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§1.1半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)CrystalStructureandBondsinSemiconductors學(xué)習(xí)重點(diǎn):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(jià)鍵:Ge、Si(2)混合鍵:GaAs哈爾濱工業(yè)大學(xué)微電子科學(xué)與技術(shù)系1、金剛石型結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵
化學(xué)鍵:構(gòu)成晶體的結(jié)合力。由同種晶體組成的元素半導(dǎo)體,其原子間無負(fù)電性差,它們通過共用一對(duì)自旋相反而配對(duì)的價(jià)電子結(jié)合在一起。共價(jià)鍵(1)共價(jià)鍵的特點(diǎn)
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(xué)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(dǎo)體。
化學(xué)鍵:共價(jià)鍵+離子鍵。(1)閃鋅礦結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學(xué)原胞3、纖鋅礦結(jié)構(gòu)
ZnO、GaN、AlN、ZnS、ZnTe、CdS、CdTe。
§1.2半導(dǎo)體的電子狀態(tài)和能帶ElectronStatesandRelatingBondsinSemiconductors學(xué)習(xí)重點(diǎn):1、電子的共有化運(yùn)動(dòng)2、導(dǎo)帶、價(jià)帶與禁帶哈爾濱工業(yè)大學(xué)微電子科學(xué)與技術(shù)系1、原子的能級(jí)和晶體的能帶(1)孤立原子的能級(jí)(2)晶體的能帶電子共有化運(yùn)動(dòng)能級(jí)的分裂
N個(gè)原子的能級(jí)的分裂由于外殼層電子的共有化運(yùn)動(dòng)加劇,原子的能級(jí)分裂亦更加顯著。
S能級(jí)→N個(gè)子帶
P能級(jí)→3N個(gè)子帶出現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)金剛石型結(jié)構(gòu)價(jià)電子的能帶對(duì)于由N個(gè)原子組成的晶體,共有4N個(gè)價(jià)電子位于滿帶(價(jià)帶)中,其上的空帶就是導(dǎo)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?dǎo)帶滿帶即價(jià)帶2、半導(dǎo)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(diǎn)對(duì)自由電子對(duì)半導(dǎo)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(yùn)動(dòng)。波矢k描述自由電子的運(yùn)動(dòng)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(duì)每個(gè)原胞的相應(yīng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)。(3)布里淵區(qū)與能帶簡(jiǎn)約布里淵區(qū)與能帶簡(jiǎn)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(gè)電子態(tài);(2)波矢k只能取一系列分立的值,每個(gè)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(duì)應(yīng)意義一個(gè)k值與一個(gè)能級(jí)(又稱能量狀態(tài))相對(duì)應(yīng);每個(gè)布里淵區(qū)有N(N:晶體的固體物理學(xué)原胞
數(shù))個(gè)k狀態(tài),故每個(gè)能帶中有N個(gè)能級(jí);每個(gè)能級(jí)最多可容納自旋相反的兩個(gè)電子,故每個(gè)
能帶中最多可容納2N個(gè)電子。3、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶(1)滿帶中的電子不導(dǎo)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(dǎo)電。而對(duì)部分填充的能帶,將產(chǎn)生宏
觀電流。(2)導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體
的能帶模型(3)本征激發(fā)
定義:當(dāng)溫度一定時(shí),價(jià)帶電子受到激發(fā)而成為導(dǎo)帶電子的過程→本征激發(fā)。(4)空穴空穴:將價(jià)帶電子的導(dǎo)電作用等效為帶正電荷的準(zhǔn)粒子的
導(dǎo)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(dǎo)體中的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)電子與空穴。在本征半導(dǎo)體中,n=p??昭娮印?.4常見半導(dǎo)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(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系,即:
k空間中的一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)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(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用,使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),可以不涉及半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用。特別是有效質(zhì)量可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定,因而可以很方便地解決電子的運(yùn)動(dòng)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(fù)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(shí),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
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