第一章-半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)課件

半導(dǎo)體物理

第一章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)2013年9月1半導(dǎo)體物理

第一章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)2013年9月1第一章主要內(nèi)容半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴

Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)2第一章主要內(nèi)容半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)2第一章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)教學(xué)目標(biāo)半導(dǎo)體單晶材料中的電子狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律教學(xué)重點(diǎn)與要求掌握半導(dǎo)體中晶體結(jié)構(gòu)；理解半導(dǎo)體能帶理論；掌握半導(dǎo)體中的電子運(yùn)動(dòng)、有效質(zhì)量，本征半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu):電子-空穴；鍺、硅、砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)3第一章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)教學(xué)目標(biāo)半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)半導(dǎo)體電阻率獨(dú)特的溫度特性常被用來鑒別半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料的主要特點(diǎn)Pt,Hg,SiSi半導(dǎo)體材料具有一定的導(dǎo)電能力，電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間。純凈半導(dǎo)體材料中，電阻率隨溫度升高而指數(shù)減小；雜質(zhì)的種類和數(shù)量決定半導(dǎo)體的電阻率，且在摻雜情況下，溫度對(duì)電阻率影響較弱；光的輻照等可以改變半導(dǎo)體的電阻率?？梢酝ㄟ^簡(jiǎn)單可控方法調(diào)制其性質(zhì)半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體電阻率獨(dú)特的溫度特性常被用來4半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)常見半導(dǎo)體材料5半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)常見半導(dǎo)體材料5半導(dǎo)體材料的特性-單晶多晶非晶大多數(shù)半導(dǎo)體材料是固體，固體中的原子在結(jié)合形成固體時(shí)，排列的形式不同，其性質(zhì)也不同。單晶(Crystal)：原子排列具有三維長程有序，原子完全規(guī)則排列，每個(gè)原子周圍的情況相同，典型材料如單晶Si。多晶(Polycrystalline)：原子在局域空間內(nèi)有序排列，類似單晶，稱為晶粒；但在不同區(qū)域（晶粒，Grain）間又無序排列，如多晶硅等（長無序短有序）。非晶(Amorphous)：原子排列完全無序，如SiO2等。半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)6半導(dǎo)體材料的特性-單晶多晶非晶大多數(shù)半導(dǎo)體材料是固體，固體非晶體單晶體多晶體半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)半導(dǎo)體材料的特性-單晶多晶非晶7非晶體單晶體多晶體半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體材料的特性半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)→金剛石結(jié)構(gòu)周期性半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)8半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)→金剛石結(jié)構(gòu)周期性半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)四面體共價(jià)鍵：鍵角10928’sp3雜化軌道半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)金剛石結(jié)構(gòu)：Si、Ge9半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)四面體共價(jià)鍵：鍵角10928’半半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)金剛石結(jié)構(gòu)：Si,Ge位于不同位置的Si原子的性質(zhì)并不相同。周期性-

晶胞：能夠反映晶格對(duì)稱性的最小晶體結(jié)構(gòu)單元，稱為晶胞（UnitCell）。閃鋅礦結(jié)構(gòu)：III-V族化合物半導(dǎo)體材料，如GaAs由兩類異族原子各自組成的面心立方晶格套構(gòu)而成。10半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)金剛石結(jié)原子密度的計(jì)算：已知Si在300K時(shí)的晶格常數(shù)：a=0.5431nm求每立方厘米體積中的Si原子數(shù)目及常溫下的Si原子密度。半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)11原子密度的計(jì)算：半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和晶向周期性方向性原胞晶體的性質(zhì)具有方向性，沿不同方向、在不同的晶面，晶體性質(zhì)不同。通常采用指數(shù)來表征晶向和晶面。方括號(hào)[

]表示晶向圓括號(hào)（）表示晶面：密勒（Miller）指數(shù)（hkl）半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)晶向周期性方向性原胞晶體的性質(zhì)具有方向性，沿不同方向、在12半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)方向性-晶向半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)

[111]

[100]

[110]13半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)方向性-晶向半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)方向性–晶面半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)(100)↙(001)←(010)金剛石結(jié)構(gòu)在(100)面上的投影等效晶面{100}14半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)方向性–晶面半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)方向性–晶面半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)（110）（111）15半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)方向性–晶面半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)研究晶體的能帶，是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，應(yīng)該從哪里入手？原子的能級(jí)和晶體的能帶單原子：原子中的電子在原子核的勢(shì)場(chǎng)的作用下，分列在不同的能級(jí)上，形成所謂的電子殼層，不同的殼層的電子分別用1s,2s,2p,3s,3p,3d,...等符號(hào)表示。孤立原子中的電子狀態(tài)由下列量子數(shù)確定：n:主量子數(shù)，1，2，3，…l:軌道(角)量子數(shù)，0，1，2，（n－1）ml:磁量子數(shù)，0，±1，±2，±3，…,±lms:自旋磁量子數(shù)，±1/2單原子軌道圖孤立原子中的電子能級(jí)是量子化的能量最低原理泡利不相容原理原子的能級(jí)和晶體的能帶16半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)研究晶體的能帶，是一個(gè)非常復(fù)雜的問原子的能級(jí)和晶體的能帶孤立原子的能級(jí)原子的能級(jí)圖每一支殼層對(duì)應(yīng)于確定的能量。半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)原子軌道原子能級(jí)17原子的能級(jí)和晶體的能帶孤立原子的能級(jí)原子的能級(jí)圖每一支殼層對(duì)電子的共有化運(yùn)動(dòng)2p3s半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)電子的共有化運(yùn)動(dòng)：電子可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上；只能在相似殼層間轉(zhuǎn)移；最外層電子的共有化運(yùn)動(dòng)最顯著電子的共有化運(yùn)動(dòng)18電子的共有化運(yùn)動(dòng)2p3s半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)電子的共有電子的共有化運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)19電子的共有化運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)19能級(jí)分裂：當(dāng)原子周期性排列形成晶體互相靠近時(shí)，每一個(gè)能級(jí)都分裂為很多彼此相距很近的能級(jí)，形成能帶半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)原子的能級(jí)和晶體的能帶20能級(jí)分裂：當(dāng)原子周期性排列形成晶體互相靠近時(shí)，每一個(gè)能級(jí)都分原子間距2sE原子間距2sEr02p2p2s2s2p孤立原子中的能級(jí)晶體中的能帶N個(gè)能級(jí)3N個(gè)能級(jí)允帶禁帶能級(jí)分裂形成能帶r0能帶的形成

電子的共有化運(yùn)動(dòng)是能帶理論的基礎(chǔ)，能帶的形成是電子共有化運(yùn)動(dòng)的必然結(jié)果原子的能級(jí)和晶體的能帶21原子間距2sE原子間距2sEr02p2p2s2s2p孤立原子允帶、禁帶的形成允帶{{禁帶{禁帶dps內(nèi)層電子共有化運(yùn)動(dòng)弱，能級(jí)分裂小，能帶窄；外殼層電子共有化運(yùn)動(dòng)顯著，能帶寬。22允帶、禁帶的形成允帶{{禁帶{禁帶dps內(nèi)層電子共有化運(yùn)動(dòng)由于電子的共有化運(yùn)動(dòng)加劇,原子的能級(jí)分裂亦加顯著:

sN個(gè)子帶

p3N個(gè)子帶

出現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)單晶Si的原子存在軌道雜化現(xiàn)象。何謂軌道雜化？軌道雜化：原子在成鍵時(shí)受到其他原子的作用，原有一些能量較近的原子軌道重新組合成新的原子軌道，使軌道發(fā)揮更高的成鍵效能，這叫做軌道雜化。半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)原子的能級(jí)和晶體的能帶23由于電子的共有化運(yùn)動(dòng)加劇,原子的能級(jí)分裂亦加顯著:

單晶S分裂的能級(jí)數(shù)需要計(jì)入原子本身的簡(jiǎn)并度s能級(jí)N個(gè)能級(jí)p能級(jí)3N個(gè)能級(jí)d能級(jí)5N個(gè)能級(jí)能帶中能量不連續(xù)每個(gè)能帶中的能級(jí)數(shù)目與晶體中的原子數(shù)有關(guān)能帶的寬窄由晶體的性質(zhì)決定,與所含的原子數(shù)無關(guān)注意：24分裂的能級(jí)數(shù)需要計(jì)入原子本身的簡(jiǎn)并度注意：24金剛石結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶形成Si電子組態(tài)是1s22s22p63s23p2原子間距0r0r13N3p3sNEg2N2N4N滿帶即價(jià)帶空帶即導(dǎo)帶sp3雜化半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)25金剛石結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶形成Si電子組態(tài)是1s22s22p6金剛石型結(jié)構(gòu)價(jià)電子的能帶半導(dǎo)體Si、Ge:對(duì)于由N個(gè)原子組成的晶體:共有4N個(gè)價(jià)電子，由于軌道雜化，價(jià)電子形成的能帶如下半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)滿帶，即價(jià)帶ValenceBand

空帶，即導(dǎo)帶ConductionBand

26金剛石型結(jié)構(gòu)價(jià)電子的能帶半導(dǎo)體Si、Ge:對(duì)于由N個(gè)原子組小結(jié)單晶硅晶體的周期性和方向性電子的共有化運(yùn)動(dòng)軌道雜化能帶的形成導(dǎo)帶和價(jià)帶半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)27小結(jié)單晶硅晶體的周期性和方向性半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)2量子力學(xué)(QuantumMechanics)：是研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，它主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論，它與相對(duì)論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。量子：在微觀領(lǐng)域中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進(jìn)行，而不是連續(xù)的。這個(gè)最小的單位叫量子。（一份一份的）半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)研究半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)，是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，應(yīng)該從哪里入手？單電子近似（Singleelectronapproximation）半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶28量子力學(xué)(QuantumMechanics)：是研究微觀粒半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)微觀粒子具有波粒二象性，表征波動(dòng)性的量和表征粒子性的量之間有一定的聯(lián)系。對(duì)于一個(gè)質(zhì)量為M0，速度為V的自由電子，表征波動(dòng)性的量：表征粒子性的量：將表征波動(dòng)性的量和粒子性的量聯(lián)系起來，則有：

自由電子的E~k關(guān)系29半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)微觀粒子具求解一維條件下晶體中電子的薛定諤方程，可以得到下圖所示的晶體中電子的E(k)-k關(guān)系：

(a)E(k)-k/2關(guān)系(b)能帶(c)第一布里淵區(qū)

晶體中電子的E(k)-k關(guān)系半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)30求解一維條件下晶體中電子的薛定諤方程，可以得到下圖所示的晶體kE0/a-2/a3/a-/a2/a-3/a第1第2第2第3第3布里淵區(qū)允帶允帶允帶禁帶禁帶kE簡(jiǎn)約布里淵區(qū)/a-/a0簡(jiǎn)約波矢布里淵區(qū)與能帶半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶31kE0/a-2/a3/a-/a2半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)E(k)-k能量不連續(xù)，形成一系列相間的允帶和禁帶。允帶的k值位于下列幾個(gè)稱為布里淵區(qū)的區(qū)域中第一布里淵區(qū)－/a<k</a第二布里淵區(qū)－2/a<k<-/a，/a<k<2/a第三布里淵區(qū)－3/a<k<-2/a，2/a<k<3/a……第一布里淵區(qū)稱為簡(jiǎn)約布里淵區(qū)，相應(yīng)的波矢稱為簡(jiǎn)約波矢

32半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)E(k)-允帶和禁帶晶體中的電子能量并不是可以取任意值,有些能量是禁止的.允帶以禁帶分隔,禁帶出現(xiàn)在布里淵區(qū)邊界一個(gè)k值——對(duì)應(yīng)一個(gè)能級(jí) 布里淵區(qū)——對(duì)應(yīng)一個(gè)能帶第一布里淵區(qū),對(duì)應(yīng)內(nèi)殼層分裂的能級(jí)能量第二布里淵區(qū),對(duì)應(yīng)較高殼層的能級(jí)能量簡(jiǎn)約布里淵區(qū)將其他區(qū)域平移n2/a移動(dòng)至第一布里淵區(qū)，這時(shí)第一布里淵區(qū)稱為簡(jiǎn)約布里淵區(qū)這一區(qū)域的波矢k稱為簡(jiǎn)約波矢半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)33允帶和禁帶半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)布里淵區(qū)固體的能帶理論中，各種電子態(tài)按照它們波矢的分類。在波矢空間中取某一倒易陣點(diǎn)為原點(diǎn)，作所有倒易點(diǎn)陣矢量的垂直平分面，這些面波矢空間劃分為一系列的區(qū)域：其中最靠近原點(diǎn)的一組面所圍的閉合區(qū)稱為第一布里淵區(qū)；在第一布里淵區(qū)之外，由于一組平面所包圍的波矢區(qū)叫第二布里淵區(qū)；依次類推可得第三、四、…等布里淵區(qū)。各布里淵區(qū)體積相等，都等于倒易點(diǎn)陣的元胞體積。周期結(jié)構(gòu)中的一切波在布里淵區(qū)界面上產(chǎn)生布喇格反射,對(duì)于電子德布羅意波,這一反射可能使電子能量在布里淵區(qū)界面上（即倒易點(diǎn)陣矢量的中垂面）產(chǎn)生不連續(xù)變化。根據(jù)這一特點(diǎn),1930年L.-N.布里淵首先提出用倒易點(diǎn)陣矢量的中垂面來劃分波矢空間的區(qū)域，從此被稱為布里淵區(qū)。34布里淵區(qū)固體的能帶理論中，各種電子態(tài)按照它們波矢的分類。在波布里淵區(qū)的作法35布里淵區(qū)的作法35絕緣體EcEv導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶36絕緣體EcEv導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶半導(dǎo)體的晶導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半滿帶價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶滿帶(價(jià)帶)禁帶絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體價(jià)帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導(dǎo)帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差能帶示意圖37導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中EgEcEv電子能量EgEcEv絕緣體的能帶寬度：6~7ev半導(dǎo)體的能帶寬度：1~3ev常溫下：

Si：Eg=1.12evGe:Eg=0.67evGaAs:Eg=1.43ev能帶圖半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶38EgEcEv電子能量EgEcEv絕緣體的能帶寬度：6~7ev半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量半導(dǎo)體中E（k）與k的關(guān)系

半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)39半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量半導(dǎo)體中E（k）與k的關(guān)系

mn*：有效質(zhì)量問題：對(duì)于能帶底的情形，mn*是正還是負(fù)值？能帶底電子的有效質(zhì)量是正值半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)40半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)40半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)41半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)41半導(dǎo)體中電子的平均速度半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)42半導(dǎo)體中電子的平均速度半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)42半導(dǎo)體中電子的加速度半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)43半導(dǎo)體中電子的加速度半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)43半導(dǎo)體中電子的加速度半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)44半導(dǎo)體中電子的加速度半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)44半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)有效質(zhì)量的意義45半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)有效質(zhì)量的意義45m*的特點(diǎn)1.決定于材料2.與能帶的寬窄有關(guān)內(nèi)層:帶窄,小,m*大:外層:帶寬,大,m*小.外層電子，在外力作用下可以獲得較大的加速度。>0,m*>0。<0,m*<0。能帶底，電子的m*>0;能帶頂，電子的m*<0;3.m*有正負(fù)之分當(dāng)E(k)曲線開口向上時(shí),當(dāng)E(k)曲線開口向下時(shí),有效質(zhì)量半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)46m*的特點(diǎn)1.決定于材料2.與能帶的寬窄有關(guān)內(nèi)層:帶窄,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)1.滿帶對(duì)電流無貢獻(xiàn)2.不滿帶對(duì)電流有貢獻(xiàn)不滿帶中的電子電流滿帶：電子數(shù)=狀態(tài)數(shù)不滿帶：價(jià)帶：產(chǎn)生空狀態(tài)導(dǎo)帶：存在電子SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi－+導(dǎo)帶價(jià)帶EgEcEv++++－－－－激發(fā)47本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)1.滿帶半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)48第一章-半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)ppt課件49第一章-半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)ppt課件50第一章-半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)ppt課件51第一章-半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)ppt課件52半導(dǎo)體中的載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ与娮樱簬ж?fù)電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：帶正電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶中的電子空位半導(dǎo)體中的載流子：電子：帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子535454將一半導(dǎo)體樣品放在一均勻恒定的磁場(chǎng)B中,電子在磁場(chǎng)中作螺旋運(yùn)動(dòng),它的回旋頻率ωc與有效質(zhì)量(對(duì)于球形等能面)的關(guān)系為:回旋共振以電磁波通過半導(dǎo)體樣品，當(dāng)交變電磁場(chǎng)角頻率ω等于回旋頻率ωc時(shí)，就發(fā)生共振吸收。測(cè)出共振吸收時(shí)的電磁波角頻率ω和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，就可以算出有效質(zhì)量。半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)55將一半導(dǎo)體樣品放在一均勻恒定的磁場(chǎng)B中,電子在磁場(chǎng)中作螺旋運(yùn)5656二.

元素半導(dǎo)體Si、Ge金剛石結(jié)構(gòu)Si:a=5.65754?Ge:a=5.43089?半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)Si.Ge.GaAs半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)化合物半導(dǎo)體GaAs閃鋅礦結(jié)構(gòu)GaAs:a=5.65325?二.元素半導(dǎo)體Si、Ge金剛石結(jié)構(gòu)Si:a=5.65757導(dǎo)帶價(jià)帶[100][111]ΓLX硅的能帶結(jié)構(gòu)Eg間接帶隙元素半導(dǎo)體Si半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、Ge、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)小結(jié)Si.Ge.GaAs半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)58導(dǎo)帶價(jià)帶[100][111]ΓLX硅的能帶結(jié)構(gòu)Eg間接帶隙元硅導(dǎo)帶等能面示意圖極小值點(diǎn)k0在坐標(biāo)軸[100]上。共有6個(gè)形狀一樣的旋轉(zhuǎn)橢球等能面(1)導(dǎo)帶ABCD半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴Si、G