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半导体中电子的状态和能带

半导体中的电子状态. 半导体的晶格结构和结合性质. 半导体中电子的状态和能带. 导体、半导体、绝缘体的能带. 半导体中电子的运动. 1 、半导体的晶格结构和结合性质. (1) 晶体分类. 单晶体：由大量原子周期重复排列而成晶体 非晶体：由大量原子杂乱堆积而成的晶体 多晶体：宏观表现为非晶体，某些微观区域表现为单晶体. (2) 半导体的晶体结构. 金刚石型结构：有同一元素组成、每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成正四面体结构， Si 、 Ge 。 结晶学原胞（晶胞）：立方对称. 1 、半导体的晶格结构和结合性质. (2) 半导体的晶体结构.

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Presentation Transcript

  1. 半导体中的电子状态 • 半导体的晶格结构和结合性质 • 半导体中电子的状态和能带 • 导体、半导体、绝缘体的能带 • 半导体中电子的运动

  2. 1、半导体的晶格结构和结合性质 (1) 晶体分类 • 单晶体：由大量原子周期重复排列而成晶体 • 非晶体：由大量原子杂乱堆积而成的晶体 • 多晶体：宏观表现为非晶体，某些微观区域表现为单晶体 (2) 半导体的晶体结构 金刚石型结构：有同一元素组成、每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成正四面体结构， Si、Ge。 结晶学原胞（晶胞）：立方对称

  3. 1、半导体的晶格结构和结合性质 (2) 半导体的晶体结构 闪锌矿型结构：由不同元素组成、每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成正四面体结构。 晶胞：立方对称，GaAs 纤锌矿型结构：正四面体结构组成。晶胞：六方对称，GaN

  4. 1、半导体的晶格结构和结合性质 (3) 晶格常数 晶格常数：晶胞的边长。a、b、c 金刚石型和闪锌矿型：a 纤锌矿型:a, c 晶格常数一般在几个埃量级 硅:0.543nm, 晶胞体积a3= 0.16 nm3, 每立方厘米中的晶胞数: 1×1021nm3/0.16 nm3=6.25×1021nm 每个晶胞含有8个原子, 硅的原子密度：5.0×1022个/cm3 锗：0.5657nm， 锗的原子密度：4.42×1022个/cm3

  5. 2、半导体中的电子状态和能带 (1) 自由电子的状态:具有波粒二象性 一个质量为m0，速度为v的自由电子 动量：P=m0v (1) 能量：E=1/2·P2/m0 (2) 自由电子能量和动量的波动性表述： 能量：E=hν (3) 动量：P=hk (4) k=1/λ 式(4)代入(1) (2) ，得： 速度：v=hk/m0 能量：E=h2k2/2m0 自由电子E和k的关系 对于波矢为k的运动状态，自由电子的能量为E，动量p，速度 v均有确定的值。自由电子的E与k的曲线关系呈抛物线形状。K连续变化，自由电子的能量是连续变化的。

  6. 2、半导体中的电子状态和能带 (2)孤立原子中的电子状态： • 孤立原子中的电子状态：电子只能处于某些孤立的能级上。 (3)晶体中的电子状态： • 晶体中的电子状态：与孤立原子中的电子不同，也和自由电子不同。

  7. 2、半导体中的电子状态和能带 能带 简约布里渊区 E和k的关系 (3)晶体中的电子状态： 布里渊区与能带：

  8. 2、半导体中的电子状态和能带 晶体的能带 孤立原子的能级 • 自由电子的状态：自由电子的能量是连续变化的 • 可以处于任意能量状态 • 孤立原子中的电子状态：电子只能处于某些孤立 • 的能级上。 • 晶体中的电子状态：晶体中电子的能量状态可用 • 能带来表示。晶体的能带是由一系列的允带 • 和禁带组成，电子只能存在于允带中。

  9. 3、导体、半导体、绝缘体的能带 导体、半导体、绝缘体的电学性能区别可以用电子填充能带的情况来解释。 导电性：能带中有电子，并有空的能级。 导体：价带充满电子，导带有大量电子（半满带） 绝缘体与半导体的区别：禁带宽度大小 导体：自由电子导电。半导体：自由电子和自由空穴导电。

  10. 3、导体、半导体、绝缘体的能带 半导体的导电机制：（1）自由电子导电；（2）自由空穴导电 本征激发：价带电子被激发成为导带电子的过程，自由电子和 自由空穴成对出现。

  11. 4、半导体中电子的运动 (1) 电子和空穴的有效质量 m*n：电子有效质量； m*p：空穴有效质量 1/m*n=1/h2·（d2E/dk2） （1-21） 1/m*p= -1/h2·（d2E/dk2） (2) 半导体中载流子的运动速度 自由电子运动速度：v=hk/m0 P= hk 半导体中自由电子的运动速度：v=hk/ m*n （1-27） 半导体中自由空穴的运动速度：v= hk/ m*p (3) 半导体中载流子的加速度 自由电子：f= -q|E| ； a= f/m0=-q|E|/ m0 半导体中自由电子： a= f/m*n=-q|E|/ m*n （1-34） 半导体中自由空穴：a= q|E|/ m*p

  12. 4、半导体中电子的运动 (4)直接带隙半导体与间接带隙半导体 自由电子E（k）与k的关系： E=h2k2/2m0（1-11） 抛物线型 半导体中能带顶或能带底部E（k）与k的关系： E(k)- E(0)=h2k2/2m*n（1-24） (5)禁带宽度随温度的变化 Eg（T）=Eg（0）-αT2/（T+β） （1-66） 温度系数： 硅：α=4.73×10-4eV/K; β:636K 锗：α=4.774×10-4eV/K; β:235K 温度升高, Eg 减小

  13. 4、半导体中电子的运动 (6)半导体中E（k）与k的关系 • 直接带隙半导体：导带最低能量波矢与价带最高能量波矢相同。 • 间接带隙半导体：导带最低能量波矢与价带最高能量波矢不同。 (7)Ⅲ-Ⅴ化合物半导体能带结构 锑化铟的能带结构:价带包含三个能带:重空穴带V1;轻空穴带V2,自旋-轨道耦合能带V3 带隙：InN:0.7eV; GaN:3.4eV; AlN:6.2eV

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