电子信息物理学1p资料教程.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章绪论,一、信息,客观事物,状态的表露,随时间变化的反应,信息,依附于物质,认识客事物的中介物,信息技术：,信息的产生、转换、处理、传输、探测、,显示、存储,信息产业,：主要是3,C(Communication，Computer，,Control),社会发展,政治：原始社会,奴隶社会,技术：农业社会,工业社会,信息社会,主导经济：农业经济,工业经济,知识经济,信息高速公路,：,提供产生、传输与享用信息的快速通道,使人们,在任何时间、任何地点，可以通过声音、图像、数据、文表等方式相互传递信息,二、电子,基本粒子之一（电子、原子、中子、超子、介,子、无质量的粒子（光子、中微子等）。,原子的重要组成部分,基本电荷(,1.60219*10,-19,C,),自由电子静止质量(,9.10956*10,-31,kg,),电子学：研究电子运动规律及其应用的学科,电子在原子中的状态,电子在物体中的状态,电子与场的相互作用,电子与粒子间的相互作用,许多电子学,低频,高频,微波,光,纳米,信息,电子学,信息电子学属于“弱电”范畴,主要材料,固体,半导体材料、光学材料、超导材料、磁性材料、电介质材料、,电子材料,材料、器件与物理的发展是相互交叉、相互渗透、相互促进的,四、信息电子学物理基础,固态电子学,信息电子器件、技术与工程,桥梁,信息电子学物理基础,理论基础,（生长土壤）,应用领域,（阳光雨露）,载流子的运动规律、,固体基本物理过程、,物理现象、物理性质,电、磁、声、光、热等效应及其相关的半导体、光电子、电介质、磁性、超导、纳米器件、技术、系统与工程,1.电子在固体中的形态与运动方式,金属：,价电子在（晶格）孔隙中自由运动,半导体：,载流子（导带电子与价带空穴）的激发与,复合的迁移运动,超导体：,超导态电子无晶格散射、零电阻运动,磁体：,电子的旋转,电介质（绝缘体）,：,正负电荷的相对位移,2.外界因素（场或粒子等）与电子的相互作用与影响,压电、热电、磁电、铁电、电光、磁光、声光、弹光、热光、声光电等物理效应,提供,反映客观物体的信息,对材料,通过信息进行各种处理,第一章固体的晶体结构简介,本书涉及到的信息电子固体器件，均与构制器件的固体材料所具有的电学性质、磁学性质、介电性质、光学性质相关。,信息电子器件所用的固体材料，一般是单晶材料。单晶材料的光、电、磁学等性质不仅由化学组分，而且由固体中原子排列决定。因此有必要了解固体的晶体结构知识。,固体材料,电子学特性,电介质特性,超导体特性,光学特性,磁学特性,力学特性,信息电子固体器件,固体材料,化学组成,（结构基元）,原子排列,（空间点阵）,信息电子固体器件特性,晶体结构,1.1固体类型,固体,无定形,：,原子排列在数个原子尺度内有序,多晶,：,多晶体在许多个原子范围内短程有序,单晶体,：,理想化的单晶体，在整个材料的,空间内应具有长程有序,各向同性,各向异性,三类晶体的二维示意图,1.2空间点阵,一、晶格、原包、元包,结构单元：,原子、离子、分子或者络合离子,空间点阵,结构单元,晶体结构,单晶的二维点阵,任意四个不在同一平面上的相邻的阵点（格点）,三个方向的基矢a，b，c,一个平行六面体,晶体的元包,广义主元包,单晶二维点阵的几种元包,原包：最小的元包,晶格中的任意格点的位置矢量：,二、基本的晶体结构,晶体结构,低级晶族,三斜,单斜,斜方,中级晶族,正方,三方,六方,高级晶族 立方,晶系,32晶类,立方晶系共有3种晶类：,简单立方、体心立方、面心立方,（a）简单立方 （b）体心立方 （c）面心立方,晶面,和密勒指数,规定晶体不同晶面的方法：密勒（W.H.Miller）指数,选定坐标系：原点与方向基矢a，b，c,需规定的晶面与坐标轴相交,截距（交点）：p，q，s,截距取倒数，并乘以适当系数,简单互质整数之比：h：k：l,该晶面的密勒指数（hkl）,a轴截距（交点）：p3,b轴截距（交点）：q2,c轴截距（交点）：s1,1/p:1/q:1/s=,1/3:1/2:1/1=,2:3:6=h:k:l,密勒指数,（236）,p1，q,，s,1/1:1/,:1/,=1:0:0,密勒指数,（100）,p1，q,1,，s,1,1/1:1/,1,:1/,1,=1:1:1,密勒指数,（111）,p1，q,1,，s,1/1:1/,1,:1/,=1:1:0,密勒指数,（110）,（a）（100）面,（b）（110）面,（c）（111）面,四、晶面间距,晶面间距：,相邻平行晶面之间的距离,晶面间距是晶面的重要参数之一,晶面间距,相邻平行晶面原子之间作用力,解理该平面更容易,简单立方,晶格常数a,1,（100）晶面间距：a,1,（110）晶面间距：a,1,（111）晶面间距：a,1,五、晶面的原子表面密度,体心立方（110）晶面:,面积：a,1,*2,0.5,*a,1,2,0.5,a,1,2,原子数：14*1/4=2,原子表面密度：2/2,0.5,a,1,2,=2,0.5,/a,1,2,=,a,1,=5*10,-8,cm,5.66*10,14,原子/cm,2,六、方向指数,晶格中任意格点的位置矢量：,格点直线的方向指数：直线上任意两格点坐标相减之比,化为三个互质的整数比即为此直线方向的方向指数u,:,v,:,w。且方向指数表示为,u:v:w,例如简单立方：,(01):(01):(01),1:1:1,1:1:1,1.3金刚石结构,金刚石结构的元包,金刚石结构,金刚石,硅（,Si,）,锗（,Ge,）,金刚石结构的特点,结构单元：碳（,C）,原子,结构：每个碳原子周围都有四个碳,原子形成正四面体结构,近邻原子之间的距离（,键长,）,相等：,3,0.5,a/4,近邻原子连线之间的夹角（键角）相等,体心立方结构,交替去掉四个顶角原子,正四面体点阵结构,正四面体点阵结构,（a）金刚石点阵的底半部份 （b）金刚石点阵的底半部份,这种结构也可以看作是边长为a立方体的一个晶包：八个原子位于八个顶角上，六个原子位于六个面中心上，晶包内部有四个原子,砷化镓（GaAs）结构：,每个镓原子周围都有四个最近邻的砷原子,每个砷原子周围都有四个最近邻的镓原子,闪锌矿结构：,与金刚石结构相似,只是由两种不同的原子组成,1.4原子键,原子,：,正电原子核,负电绕核运动的电子,原子键：原子间相互作用的表现,核外电子：在晶体结构基元键合时起到重要作用,处于热平衡系统，其总能量总是趋于最小值,原子间相互作用描述方法,严格分析,：,量子力学,定性分析,：,价电子或者最外层电子特性,一、离子键,电离能极小的金属原子,（如碱金属合碱土金属）,电子亲和势很大的非金属原子,（如卤族和氧族）,失去电子,获得电子,相互靠近,正离子,负离子,电子组态结构与上周期的惰性气体的原子相同,电子组态结构与上周期的惰性气体的原子相同,离子相吸,电子云相斥,离子键,NaCl,Na:Z=11,1S,2,2S,2,2P,6,3S,1,Na,+,:1S,2,2S,2,2P,6,(Na,+,电子组态同Ne，Z=10，处于能量较低的稳定状态),Cl:Z=17,1S,2,2S,2,2P,6,3S,2,2P,5,Cl,:1S,2,2S,2,2P,6,3S,2,2P,6,(Cl,电子组态同Ar，Z=18，处于能量较低的稳定状态),二、共价键,同种原子或者电负性相差很小的原子,相互接近,电子云重叠,自旋方向相反的成单电子结合,共价键,氢的共价键,氢的共价键的特点：,氢分子形成后无多余的电子形成其他共价键,而硅共价键的特点为：,硅原子与另一硅原子形成一对共价键后，还有三个电子多余，可以与另外三个硅原子形成共价键,四面体结构,金刚石点阵,硅晶体理论上可以不断生长变大,无限大硅晶体,硅的共价键,三、金属键,所有的金属原子都倾向于失去电子,正离子,释放电子,具有很大的活动范围,游离于正离子之间,自由电子气,将全部正离子“胶合”在一起,金属键,金属键与离子键的差异,正离子,自由电子,金属键：,正离子,负离子,离子键：,金属键与共价键的差异,金属键：,自由电子属于整个晶体中的所有原子,（只在某瞬间围绕某原子运动）,共价键：,共价电子仅仅属于相应的固定原子对,四、范德瓦斯（Van der Waals）键,弱键,（键能较小）：比金属键、离子键、共价键,小12个数量级,键的形成,极性分子的取向力,极性分子与非极性分子的诱导力,非极性分子的瞬间（极化）色散力,范德瓦斯是气体分子能够凝聚为液体和固体的主要原因,1.5固体中的缺陷和杂质,一个理想的单晶结构,在一个实际晶体中，晶格并非完美的，而是包含许多缺陷的，完美的几何周期性在一定程度上以多种形式受到破坏。,因为缺陷会改变材料的电学性质，在有些情形中，电学参量将由这些缺陷或杂质所左右。,晶体的缺陷：,结构单元的点阵排列偏离严格周期的现象,空间延伸线度：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷,一、点缺陷：,热缺陷、杂质缺陷、色心,热缺陷,夫伦克耳,肖特基,缺陷：热能（T,0K）,离子离开,晶体表面,晶体内部产生离子空位和添隙离子,离子空位,空位缺陷 添隙缺陷,杂质缺陷：替代式、添隙式,空位缺陷 添隙缺陷,色心,：,点阵空位俘获一个自由电子或一个自由空穴时，形成的一个吸收光的基团,二、线缺陷（位错）,原子点阵面一层一层地周期性堆积,某一层原子面在晶体内部中断,线缺陷,三、面缺陷,平移界面缺陷：,界面两侧沿着,某一个点阵面平移,