復習-固體物理

1、聲子: 晶格振動是晶體中諸原子（離子）集體地在其平衡位置附近作振動，由于原子間的相互作用力，各個原子的振動不是彼此獨立的，表現(xiàn)為一系列的格波。格波的能量是量子化的，其最小單位也是hw，稱聲子，它是一種玻色子。聲子是格波能量變化的最小單位，它并不是那個原子所有，而是某個格波能量的變化單位。聲子的性質: (1)聲子是一種準粒子。(2)是一種自旋量子數(shù)為零的玻色子。(3)滿足動量守恒與能量守恒定律。(4)聲子間互相碰撞改變狀態(tài)、消滅、形成新的聲子。聲子與聲子的作用：產(chǎn)生或湮滅，倒過程，產(chǎn)生熱導與熱阻。熱傳導的產(chǎn)生：固體熱傳導的能量載體包括電子，聲子和光子。溫度高處聲子濃度大，聲子將以聲速往溫度低處運

2、動，這就是聲子導熱過程。由于晶格作非簡諧運動，聲子間會發(fā)生散射。倒格矢及其正格子的關系及其證明設倒格子的基矢為b1、b2、b3，倒格矢可表示為: 當?shù)垢褡踊竍j（j = 1，2，3）與正格子基矢ai（i= 1，2，3）之間符合以下關系 式（1.1.7）自然滿足。以ai為基矢的格子與bj為基矢的格子，互為正倒格子。晶體中缺陷的產(chǎn)生分類及其性質缺陷是引起晶體中周期性畸變的區(qū)域。缺陷的形成或消失，都是通過與其它的缺陷（如位錯、晶界、界面等）間相互作用來完成的，缺陷可以分為原子缺陷與電子缺陷兩大類。使晶體中電子周期性勢場畸變的稱電子缺陷；使原子排列周期性畸變的稱原子缺陷。根據(jù)原子缺陷的線度可分為：點

3、缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷、微缺陷、聲子布洛赫函數(shù)與布洛赫波及其性質u(k,r)應具有與晶格相同的周期性上式稱布洛赫函數(shù)或布洛赫波物理意義：電子可以在整個晶體中運動；不同點發(fā)現(xiàn)的幾率不同；電子出現(xiàn)在不同原胞的對應點上幾率是相同的，是晶體周期性的反映。布洛赫函數(shù)的狀態(tài)由波矢決定。布洛赫波性質這是一個調幅平面波。表明晶體中電子是公有化的：不同點發(fā)現(xiàn)的幾率不同；等同點或對稱點發(fā)現(xiàn)電子幾率相同。能帶的產(chǎn)生及其性質從能量的角度看，如果電子只有原子內運動（孤立原子情況），電子的能量取分立的能級；若電子只有共有化運動（自由電子情況），電子的能量連續(xù)取值。由于晶體中電子的運動介于自由電子與孤立原子之間，既有

4、共有化運動也有原子內運動，因此，電子的能量取值就表現(xiàn)為由能量的允帶和禁帶相間組成的能帶結構。能帶論是如何處理晶體中電子的運動的？能帶論在處理晶體中電子運動時采用了3大近似：絕熱近似、單電子近似以及周期性勢場近似。金屬、半導體和絕緣體的能帶結構及其特點滿帶中能級被電子占滿，對導電沒有貢獻，只有半滿帶才會做貢獻。金屬的導帶是半滿帶。對于絕緣體它的價帶是滿帶，而導帶是空帶，由于禁帶寬度太大了，以至于價帶電子不能夠激發(fā)到導帶上。絕緣體不能導電。半導體，在絕對零度時，價帶是滿帶，而導帶是空帶，不能導電，當外界條件（光照，熱激發(fā)等）改變時，半導體的禁帶寬度較小，可以把價帶頂?shù)碾娮蛹ぐl(fā)到導帶底，于是在導帶底

5、有了電子，價帶頂有了空穴，可參與導電。能帶圖如下：電阻的來源，主要的散射有哪些，有何特點實際晶體總是不完整的，點缺陷、位錯、雜質、晶界、表面，聲子、疇（電疇與磁疇）和應力，以及晶體中原子的熱運動，會使周期性勢場產(chǎn)生畸變，畸變的勢場對電子散射，形成電阻。玻爾茲曼方程的基本物理思想及應用條件Boltzmann方程就是從能帶結構出發(fā)，將碰撞的作用與分布函數(shù)相聯(lián)系，成為處理固體中輸運現(xiàn)象的出發(fā)點。玻爾茲曼方程是求解穩(wěn)定態(tài)下的分布函數(shù)，當求得后就可以對穩(wěn)定系統(tǒng)求各種物理量統(tǒng)計平均。玻爾茲曼方程應用條件：散射過程是局部的，并在空間某一點發(fā)生，故散射是局域的。在時間上也是局域的。散射非常弱，電場也比較弱?？?/p>

6、慮的尺度小于電子的平均時間的事件。傳導電子:金屬在外電場作用下，可以改變狀態(tài)的只是費米能級附近的電子，這些電子在金屬中可對電流作出貢獻的電子稱傳導電子。傳導電子分布特點：外加電場后分布函數(shù)為上式的物理意義是在外電場作用下分布函數(shù)是在原先的費米分布函數(shù)在沿著電場反方向發(fā)生一個整體的平移（Dk）。定性解釋金屬的電阻隨溫度變化實驗現(xiàn)象電導由載流子濃度和遷移率的乘積決定。在金屬中可以認為載流子濃度不隨溫度而變化，因此金屬的電導的改變主要由遷移率決定。根據(jù)馬德森規(guī)則，金屬的遷移率由晶格振動（聲子）與其它缺陷所決定，金屬的電阻率r可以表示為 r = rr+ri(T) 其中rr為電子與雜質等缺陷散射產(chǎn)生的電

7、阻，與溫度無關。在低溫下，當ri(T)非常小時，rr成為電阻的主要部分，一般稱為剩余電阻率。ri(T)為電子與聲子間的散射，與溫度有密切相關：對于結構完整的晶體，ri(T)總是存在， ri(T)稱為理想電阻率。當T > 0.5 TD時，聲子數(shù)正比于溫度,因此，金屬在高溫下電阻率同溫度成正比的關系。在很低的溫度，即T < 0.1TD，當T>>TD，U過程如電子被聲子q 所散射，導致電子從k 態(tài)到k態(tài)，能量守恒要求正常散射，N 過程倒逆散射，U過程散射使聲子傳播方向發(fā)生了倒轉，故稱為倒逆過程或U過程。電子-聲子散射的基本概念及物理圖像只考慮電子聲子相互作用，電子面對的不是靜

8、止晶格，都在與聲子相互作用中考慮。電阻就是聲子與電子的相互作用的散射機制;電子散射：電子從外場中吸收能量，受聲子散射，與晶格交換能量,與晶格相互作用，激發(fā)晶格振動聲子,電子通過這種形式，將能量傳遞給聲子；當然也可以反過來，電子從晶格中吸收能量。能量傳遞不是主要的，主要是通過改變動量，達到平衡時，形成穩(wěn)定電流本征、摻雜半導體的基本概念本征半導體中的電子是由價帶電子往導帶躍遷而來，故np。半導體和絕緣體都可以通過摻雜來提高其電導率。從能帶論的角度來看，雜質可能在禁帶內產(chǎn)生一系列的附加能級，有的離開導帶和價帶比較近的，稱淺能級；也有位于禁帶中間位置（離開價帶頂或導帶底比較遠）稱深能級。簡并半導體的能

9、帶特點簡并半導體：如果半導體的施主（受主）雜質濃度非常高，施主（受主）雜質的波函數(shù)發(fā)生明顯的重疊，能級分裂為能帶，并可能與導帶（價帶）發(fā)生重疊，這時費米能級也會進入導帶（價帶）。稱為簡并（degnerate）半導體。半導體的費米能級在禁帶中的位置可以通過摻雜來移動。當雜質濃度非常高時，就成為簡并半導體，費米能級可能進入導帶或價帶。非平衡載流子、準費米能級基本概念非平衡載流子是外界作用下才存在，外界因素消除后將逐步消失。產(chǎn)生非平衡載流子的方法：光照、注入、激子復合、從載流子本身來看，非平衡載流子與平衡載流子無太大區(qū)別。非平衡載流子是從數(shù)量上考慮的。非平衡載流子濃度隨時間按指數(shù)的衰減規(guī)律。非平衡載

10、流子復合過程大致可以分為兩種：直接復合。電子在導帶和價帶之間直接躍遷引起電子和空穴的直接復合；間接復合。電子和空穴通過禁帶的能級(復合中心)進行復合。根據(jù)復合的位置，又可區(qū)分為體內復合與表面復合兩種形式。載流子復合時，一定要釋放出多余的能量，放出能量的方式有三種：發(fā)射光子。伴隨著復合將有發(fā)光現(xiàn)象，常稱為發(fā)光復合；發(fā)射聲子。載流子將多余的能量傳給晶格，加強晶格振動；將能量給予其它載流子，增加它們的動能，稱為俄歇復合。準費米能級：在有非平衡載流子存在時，系統(tǒng)是一個穩(wěn)定狀態(tài)。從導帶（電子）和價帶（空穴）來看，是兩個子系統(tǒng)。引入準費米能級后，非平衡狀態(tài)下的載流子濃度也可以用與平衡載流子濃度類似的公式來

11、表示。非平衡載流子越多，準費米能級就偏離EF越遠。但是EnF及EpF偏離EF的程度是不同的強場下半導體載流子輸運有哪些效應、各有何特點和應用1.強電場下漂移速度的飽和：在強電場下，載流子的遷移率會偏離恒定值，漂移速度vd將不再與電場成正比，逐漸趨向飽和。2.熱載流子的產(chǎn)生：強電場下，電子從外場獲得的能量來不及交給晶格，使得它的能量不斷的增加，此時電子的溫度Te>T，這些電子就稱為熱電子。3.熱載流子對器件的影響：熱載流子為高速運動的粒子，所以能使器件的速度與工作頻率增加。熱電子通常能量高，它不再處于導帶底。由于它具有很高的能量，會產(chǎn)生對器件不利的影響：穿過柵極形成柵流；注入SiO2層被陷

12、形成空間電荷；打斷Si-O,Si-H鍵形成界面態(tài)。4.強電場下的能谷電子：在電場作用下，由于有效質量不同，不同能谷中的電子將受到不同的“加熱”。在多谷帶材料中，由于各等價谷的不等效加熱及等價谷間的電子轉移，可導致一些強電場現(xiàn)象。如遷移率各向異性，GaAs中的電子轉移效應。 6. 動量弛豫和能量弛豫 ：動量弛豫時間與能量弛豫時間對低能電子是一樣的。但對熱電子，通常能量弛豫時間大于動量弛豫時間。一般情況聲學聲子散射決定動量弛豫，對于能量弛豫來說，光學聲子散射起主要作用， 7. 漂移速度過沖：產(chǎn)生速度過沖的條件為：強電場； tE>>tm；渡越空間小。速度過沖帶來的優(yōu)點之一是縮短MOSFE

13、T的渡越時間。 表面、界面態(tài)，釘扎作用表面（界面）態(tài)是由于交界處周期性勢場的突然中斷或嚴重畸變、以及外來雜質在表面界面處的吸附或偏析而產(chǎn)生的附加的一些能級或能帶。在表面-體內平衡時，材料的體費米能級都是往表面（界面）態(tài)的費米靠攏，這種現(xiàn)象稱表面（界面）費米能級的釘扎（pinning）作用。當金-半的功函數(shù)不等時，平衡時的費米能級的位置，主要由 EFS來決定，半導體表面（金-半界面）的勢壘高度接近于表面勢壘f0，此現(xiàn)象稱表面（界面）費米能級的釘扎作用，又稱表面（界面）態(tài)的屏蔽作用。獲取歐姆接觸的方法金屬-半導體接觸時，當交界處的阻抗比半導體體內的串聯(lián)電阻小得多從而可以忽略時，這種接觸稱歐姆接觸。

14、與N-型半導體形成歐姆接觸的條件是：fm < fs，交界區(qū)就形成了一個電子積累區(qū)。與P-型半導體形成歐姆接觸的條件，為fm > fs，這時在交界區(qū)形成的是空穴積累區(qū)。接觸時即使?jié)M足fm < fs（EF m> EFs ）條件，電子要由金屬往半導體中流動，這些電子大都被表面界面態(tài)所接受，因而界面區(qū)并不存在什么積累區(qū)，而是有個高度為f0的勢壘，會產(chǎn)生明顯的接觸電阻。要減小接觸區(qū)接觸電阻的最有效方法就是削弱這個勢壘的作用。目前通常采用的以下兩種方法：1. 減薄勢壘，重摻雜形成N+或P+來制作歐姆接觸。2. 接觸區(qū)形成復合中心，經(jīng)常對一些樣品的表面進行打磨、噴沙等操作，形成了表面

15、損傷和晶格缺陷，這些都可以產(chǎn)生復合中心；焊料中的一些過渡金屬原子，在焊接過程中，擴散到材料的表面區(qū)形成多重能級，也能有效也起著復合中心的作用。對比導電機制的特點（直接隧穿、FN隧穿、肖特基發(fā)射、PF發(fā)射），注意物理圖像直接隧穿：電場使勢壘變窄，電子將發(fā)生隧穿效應。電子不用越過勢壘，可從費米能級直接穿透到半導體。FN隧穿: 電子從金屬的費米能級上的隧穿發(fā)射. 電流隨電場強度e增加作指數(shù)式的增加，而與溫度關系并不太大。 肖特基效應（發(fā)射）:如果存在外電場，它與電像力的共同作用下，能使勢壘降低。這種情況稱。在肖特基發(fā)射的機理中，電子仍需越過勢壘，不過勢壘的高度比沒有電場時低。電子的發(fā)射機理仍是熱電子

16、發(fā)射。故肖特基發(fā)射稱場助熱電子發(fā)射。PF發(fā)射:在比較高的溫度下，金屬中可能有相當數(shù)量的電子，被激發(fā)到費米能級之上，這些電子在進行隧穿時，遇到的勢壘寬度將會下降，電子的隧穿幾率增加，這時發(fā)射的電子，稱熱電子場致發(fā)射。空間電荷限電流（SCLC）的J-V關系特點及其轉變當材料完整性和純度十分高時，可以暫不考慮陷阱的影響。在小偏壓下，當熱載流子在外場作用下產(chǎn)生的漂移電流比莫特-古夸（child）電流大得多，電導以歐姆型為主，JV；當偏壓超過轉變電壓V時，電流主要是空間電荷限制電流，此時JV2。在本征半導體或絕緣體中，熱載流子都是比較小，故在較小電壓下就會產(chǎn)生空間電荷限制電流。有陷阱時I-V說明：當陷阱

17、為淺陷阱時，電壓逐漸增大，注入載流子濃度大于熱激發(fā)載流子濃度時，仍然會出現(xiàn)上述無陷阱規(guī)律中的轉變電壓，導電規(guī)律由歐姆導電規(guī)律變成空間電荷限制電流律。有陷阱存在時，當電壓繼續(xù)增大，如果將陷阱全部填滿，此時為陷阱填充限制壓電壓VTFL,電流就迅速從低的陷阱限制電流跳到高的無陷阱的空間電荷限制電流值。當陷阱為深陷阱時，全部注入的載流子將首先用于填充陷阱，在VTFL時全部陷阱都被填滿，因此也可以認為VTFL是開始從歐姆至空間電荷限制電導過渡電壓，即V。磁電子學基本概念磁致電阻效應：在通有電流的金屬或半導體上施加磁場時，其電阻值將發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象稱為磁致電阻效應。巨磁電阻效應：在一定磁場下電阻急劇

18、變化，其變化的幅度比通常磁性金屬、合金材料的磁電阻約高10余倍，稱為巨磁電阻效應介觀態(tài)基本概念特點介于宏觀與微觀的狀態(tài)稱介觀態(tài)。從尺寸上看，它可以是介于微米到納米的范圍。介觀系統(tǒng)的特點：粒子保持相位相干性，系統(tǒng)的線度小于位相相干長度；是微觀尺度的1001000倍，包含約1081011個微觀粒子；電子能級之間的距離與低溫（例如1K）下的kT的數(shù)量級相近。自平均的消失，樣品的個性表現(xiàn)出來。 通常出現(xiàn)是在低溫與高純度的樣品中?？捎秒妷海娏鞅砟軠y量出物質的量子效應！ 費米面波長：費米面附近的電子的德布羅意波長 。當系統(tǒng)的尺度接近費米波長時，粒子的量子漲落非常強；而當尺度遠大于費米波長時，粒子的量子漲

19、落相對較弱。這時，它的量子相干性很容易受到破壞。費米波長可用來表示特征長度。電子的平均自由程 ：從一個動量本征態(tài)被散射到另一個動量本征態(tài)之間的距離。其物理意義是：電子處于某個動量本征態(tài)的平均時間，即處在某一動量本征態(tài)的電子在被散射到另一動量本征態(tài)前所逗留的平均時間。位相相干長度:占據(jù)某一本征態(tài)的電子在完全失去位相相干前傳播的平均距離，由非彈性散射決定.相位相干長度反映了粒子動力學保持相位相干性的最大范圍。L就是電子的非彈性碰撞的自由程。介觀物理與納米物理的區(qū)別介觀態(tài)可作為納米科學的一個分支。差異：介觀態(tài)中會出現(xiàn)電子的波動性。而在一些納米材料中，電子的波動性并不十分明顯。介觀態(tài)中電子輸運的特殊現(xiàn)

20、象：固體中的AB效應、弱定域化、普適電導漲落、電導的非定域性、持續(xù)電流。普適電導漲落電導漲落的大小與樣品的維度、幾何形狀、長度（只要L）和平均電阻（即雜質的數(shù)量）無關或關系不大。其特征為與樣品物理參數(shù)幾乎無關，只要求樣品為介觀大小，并處于金屬區(qū)，就會出現(xiàn)。電導漲落具有普適性。到達某點的載流子在L尺度內保持著相位記憶，使電阻具有非定域性質。弱定域化：弱定域化是指在低溫條件下金屬中電子在彈性散射占主導時，電子在傳導途中由于限于閉合路徑但不形成穩(wěn)定定域態(tài)，仍能繼續(xù)參與導電，由于量子相干性，電子更愿意停留在原來的位置上，其可動性比高溫下要差，而使電導率減小、電阻增加的現(xiàn)象。量子阱的能帶特征在量子阱中，電子主要做二維運動，所以狀態(tài)密度D與能量E之間的關系是價梯狀的。比較量子阱、量子線、量子點電子狀態(tài)的特征？在量子阱中，電子主要做二維運動，所以狀態(tài)密度D與能量E之間的關系是價梯狀的量子線電子狀態(tài)特征：量子阱的y方向的厚度也減