

材料：Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半導體。

化學鍵：共價鍵+離子鍵。（1）閃鋅礦結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學原胞3、纖鋅礦結(jié)構(gòu)

ZnO、GaN、AlN、ZnS、ZnTe、CdS、CdTe。

§1.2半導體的電子狀態(tài)和能帶ElectronStatesandRelatingBondsinSemiconductors學習重點：1、電子的共有化運動2、導帶、價帶與禁帶哈爾濱工業(yè)大學微電子科學與技術(shù)系1、原子的能級和晶體的能帶（1）孤立原子的能級（2）晶體的能帶電子共有化運動能級的分裂

N個原子的能級的分裂由于外殼層電子的共有化運動加劇，原子的能級分裂亦更加顯著。

S能級→N個子帶

P能級→3N個子帶出現(xiàn)準連續(xù)能級金剛石型結(jié)構(gòu)價電子的能帶對于由N個原子組成的晶體，共有4N個價電子位于滿帶（價帶）中，其上的空帶就是導帶，二者之間是不允許電子狀態(tài)存在的禁區(qū)—禁帶?？諑Ъ磳M帶即價帶2、半導體中電子的狀態(tài)和能帶（1）自由電子的波函數(shù)解薛定諤方程可以得到Ψk(r)=Aeik·r（2）晶體中的電子的波函數(shù)其V(x)=V(x+sa)布洛赫定律指出：Ψk(x)=u(x)ei2πkx

u(x)=uk

(x+na

)其中，s與n為整數(shù)。

E(k)-k關(guān)系

波函數(shù)：描述微觀粒子的狀態(tài)薛定諤方程：決定粒子變化的方程重點對自由電子對半導體-晶體中的電子

│Ψk*Ψk│=A2，其波矢k=1/λ

說明電子在空間是等幾率分布的，即自由電子在空間作自由運動。波矢k描述自由電子的運動狀態(tài)。

Ψk*Ψk│=│uk*(r)uk(r)│，其波矢k=n/2a

說明分布幾率是晶格的周期函數(shù)，但對每個原胞的相應位置，電子的分布幾率一樣的。這里的波矢k描述晶體中電子的共有化運動狀態(tài)。（3）布里淵區(qū)與能帶簡約布里淵區(qū)與能帶簡圖（允帶與允帶之間為禁帶）（1）每隔1/a的k表示的是同一個電子態(tài)；（2）波矢k只能取一系列分立的值，每個k占有的線度為1/L。布里淵區(qū)的特征（4）關(guān)于E(k)-k的對應意義一個k值與一個能級（又稱能量狀態(tài)）相對應；每個布里淵區(qū)有N（N：晶體的固體物理學原胞

數(shù)）個k狀態(tài)，故每個能帶中有N個能級；每個能級最多可容納自旋相反的兩個電子，故每個

能帶中最多可容納2N個電子。3、導體、半導體、絕緣體的能帶（1）滿帶中的電子不導電由于，

E(k)=E(-k)

V(k)=-V(-k)而I=q{1×[1×V(k)]}有I(A)=-I(-A)

結(jié)論：+k態(tài)和-k態(tài)的電子電流相互抵消。所以，滿帶中

的電子不導電。而對部分填充的能帶，將產(chǎn)生宏

觀電流。（2）導體、絕緣體和半導體

的能帶模型（3）本征激發(fā)

定義：當溫度一定時，價帶電子受到激發(fā)而成為導帶電子的過程→本征激發(fā)。（4）空穴空穴：將價帶電子的導電作用等效為帶正電荷的準粒子的

導電作用?？昭ǖ闹饕卣鳎?/p>

①荷正電：+q；

②空穴濃度表示為p；（電子濃度表示為n）

③Ep=-En（5）半導體中的導電機構(gòu)電子與空穴。在本征半導體中，n=p?？昭娮印?.4常見半導體的能帶結(jié)構(gòu)Energy-bandofSi,GeandGaAs1、E(k)-k關(guān)系和等能面則，上式代表的是一個橢球等能面。等能面上的波矢k與電子能量E之間存在一一對應關(guān)系，即：

k空間中的一個點對應一個電子態(tài)因此，為了形象而直觀地表示E(k)-k的三維關(guān)系，我們用k空間中的等能面反映E(k)-k關(guān)系。2、有效質(zhì)量

定義：它概括了半導體內(nèi)部勢場的作用，使得在解決半導體中電子在外力作用下的運動規(guī)律時，可以不涉及半導體內(nèi)部勢場的作用。特別是有效質(zhì)量可由實驗測定，因而可以很方便地解決電子的運動規(guī)律問題。

物理意義：3、Si、Ge和GaAs能帶結(jié)構(gòu)的基本特征（1）Si、Ge能帶結(jié)構(gòu)及特征

Si的能帶結(jié)構(gòu)

Ge的能帶結(jié)構(gòu)

Si、Ge能帶結(jié)構(gòu)的主要特征①禁帶寬度Eg隨溫度增加而減小—即Eg的負溫度特性；

Eg(T)=Eg(0)-αT2/（T+β）

α=4.73×10-4eV/Kβ=636Kα=4.7774×10-4eV/Kβ=235K②Eg：T=0時，Eg(Si)=0.7437eVEg(Ge)=1.170eV；③間接帶隙結(jié)構(gòu)。Si→Ge→dEg/dT=-2.8×10-4eV/KdEg/dT=-3.9×10