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1第一章半导体中的电子状态

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半导体物理

半导体物理

半导体物理思考题第一章半导体中的电子状态1、为什么内壳层电子能带窄，外层电子能带宽？答：内层电子处于低能态，外层电子处于高能态，所以外层电子的共有化运动能力强，因此能带宽。

（原子的内层电子受到原子核的束缚较大，与外层电子相比，它们的势垒强度较大。

）2、为什么点阵间隔越小，能带越宽？答：点阵间隔越小，电子共有化运动能力越强，能带也就越宽。

3、简述半导体的导电机构答：导带中的电子和价带中的空穴都参与导电。

4、什么是本征半导体、n型半导体、p型半导体？答：纯净晶体结构的半导体称为本征半导体；自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体称为n型半导体；空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体称为p型半导体。

5、什么是空穴？电子和空穴的异同之处是什么？答：（1）在电子脱离价键的束缚而成为自由电子后，价键中所留下的空位叫空穴。

（2）相同点：在真实空间的位置不确定；运动速度一样；数量一致(成对出现)。

不同点：有效质量互为相反数；能量符号相反；电子带负电，空穴带正电。

6、为什么发光器件多半采用直接带隙半导体来制作？答：直接带隙半导体中载流子的寿命很短，同时，电子和空穴只要一相遇就会发生复合，这种直接复合可以把能量几乎全部以光的形式放出，因此发光效率高。

7、半导体的五大基本特性答：(1)负电阻温度效应：温度升高，电阻减小。

(2)光电导效应：由辐射引起的被照射材料的电导率改变的现象。

(3)整流效应：加正向电压时，导通；加反向电压时，不导通。

(4)光生伏特效应：半导体和金属接触时，在光照射下产生电动势。

(5)霍尔效应：通有电流的导体在磁场中受力的作用，在垂直于电流和磁场的方向产生电动势的现象。

第二章半导体中杂质和缺陷能级1、简述实际半导体中杂质与缺陷来源。

答：①原材料纯度不够；②制造过程中引入；③人为控制掺杂。

2、什么是点缺陷、线缺陷、面缺陷？答：（1）点缺陷：三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷；（2）线缺陷：三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方向上尺寸较大的缺陷；（3）面缺陷：二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。

1.半导体物理：半导体中的电子状态

1.半导体物理：半导体中的电子状态

纤锌矿型结构
由两类原子各自组成的六方排列的双原子层 堆积而成，它的(001) 面规则地按ABABA… 顺序堆积
纤维锌矿结构： ZnO、GaN、AlN、ZnS、ZnTe、CdS、CdTe…
4. 氯化钠型结构
特点： ①两个面心立方（不同的离子构成）沿棱方向平
移1/2周期套构而成。 ②离子性强。
③硫化铅、硒化铅、碲化铅等。
十四种布喇菲格子
三斜：简单 单斜：简单，底心 正交：简单，体心，面心，底心 四方：简单，体心 六角：简单 三角：简单 立方：简单，体心，面心
14 Bravais Lattices
❖ Triclinic：simple ❖ Monoclinic：simple，side-centered ❖ Orthorhombic：simple，body-centered，face-
centered，side-centered ❖ Tetragonal：simple，body-centered ❖Hexagonal ：simple ❖Trigonal ：simple ❖ Cubic：simple(sc)，body-centered(bcc)，face-
centered(fcc)
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结 构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型 呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。 是世上最薄、最坚硬、电阻率最小的纳米材料。 石墨烯有望取代硅，制作纳米级高速晶体管等电子器件。
1. 金刚石型结构和共价键
许多材料的晶格结构与金刚石相同， 故称为金刚石结构
特点： ① 两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线平移1/4空间对
角线套构而成。 ② sp3杂化轨道为基础形成正四面体结构，夹角109º28´。 ③ 固体物理学原胞（包含两个原子）和面心立方晶格（包

半导体物理-第1章-半导体中的电子态

半导体物理-第1章-半导体中的电子态
4. (111)面的堆积与面心立方的密堆积类 似，但其正四面体的中心有一个原子，面 心立方的中心没有原子。
金刚石结构的(111) 面层包含了套构的原 子，形成了双原子层 的A层。以双原子层的 形式按ABCABC层排 列
金刚石结构的[100]面的投 影。0和1/2表示面心立方 晶格上的原子，1/4，3/4 表示沿晶体对角线位移1/4 的另一个面心立方晶格上的 原子。
2.每个原子最外层价电子为一个s态电子和三个p态电 子。在与相邻四个原子结合时，四个共用的电子对完全 等价，难以区分出s与p态电子，因而人们提出了“杂 化轨道”的概念：一个s和三个p轨道形成了能量相同 的sp3杂化轨道。之间的夹角均为109°28 ’。
3. 结晶学元胞为立方对 称的晶胞，可看作是两 个面心立方晶胞沿立方 体的空间对角线互相位 移了1/4对角线长度套 构而成。
Ψ(r,t) = Aexp[i2π(k ·r – v t)]
(3)
其中k 为波矢，大小等于波长倒数1/λ ，方
向与波面法线平行，即波的传播方向。得
能量：E = hν
动量：p = hk
（4） （5）
对自由电子，势能为零，故薛定谔方程为：
2
2m0
d 2 (x)
dx2
E (x)
(6)
由于无边界条件限制，故k取值可连续变化。即：与经 典物理（粒子性）得出相同结论。
能带形成的另一种情况
硅、锗外壳层有4个价电子，形成晶体时，产生SP杂化 轨道。原子间可能先进行轨道杂化（形成成键态和反键 态），再分裂成能带。
原子能级
反成键态
成键态
半导体（硅、锗）能带的特点
存在轨道杂化，失去能带与孤立原子能级的对应关系。 杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导 带，下能带称为价带。

西北大学 半导体物理课件01

西北大学 半导体物理课件01

E
B
C -K V D2 K D1 0 K K
三、电子的加速度
可以推出，在外力作用下，晶体中电子的运动规律为：
a=
这正是牛顿第二定律的形式。
1 ⋅f ∗ m
�
引入有效质量这一概念的意义在于：它概括了晶体内部势场对电子的作
用，使得在解决晶体或半导体中电子在外力作用夏的运动规律时，可以不涉 及到内部势场对电子的作用，而直接按照牛顿第二定律由外力求出电子的加 速度。
三、半导体中电子的状态和能带
2、晶体中电子的运动状态——布洛赫波
晶体中作共有化运动的电子，要受到周期性势场V(x)的作用，其薛定谔方程 （一维）为： h 2 d 2ψ (x)
2m 0 dx 2 + V(x)ψ (x) = Eψ (x)
布洛赫已经证明，该方程的解为： ψ k (x) = e 称为布洛赫函数，或布洛赫波。
二、回旋共振的原理
等能面是球面时，有效质量各向同性，只能观察到一个吸收峰，且其 位置与
B 的方向无关。
但等能面为椭球面时，吸收峰与
B 的方向有关：
设 B 相对于椭球主轴的方向余弦分别为 α , β , γ ，即 B = (α i + β j + γ k ) B ， 式中 i, j, k分别为沿主轴方向的单位矢量。最后可解得电子的回旋共振频率：
N =3 + N =2 N =1 原子间距逐渐减小
允 带 禁 带 允 带 禁 带 允 带
原子外壳层交叠的程度最大，共有化运动显著，能级分裂的很厉害，能带很宽； 原子内壳层交叠程度小，共有化运动很弱，能级分裂的很小，能带很窄。
二、晶体中能带的形成
3、能带重组（轨道杂化）
以硅为例：
空 带 （导 带 ） 4N个 态 满 带 （价 带 ） 4N个 态 4N个 电 子 8N个 态 2N个 电 子 6N个 态 3p2 3s2 外壳层

半导体物理第1章 半导体中的电子状态

半导体物理第1章 半导体中的电子状态
作用很强，在晶体中电子在理想的周期势场内 作共有化运动 。
能带成因
当N个原子彼此靠近时，根据不相容原理 ，原来分属于N个原子的相同的价电子能 级必然分裂成属于整个晶体的N个能量稍 有差别的能带。
S i1 4 :1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 2
能带特点
分裂的每一个能带称为允带，允带间的能量范 围称为禁带
一.能带论的定性叙述 1.孤立原子中的电子状态
主量子数n:1,2,3,…… 角量子数 l：0，1，2，…（n－1）
s, p, d, ... 磁量子数 ml：0，±1，±2，…±l 自旋量子数ms：±1/2
n1
主量子数n确定后：n= 2(2l 1) 2n2 0
能带模型：
孤立原子、电子有确定的能级结构。 在固体中则不同，由于原子之间距离很近，相互
Ⅲ-Ⅴ族化合物，如 G a A S , I n P 等 部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞
等半金属材料。
1.1.3 纤锌矿型结构
与闪锌矿型结构相比 相同点 以正四面体结构为基础构成 区别 具有六方对称性，而非立方对称性 共价键的离子性更强
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.1原子的能级和晶体的能带
1.3半导体中电子的运动——有效质量
1.3.1半导体中的E(k)与k的关系 设能带底位于波数k，将E(k)在k=0处按
泰勒级数展开，取至k2项，可得
E (k)E (0 )(d d E k)k 0k1 2(d d k 2E 2)k 0k2
由于k=0时能量极小，所以一阶导数为0，有
E(k)E(0)1 2(d d2E 2k)k0k2
1.1.2 闪锌矿型结构和混合键
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 结晶学原胞结构特点 两类原子各自组成的面心立方晶格，沿

半导体物理学 第一章__半导体中的电子状态

半导体物理学 第一章__半导体中的电子状态

The End of Preface
第一章 半导体中的电子状态
主要内容：
1.1 半导体的晶格结构和结合性质 1.2半导体中电子状态和能带 1.3半导体中电子运动－－有效质量 1.4 本征半导体的导电机构－－空穴 1.5 常见半导体的能带结构 （共计八学时）
本章重点：
*重 点 之 一:Ge、Si 和GaAs的晶体结构
晶体结构周期性的函数 uk (x) 的乘积。
分布几率是晶格的周期函数，但对每个原胞的
相应位置，电子的分布几率一样的。 波矢k描述晶体中电子的共有化运动状态。
它是按照晶格的周期 a 调幅的行波。
这在物理上反映了晶体中的电子既有共有化的 倾向，又有受到周期地排列的离子的束缚的特点。
只有在 uk (x) 等于常数时，在周期场中运动的 电子的波函数才完全变为自由电子的波函数。
硅基应变异质结构材料一维量子线零维量子点基于量子尺寸效应量子干涉效应量子隧穿效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造通过能带工程实施的新型半导体材料是新一代量子器件的基宽带隙半导体材料宽带隙半导体材料主要指的是金刚石iii族氮化物碳化硅立方氮化硼以及iivi族硫锡碲化物氧化物zno等及固溶体等特别是sicgan和金刚石薄膜等材料因具有高热导率高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点成为研制高频大功率耐高温抗辐射半导体微电子器件和电路的理想材料在通信汽车航空航天石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景
(1)元素半导体晶体
Si、Ge、Se 等元素
(2)化合物半导体及固溶体半导体
SiC
AsSe3、AsTe3、 AsS3、SbS3
Ⅳ-Ⅳ族
Ⅴ-Ⅵ族
化合物 半导体
InP、GaN、 GaAs、InSb、

半导体物理课件：第一章 半导体中的电子状态

半导体物理课件：第一章 半导体中的电子状态

14
1.1 半导体的晶格结构和结合性质
4. 闪锌矿结构和混合键
与金刚石结构的区别
▪ 共价键具有一定的极性 （两类原子的电负性不 同），因此晶体不同晶面 的性质不同。
▪ 不同双原子复式晶格。
常见闪锌矿结构半导体材料 ▪ Ⅲ-Ⅴ族化合物 ▪ 部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞等半金属材料。
2024/1/4
量子力学认为微观粒子（如电子）的运动须用波 函数来描述，经典意义上的轨道实质上是电子出 现几率最大的地方。电子的状态可用四个量子数 表示。 （主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数）
▪ 能级存在简并
2024/1/4
19
1.2 半导体中的电子状态和能带
▪ 电子共有化运动
原子中的电子在原子核的势场和其它电子的作用 下，分列在不同的能级上，形成所谓电子壳层 不同支壳层的电子分别用 1s;2s,2p;3s,3p,3d;4s…等符号表示，每一壳层对 应于确定的能量。
29
1.2 半导体中的电子状态和能带
▪ 金刚石结构的第一布里渊区是一个十四面体。
2024/1/4
30
1.2 半导体中的电子状态和能带
3. 导体、半导体、绝缘体的能带
能带产生的原因：
▪ 定性理论（物理概念）：晶体中原子之间的相 互作用，使能级分裂形成能带。
▪ 定量理论（量子力学计算）：电子在周期场中 运动，其能量不连续形成能带。
•结果每个二度简并的能级都分裂为二个彼此相距 很近的能级；两个原子靠得越近，分裂得越厉害。
2024/1/4
22
1.2 半导体中的电子状态和能带
▪ 内壳层的电子，轨道交叠少，共有化运动弱，可忽略 ▪ 外层的价电子，轨道交叠多，共有化运动强，能级分

第一章-半导体中的电子态

第一章-半导体中的电子态
E ; p k
36
1、自由电子波函数和能量
E 2k2 2m0
自由电子能量与波矢的关系图
37
2、晶体中电子的波函数和能量
2、晶体中电子的波函数和能量
3、布里渊区和能带
E-k关系 晶体中电子处在不同的k状态,具有不同的能量E(k) 由于周期势场的微扰,在布里渊区边界处,能量出现不连
续,形成能带.
1.1.2 闪锌矿型结构与混合键
思考: 左图的一个晶胞包含几个原子?几个第III族原子?几个第V族原子?
14
1.1.3 纤锌矿结构 （Wurtzite structure）
II-VI族化合物、电负性差异较大的III-V化合物通常属于纤锌矿结构。 属六方晶系，AB型共价键晶体，其中A原子作六方密堆积（堆
d＝内d找xd到yd粒z子
的概率，则：
dW x, y, z,t CΨ x, y, z,t2 d
32
薛定谔方程
薛定谔方程
i
(r,t) [
2
2 V (r )] (r ,t)
t
2
拉普拉斯算符
2＝ 2 2 2 x2 y 2 z 2
薛定谔方程描述在势场 U(r)中粒子状态随时间的变化，也称微观粒子 波动方程。只要知道势场的具体形式就可求解该方程得到粒子波函数的 具体形式，从而得出粒子的运动状态和能量状态。
m m 由于价带顶的 * 0,因此 * 0
n
p
61
未满导带
对于不满带，只有部 分电子状态电子占据， 电子可以在电场的作 用跃迁到能量较高的 空状态，导致电子在 布里渊区状态中的分 布不再对称，形成宏 观电流。
62
有电场时导带电子能量和速度分布
导体
有未被填满的价带。

半导体物理

半导体物理

半导体物理考点归纳第一章 半导体中的电子状态一．名词解释1.电子的共有化运动：（P10）原子组成晶体后，由于电子壳的交叠，电子不再局限于某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去。

因而，电子可以在整个晶体中运动。

这种运动称为电子的共有化运动。

2.单电子近似：（P11）单电子近似方法认为，晶体中德电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场，以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场是周期性变化的，且其周期与晶格周期相同。

3.有效质量：（P19）有效质量2*22n h m d Edk =，它直接把外力f 和电子的加速度联系起来，而内部势场的作用则由有效质量加以概括。

二．判断题1.金刚石和闪锌矿结构的结晶学原胞都是双原子复式格子，而纤锌矿结构与闪锌矿结构型类似，以立方对称的正四面体结构为基础。

（X ）金刚石型结构为单原子复式格子，纤锌矿型是六方对称的。

2.硅晶体属于金刚石结构。

（√）3.Ge 的晶格是单式格子。

（X ） （复式）4.有效质量都是正的。

（X ） （有正有负）5.能带越窄，有效质量越小。

（X ）（2*22n h m d Edk =，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大） 6.硅锗都是直接带隙半导体。

（X ） （间接）7.Ge 和Si 的价带极大值均位于布里渊区的中心，价带中空穴主要分布在极大值附近，对应同一个k 值，()E k 可以有两个值。

8.实际晶体的每个能带都同孤立原子的某个能级相当，实际晶体的能带完全对应于孤立原子的能带。

（X ） （不相当，不完全对应）三．填空题1.晶格可以分为7大晶系，14种布拉菲格子，按照每个格子所包含的各点数，可分为原始格子，体心，面心，底心。

2.如今热门的发光材料LED 是直接带隙半导体，该种材料的能带结构特点是当k=0时的能谷的极值小。

3.Ge 、Si 是间接带隙半导体，InSb 、GaAs 是直接带隙半导体。

4.回旋共振实验中能测出明显的共振吸收峰，就要求样品纯度高，而且要在低温下进行。

半导体物理第一章

半导体物理第一章
1.1.1 金刚石型结构和共价键(Si、Ge)
➢ 化学键：构成晶体的结合力 共价键：由同种晶体构成的元素半导体，其原子间无负电 性差，它们通过共用两个自旋相反而配对的价电 子结合在一起。
半导体物理第一章
7
➢ 金刚石型结构特点： 每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面
体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角 上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共 有，组成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键角） 109°28′。
z
z
B
C
A D
y
x
Hale Waihona Puke 半导体物理第一章x5
➢面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在 六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。 很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper) 、金(gold)及铂(platinum)。
z
半导体物理第一章
6
1.1 半导体的晶体结构和结合性质
此位移四分之一空间对角线长度套构而成。每个原子被四个 异族原子所包围。例如，如果角顶上和面心上的原子是Ⅲ族 原子，则晶胞内部四个原子就是Ⅴ族原子，反之亦然。角顶 上八个原子和面心上六个原子可以认为共有四个原子而隶属 于某个晶胞，因而每一晶胞中有四 个Ⅲ族原子和四个Ⅴ族原子，共有 八个原子。它们也是依靠共价键结 合，但有一定的离子键成分。
➢ 晶格常数 Si：a=5.65754Å Ge：a=5.43089Å
半导体物理第一章
9
1.1.2 闪锌矿型结构和混合键(GaAs)
➢ 化学键：共价键+离子键
➢ 闪锌矿型结构特点： 与金刚石型结构类似，不同的是该结构由两类不同的

第一章 半导体中的电子状态

第一章 半导体中的电子状态

k v * mn
(1)在整个布里渊区内，V~K不是线形关系 (2)正负K态电子的运动速度大小相等, 符号相反.
H ( E ) cos k1
E ( k ) E ( k )
1 dE(k ) 1 dE(k ) V (k ) V (k ) h d (k ) h dk
(3)V(k)的大小与能带的宽窄有关 内层:能带窄,E(k)的变化比较慢, V(k)小.
物理学中对外界作用力的处理



微观粒子的运动规律为什么用量子力学 而不是牛顿定律？如何理解量子力学对 粒子的运动状态分析时的处理方式？单 个粒子或者多个粒子？ 处理物理粒子的各种作用时一般怎么处 理？ 什么叫做“场”？
E hv
P hk
1.能量 E(k)
德布罗意关系
E
1 (hk) 2 E mo v 2 2m0
能带
原子级能
d
原子轨道
允带
{ {
{
禁带 p 禁带
s
原子能级分裂为能带的示意图
s 能级：共有化运动弱，能级分裂 晚，形成能带窄；
p、d 能级：共有化运动强，能级 分裂早，形成的能带宽。
二、一维理想晶格的电子能带
d () 0 2 dx
2
与晶格势场有关
1、一维理想晶格的势场和 电子能量E（ｋ）

磁量子数m 同一亚层（l值相同）的几条轨道对原子核的取向 不同。磁量子数m是描述原子轨道或电子云在空间的 伸展方向。某种形状的原子轨道，可以在空间取不同 方向的伸展方向，从而得到几个空间取向不同的原子 轨道。这是根据线状光谱在磁场中还能发生分裂，显 示出微小的能量差别的现象得出的结果。 m取值受 角量子数取值限制，对于给定的l值，m= -l，...，-2， -1，0，+1，+2…+l，共2l+1个值。这些取值意味着 在角量子数为l的亚层有2l+1个取向，而每一个取向 相当于一条“原子轨道”。如l=2的d亚层，m= -2， -1，0，+1，+2，共有5个取值，表示d亚层有5条伸 展方向不同的原子轨道，即dxy、dxz、dyz、dx2— y2、dz2。我们把同一亚层（l相同）伸展方向不同的 原子轨道称为等价轨道或简并轨道。

03-第一章-半导体中的电子状态

03-第一章-半导体中的电子状态
* m* x my * * 2m * x m y mz
s 14
ml* mt* 2ml*mt*
2
s 5,6
1 m*
1 ml*mt*
B沿[100]方向, 能测到二个吸收峰 m 1, 0 1 s 1,2 m* mt* s 36
m*
* m* x m mz * x * y
1 1
令
1 d E * , m* mx y 2 2 h dk x
1 d E 1 d 2E * , mz 2 2 2 2 h dk h dk y z
* * m* m m x y z m*
2 h 2 k x2 k y k z2 E ( k ) E0 ( * * * ) 2 mx m y mz
各向同性晶体
2 x 2 y 2 z
1 * k k k 2 2m E (k ) E0 K 2 h
各向异性晶体
k k k 1 * * * 2 m x ( E E0 ) 2 m y ( E E0 ) 2 m z ( E E 0 ) h2 h2 h2
dk f e h dt
v(k ) 0
* 不满带电子能导电 无外电场时
E
v(k ) 0
k v k
E
有外电场时
* 空穴
k1
v(k ) 0
k v k
J ev(k ) ev(k1 ) ev(k1 )
v ( k ) v ( k )
* 晶体中电子的加速度 dk 1 dE f h v h dk dt
im
* x
eB im* y
eB eB 0

第一章-半导体中的电子状态1

第一章-半导体中的电子状态1
常用的半导体材料锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓、 (GaAs)都是单晶。 、 都是单晶。 常用的半导体材料锗 、砷化镓、 都是单晶
LOGO
晶体： 晶体： 单晶和多晶
•多晶体 多晶体: 多晶体
是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性 的规则排列， 的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并 不相同， 不相同，因此多晶体也可以看成是由许多取向不同的 小单晶体（又称为晶粒）组成的。如多晶硅、金属。 小单晶体（又称为晶粒）组成的。如多晶硅、金属。
P = hk
E = hν
h2k 2 E= 2m0
自由电子的E ~k关系
因此
hk υ= m0
由此可得到右图所示的E~k关系。可见、随波矢k的连续变化自由电子能量是 关系。可见、随波矢 的连续变化自由电子能量是 由此可得到右图所示的 关系 连续的。德布罗意指出，这一自由粒子表示为波函数的形式： 连续的。德布罗意指出，这一自由粒子表示为波函数的形式： 波函数的形式
导体和绝缘体： 导体和绝缘体：
绝缘体 导体 Ec 半导体
半导体和绝缘体： 半导体和绝缘体：
Ev
LOGO
晶向的表示 LOGO
晶向的米勒指数表示法
LOGO
晶面的米勒指数表示法
由于不同平面的原子空间不同。 由于不同平面的原子空间不同 。 因此沿着不同平面的晶体特性并不一 定相同，且电特性及其他器件特性与晶体方向有着重要的关联。 定相同，且电特性及其他器件特性与晶体方向有着重要的关联。 密勒指数(Miller indices)：是界定一晶体中不同平面的简单方法。 密勒指数 Miller indices ：是界定一晶体中不同平面的简单方法。这些指 数可由下列步骤确定： 数可由下列步骤确定： 1、 2、 3、

半导体物理第一章

半导体物理第一章


2、闪锌矿结构和混合键

III-V族化合物半导体绝大 多数具有闪锌矿型结构。闪 锌矿结构由两类原子各自组 成的面心立方晶胞沿立方体 的空间对角线滑移了1/4空 间对角线长度套构成的。每 个原子被四个异族原子包围。 例: GaAs、GaP、ZnO

2、闪锌矿结构和混合键

两类原子间除了依靠共价键结合外，还有一定 的离子键成分，但共价键结合占优势。 以离子为结合单元，由正、负离子组成的、靠 库仑力而形成的晶体。此种结合力称为离子键。 由碱金属元素与卤族元素所组成的化合物晶体 是典型的离子晶体，如NaCl、CsCl等。II-VI族 化合物晶体也可以看成是离子晶体，如CdS、 ZnS等。

⑴ 每一个BZ 内包含了所有能带中的全部电子状态。或者说，每一个区 域所包含的波矢数（即 k 的取值个数）等于晶体所包含的原胞数（ N）。 因此，电子的运动状态可以在一个 BZ内进行讨论，注意，在同一个BZ内， 电子的能量是准连续的。
布里渊区有如下若干主要特点：
布里渊区与能带：

求解一维条件下晶体中电子的薛定谔方程，可以得到如图所 示的晶体中电子的E(k)~k关系，虚线是自由电子 E(k)~k关 系。
1.自由电子的运动状态
（1）孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中 运动 （2）自由电子是在恒定势场中运动 （3）晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动
单电子近似——晶体中的某一个电子是在周期性排列且固 定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运 动，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周 期相同。

原子间通过共价键结合。
共价键的特点：饱和性、方向性。

⑴ 饱和性：共价键的饱和性是指，一个原子只能形成一定数目的共价 键。由于共价键是两个原子通过共用各自未配对的电子而形成的，而原 子的电子结构是确定的，某一原子在与其它原子化合时，能够形成共价 键的数目就完全取决于原子外层电子中未配对的电子数。此乃饱和性的 实质。 ⑵ 方向性：共价键的方向性是指，原子只能在某些特定的方向上形成 共价键。按量子理论，共价键实际上是由于相邻原子的电子云交叠而形 成的，电子云交叠程度的大小决定了共价键的强弱。因此，原子形成共 价键时，总是取电子云密度最大的方向。这就是方向性的根源。

半导体物理 第1章 半导体中的电子态

半导体物理 第1章 半导体中的电子态

常用参数
• 晶格常数：硅 0.543nm, 锗 0.566nm
• 密度： Si : 5.00*1022cm-3,
•
Ge: 4.42*1022cm-3
• 共价键半径： Si : 0.117nm,
•
Ge: 0.122nm.
2.闪锌矿型结构和混合键
在金刚石结构中，若由两 类原子组成，分别占据两 套面心立方，则称为闪锌 矿结构。
堆积方式：III、V族原子构成双原子层堆积，每 一个原子层都是一个[111]面， III、V族化合物具 有离子性，因而构成一个电偶极层。
IIIV：[111]方向，III族原子层为[111]面。
与金刚石结构一样，闪锌矿结构的III-V化合物都由 两个面心立方结构套构而成。称这种晶格为双原子 复式晶格。晶格的周期性原胞中含有两个原子：一 个是III原子，另一个是V族原子。
结果：
n个靠得很近的能级 “准连续”带, 即形成了能带.
允带：能级分裂形成的每一个能带。
禁带：能级间没有能带的区域。
能带的特点： 1、在原有的能级基础上发生 分裂（分裂后的能级数与原子数有关），不 会大幅度改变原有的能级结构
★半导体中的能级分裂情况
原子能级 能带
能级电子的“座位” 能带总的座位集合 电子只能在这些位置上 作“跳跃”运动，能量 是突变、非连续变化的。 实际是准连续变化。
a.晶体中电子的波函数与自由电子的波函数形
式相似。反映出了晶体中电子的波函数实 际上相当于一被调幅的自由电子波。
且uk(x)＝ uk(x+a)
b.在空间某点找到电子的概率与波函数的强 度成比例。在晶体中找到电子的概率是周期 性变化的。反映出电子共有化运动的特征。
|Ψ|2=ΨkΨk* =uk(x)uk* (x) c. 与自由电子中的波函数一样，波矢k描述晶体中电 子的共有化运动状态。注意： 晶体中电子波函数K 取值非连续. 只要晶体边界确定，电子波函数的k值 即可被确定，与其它参量无关。

半导体物理(第一章)

半导体物理(第一章)
波矢k与自由电子波矢意义相似，具有量子数的作用，描述晶 体中电子共有化运动的量子状态。
3、布里渊区与能带
求解薛定谔方程可得出在晶格周期势场中运动的电子的 能量-动量（E～k)关系曲线。
当 k n ，(n=0, ±1, ±2…) 时，能量出现不连续——形成允带和
a 禁带。
允带出现的区域称为布里渊区。从k=0处向k>0和k<0延伸，分别有 第一布里渊区、第二布里渊区……，每一个布里渊区对应一个能带。
体的V(x)是很困难的。
研究发现，电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电 子的运动十分相似。
1、自由电子的运动状态
V(x)=0。求解薛定谔方程可以得出：
( x) Ae-ikx
2k 2 E
k为波矢，k的大小为
k
2
2m0
（第六版以前的教材中的定义与此不同）
根据德布罗意关系，电子的能量、动量与频率、波矢之间 的关系为
1.2 半导体中的电子状态和能带
1.2.1 原子能级和晶体能带
单晶半导体是由按确定规律周期排列的原子构成，相邻原 子之间的间距只有几个埃，原子密度非常大。对于c-Si，原 子密度高达5×1022cm-3。所以，单晶半导体中电子的能量状 态与孤立原子中的一定不同，但可以想象，一定存在着某种 联系。
单个原子中电子的壳层排布为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10……， 但多个原子密集排布在一起时，相似壳层对应的能级会发生 交叠——电子变为在整个晶体中运动——电子的共有化运动。 最外壳层电子的共有化最显著！
电子状态用波函数x描述， x满足薛定谔方程（假设
为一维单个电子）：
2 2m0
d2 dx 2
V (x) (x)
E (x)

半导体第一章 半导体中的电子状态

半导体第一章 半导体中的电子状态
*
(1)在整个布里渊区内，V~K不是线形关系.
(2)正负 K 态电子的运动速度大小相等, 符 号相反.
E (k ) E (k )
V (k ) 1 dE (k ) h d (k ) 1 dE (k ) h dk V (k )
(3) V(k) 的大小与能带的宽窄有关.
内层: 能带窄, E(k)的变化比较慢, V(k)小.
电子共有化运动示意图
3s
○
3s
○
3s
○
3s
○
○
2p
2p
2p
2p
○
○ ○
○ ○
○
○
○
(2)能级分裂
a. s 能级 设有A、B两个原子
孤立时, 波函数（描述 微观粒子的状态）为 A和B,不重叠.
简并度=状态/能级数 =2/1=2
孤立原子的能级
A . B 两原子相互靠近,
电子波函数应是A和B 的线性叠加:
1.自由电子
h
2 2
d
2 2
8 m dx
(x) E (x)
ikx
( x ) Ae
* A
2
, 其波矢
k
2

电子在空间是等几率分布的，即自由电子在 空间作自由运动。
微观粒子具有波粒二象性
由粒子性
p m 0V E 1 2 m 0V
2

1 p
2
2 m0

n 2a
分布几率是晶格的周期函数，但对每个原胞 的相应位置，电子的分布几率一样的。 波矢k描述晶体中电子的共有化运动状态。
3. 布里渊区与能带
简约布里渊区
能带
k

半导体物理学(第一章)

半导体物理学(第一章)

n=1 2个电子
15
Si 半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
原子的能级的分裂 4个原子能级的分裂 个原子能级的分裂
孤立原子的能级
16
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
大量原子的能级分裂为能带
17
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
Si的能带（价带、导带和带隙） 的能带（价带、导带和带隙）
37
k = kx + k y + kz
2 2 2
2
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
具有确定能量E的全部 点 具有确定能量 的全部k点 的全部
r r r r k = kx + k y + kz
构成一个封闭的曲面， 构成一个封闭的曲面，称为等能面 理想的等能面为k空间的一个球面 理想的等能面为 空间的一个球面
4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子，他们 、无论是自由电子还是晶体材料中的电子， 在某处出现的几率是恒定不变的。 在某处出现的几率是恒定不变的。 （ ） 5、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中 、 的差别。 的差别。
30
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
与波矢k的关系 三、半导体中能量E与波矢 的关系 半导体中能量 与波矢
gap gap
3
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
硼 铝 锌 镓 镉 铟
碳 硅 锗 锡
氮 氧 磷 硫 砷 硒 锑 碲
4
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
运动的描述
Minkowski空间：
x，y，z，ict px，py，pz，iE/c
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3、钎锌矿结构
钎锌矿结构（ZnS,SiC）
化合物半导体，Eg=3.78ev(ZnS)

K
Eg Material Si GaAs InN GaN AlN 3C-SiC 4H-SiC 6H-SiC
(eV)
ni
(cm )
-3
er
mn
(cm /V sec)
2
Ec
MV/cm
vsat
7
k
direct or indirect
第一章 半导体中电子状态
半导体独特的物理性质与半导体中电子状态和运动特点密切相关。所以，
为了研究和利用半导体的这些物理性质，本章简要介绍半导体单晶材料中
电子状态和运动规律。 半导体单晶材料由大量原子周期性重复排列而成，而每个原子又包含原子 核和许多电子。如果能写出半导体中所有相互作用着的原子核和电子系统 的薛定谔方程，并求出其解，就能了解半导体的许多物理性质。但是，这 是一个非常复杂的多体问题，不可能求出其严格解，只能用近似的处理方 法-----单电子近似来研究固态晶体中电子的能量状态。 单电子近似---即假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场 及其他电子的平均势场中运动。该势场是具有与晶格同周期的周期性势场。 用单电子近似法研究晶体中电子状态的理论称为能带论。
周期性势场中电子的能带图
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.2 半导体中电子的状态和能带
1.2.2.2、电子在周期势场中的运动状态
能带的性质： 1.E(k)=E(-k),即E(k)是偶函数。
2. E(k)=E(k+2nπ/a),即E(k)是周期性函数，其周期为2π /a。
定性理论（物理概念）：晶体中原子之间的相互作用，即电子的 共有化运动使能级分裂形成能带。 定量理论（量子力学计算）：电子在周期场中运动，其能量不连 续形成能带。
特点： 1. .能量在k=nπ/a （n=0,±1, ±2,….） 时出现能量不连续， 形成允带和禁带。 在布里渊区里，能量 是连续的。 可以证明,在每个布 里渊区里有N个k状 态，一个k代表点对 应一个初基晶胞，因 此k具有量子数作用， 它描述晶体中电子共 有化运动状态。 自由电子的E ~k关系
2. 3.
价键时，电子云的重叠在
空间一定方向上具有最高 密度，这个方向就是共价 键方向。
四个共价键并不是以孤立原子的电 子波函数为基础形成的，而是以S态 和P态波函数的线性组合为基础，构 成了所谓“杂化轨道”，之间的夹 角为109°28´。
2、闪锌矿结构和混合键
同时具有共价键和离子键特征
化合物半导体，砷化镓Eg=1.42ev
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.2 半导体中电子的状态和能带
1.2.2.1、电子在周期势场中的运动状态 布洛赫曾经证明，满足式(1)的波函数一定具有如下形式：
k x uk ( x)ei 2 kx

(2)
式中k为波矢，uk ( x) 是一个与晶格同周期的周期性函数，即：
uk ( x) uk ( x na)
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.3 导体、半导体、绝缘体的能带
思考题
1、原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动
情况有何不同？原子中内层电子和外层电子参与共有化运 动有何不同？ 2、晶体体积的大小对能级和能带有什么影响？ 3、在N个原子组成的晶体中，若由原来的一个原子能级分
裂的能级数大于N或小于N，是否与泡里不相容原理矛盾？
--当半导体上存在外加电场的时候，需要考虑电子同时在周 期性势场中和外电场中的运动规律
有效质量
第一章 半导体中电子状态
1.1晶体结构和结合性质 1.2半导体中的电子状态和能带 1.3半导体中电子的运动 有效质量 1.4本征半导体的导电机构 空穴 1.5回旋共振 1.6硅和锗的能带结构
1.4 本征半导体的导电机构 空穴
1.3半导体中电子运动 有效质量
1.3.1 半导体中E(k)--k关系
k2 E 2m0
2
（自由电子）
1.3半导体中电子运动 有效质量
1.3.1 半导体中E(k)--k关系
1.3半导体中电子运动 有效质量
1.3.2 半导体中电子的平均速度
v
k m0
自由电子
1.3半导体中电子运动 有效质量
1.3.3 半导体中电子的加速度
1.3半导体中电子运动 有效质量
1.3.3 半导体中电子的加速度
1.3半导体中电子运动 有效质量
1.3.4 有效质量的意义
它概括了半导体内部势场的作用，是在解决半导体中电子在外力作用下 的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。特别是m n*可以 直接由实验测定，因而可以很方便地解决电子的运动规律。
1.1晶体结构和结合性质
1.1.1 金刚石结构和共价键
元素半导体，硅的Eg=1.12ev
共价键的形成及性质
• 这种依靠共有自旋相反配对的价 电子所形成的原子间的结合力， 称为共价键。 • 由共价键结合而成的晶体称为共
价晶体。Si、Ge都是典型的共价
本征硅共价键示意图
晶体。
• 饱和性：指每个原子与周 围原子之间的共价键数目 有一定的限制。 • 方向性：指原子间形成共
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.2 半导体中电子的状态和能带
1.2.2.3、能带结构和空间结构中的一些对应关系
（a）导带电子、价带电子 在空间结构中所处的位置
（b）导带电子、价带电子在能带结构中所 处位置示意图
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.2 半导体中电子的状态和能带
1.2.2.4、与能带相关的名词 允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。 禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。
动很相似。
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.2 半导体中电子的状态和能带
1.2.2.1、自由电子的运动状态
p m0v
粒子性
E
1 p 2 m0
2
v
k m0
2
德布罗意
p k E h
k2 E 2m0
k-平面波的波矢，等于2π/λ，其方 向为波的传播方向。
1.2半导体中的电子状态和能带
补充知识
一维单晶材料中的电子
（a）独立的单原子势函数
（b）近距原子交叠的势函数
（c）一维单晶的最终势函数
感兴趣的： 在一维单晶材料中电子 的能量状态及特征 1、0<x<a v(x)=0 2、-b<x<0 v(x)=v0
系数A、B、C、D可由边界条件建立关系式：
当且仅当其系数行列式为零时方程有非零解。
1350 8500 3000 900 1100 900 720 (a-axis) 650 (c-axis) 370 (a-axis) 50 (c-axis)
0.3 0.4 1.0 3.3 11.7 1.2 2.0 2.4
1.0 2.0 2.5 2.5 1.8 2.0 2.0 2.0
1.5 0.5 1.3 2.5 4.5 4.5 4.5
空带、满带、导带、价带都是允带。
空带（empty band）：不被电子占据的允带。 满带（filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。 导带（conduction band）：电子未占满的允带（有部分电子。） 价带（valence band）:被价电子占据的允带（低温下通常被价电子 占满）。
(10 m/sec) (W/cm K)
1.1 1.4 1.86 3.39 6.1 2.2 3.26 3.0
1.5 x 1010 1.8 x 106 ~ 103 1.9 x 10-10 ~ 10-31 6.9 8.2 x 10-9 2.3 x 10-6
11.8 12.8 9.6 9.0 8.7 9.6 10 9.7
N个原子的能级分裂
电子的共有化运动形成能带。
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.1 原子的能级和晶体的能带
导带
禁带
价带
硅、锗、金刚石结构价电子能带示意图
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.2 半导体中电子的状态和能带
孤立原子中的电子是在该原子核和其它电子的势场中运动 自由电子（不受外力作用自由运动的）是在恒定为零的势场中运动 晶体中的电子是在与晶体同周期的周期性势场中运动，与自由电子 和孤立原子中电子运动都不同。 但研究发现，电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电子的运
1.2半导体中的电子状态和能带
制造半导体器件所用的材料大多是单晶体。单晶体是由靠
得很紧密的原子周期性重复排列而成的，相邻原子间距只有零 点几纳米的数量级。因此，半导体中的电子状态肯定和原子中 的不同，特别是外层电子会有显著的变化。但是，晶体是由分 立的原子凝聚而成，两者的电子状态有必定存在着某种联系。 我们将以原子结合成晶体的过程定性地说明半导体中的电子状 态。
indirect direct direct direct direct indirect indirect indirect
第一章 半导体中电子状态
1.1晶体结构和结合性质 1.2半导体中的电子状态和能带 1.3半导体中电子的运动 有效质量 1.4本征半导体的导电机构 空穴 1.5回旋共振 1.6硅和锗的能带结构
第一章 半导体中电子状态
• 基本要求：
理解能带形成的原因及电子共有化运动的特点；半导 体中电子的加速度与外力及有效质量的关系；正确理 解空穴的导电机理。 • 重 点：
概念：电子状态、能带和有效质量。
• 难 点： 晶体中能量与波矢的关系，假想粒子－“空穴”。
第一章 半导体中电子状态
1.1晶体结构和结合性质(重要半导体) 1.2半导体中的电子状态和能带 1.3半导体中电子的运动 有效质量 1.4本征半导体的导电机构 空穴 1.5回旋共振 1.6硅和锗的能带结构