半导体物理分章答案省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第一章 半导体中电子状态 本章主要讨论半导体中电子运动状态。本章主要讨论半导体中电子运动状态。本章主要讨论半导体中电子运动状态。本章主要讨论半导体中电子运动状态。定性介绍能带理论，利用定性介绍能带理论，利用定性介绍能带理论，利用定性介绍能带理论，利用SchrodingerSchrodingerSchrodingerSchrodinger方程方程方程方程和和和和Kroning-PenneyKroning-PenneyKroning-PenneyKroning-Penney模型近似推导关于半导体模型近似推导关于半导体模型近似推导关于半导体模型近似推导关于半导体中电子状态和能带特点。引入有效质量和中电子状态和能带特点。引入有效质量和中电子状态和能带特点。引入有效质量和中电子状态和能带特点。引入有效质量和空穴概念，阐述本征半导体导电机构。空穴概念，阐述本征半导体导电机构。空穴概念，阐述本征半导体导电机构。空穴概念，阐述本征半导体导电机构。最终简单介绍几个半导体材料能带结构。最终简单介绍几个半导体材料能带结构。最终简单介绍几个半导体材料能带结构。最终简单介绍几个半导体材料能带结构。第1页1.11.1*半导体晶体结构和结合性质半导体晶体结构和结合性质Crystal Structure and Bonds in SemiconductorsCrystal Structure and Bonds in Semiconductors学习重点：学习重点：1 1、晶体结构：、晶体结构：、晶体结构：、晶体结构：（1 1）金刚石型：）金刚石型：）金刚石型：）金刚石型：GeGe、SiSi（2 2）闪锌矿型：）闪锌矿型：）闪锌矿型：）闪锌矿型：GaAsGaAs2 2、化合键：、化合键：、化合键：、化合键：（1 1）共价键：）共价键：）共价键：）共价键：Ge Ge、SiSi（2 2）混合键：）混合键：）混合键：）混合键：GaAs GaAs第2页1 1 1 1、金刚石型结构和共价键、金刚石型结构和共价键、金刚石型结构和共价键、金刚石型结构和共价键 化学键：化学键：化学键：化学键：组成晶体结协力。组成晶体结协力。组成晶体结协力。组成晶体结协力。由同种晶体组成元素半导由同种晶体组成元素半导由同种晶体组成元素半导由同种晶体组成元素半导体，其原子间无负电性差，它体，其原子间无负电性差，它体，其原子间无负电性差，它体，其原子间无负电性差，它们经过共用一对自旋相反而配们经过共用一对自旋相反而配们经过共用一对自旋相反而配们经过共用一对自旋相反而配正确价电子结合在一起。正确价电子结合在一起。正确价电子结合在一起。正确价电子结合在一起。共价键共价键（1 1 1 1）共价键特点）共价键特点）共价键特点）共价键特点 饱和性；饱和性；饱和性；饱和性；方向性。方向性。方向性。方向性。第3页（2 2）金刚石型结构）金刚石型结构）金刚石型结构）金刚石型结构100100面上投影面上投影面上投影面上投影（3 3 3 3）金刚石结构结晶学原胞）金刚石结构结晶学原胞）金刚石结构结晶学原胞）金刚石结构结晶学原胞SiSi：a=5.65754 a=5.65754埃埃埃埃GeGe：a=5.43089a=5.43089埃埃埃埃第4页2 2、闪锌矿结构和混合键、闪锌矿结构和混合键、闪锌矿结构和混合键、闪锌矿结构和混合键 材料：材料：材料：材料：-族和族和族和族和-族二元化合物半导体。族二元化合物半导体。族二元化合物半导体。族二元化合物半导体。化学键：化学键：化学键：化学键：共价键共价键共价键共价键+离子键。离子键。离子键。离子键。（1 1 1 1）闪锌矿结构结晶学原胞）闪锌矿结构结晶学原胞）闪锌矿结构结晶学原胞）闪锌矿结构结晶学原胞第5页3 3、纤锌矿结构、纤锌矿结构、纤锌矿结构、纤锌矿结构 ZnOZnO、GaNGaN、AlNAlN、ZnSZnS、ZnTeZnTe、CdSCdS、CdTeCdTe。第6页1.1 1.1 能带论方法介绍能带论方法介绍学习重点：学习重点：1 1、了解能带论思想方法、了解能带论思想方法、了解能带论思想方法、了解能带论思想方法2 2、掌握能带论主要结论、掌握能带论主要结论、掌握能带论主要结论、掌握能带论主要结论第7页1.2 1.2 克隆尼克克隆尼克-鹏奈模型和能带鹏奈模型和能带学习重点：学习重点：1 1、经过该模型了解能带、经过该模型了解能带、经过该模型了解能带、经过该模型了解能带 论思想方法论思想方法论思想方法论思想方法2 2、导带、价带与禁带、导带、价带与禁带、导带、价带与禁带、导带、价带与禁带哈尔滨工业大学微电子科学与技术系哈尔滨工业大学微电子科学与技术系第8页 简约布里渊区与能带简图简约布里渊区与能带简图（允带与允带之间为禁带）（允带与允带之间为禁带）1 1 1 1、克隆尼克、克隆尼克、克隆尼克、克隆尼克-鹏奈模型鹏奈模型鹏奈模型鹏奈模型第9页（1 1）每隔）每隔）每隔）每隔1/ak1/ak表示是同一个电子态；表示是同一个电子态；表示是同一个电子态；表示是同一个电子态；（2 2）波矢）波矢）波矢）波矢k k只能取一系列分立值，每个只能取一系列分立值，每个只能取一系列分立值，每个只能取一系列分立值，每个k k占有线度为占有线度为占有线度为占有线度为1/L1/L。布里渊区特征布里渊区特征第10页（3 3）满带中电子不导电）满带中电子不导电）满带中电子不导电）满带中电子不导电因为，因为，因为，因为，E(k)=E(-k)E(k)=E(-k)v(kv(k)=-)=-v v(-k)(-k)而而而而 I=q 11 I=q 11V(k)V(k)有有有有 I(A)=-I(-A)I(A)=-I(-A)结论：结论：结论：结论：+k+k态和态和态和态和-k-k态电子电流相互抵消。所以，态电子电流相互抵消。所以，态电子电流相互抵消。所以，态电子电流相互抵消。所以，满带中满带中满带中满带中 电子不导电电子不导电电子不导电电子不导电。而对部分填充能带，将产生宏。而对部分填充能带，将产生宏。而对部分填充能带，将产生宏。而对部分填充能带，将产生宏 观电流。观电流。观电流。观电流。第11页（1 1 1 1）孤立原子能级）孤立原子能级）孤立原子能级）孤立原子能级2 2 2 2、原子能级和晶体能带、原子能级和晶体能带、原子能级和晶体能带、原子能级和晶体能带第12页（2 2 2 2）晶体能带）晶体能带）晶体能带）晶体能带 电子共有化运动电子共有化运动 能级分裂能级分裂第13页第14页（1 1）导体、绝缘体和半导体能带模型）导体、绝缘体和半导体能带模型）导体、绝缘体和半导体能带模型）导体、绝缘体和半导体能带模型（2 2）本征激发）本征激发）本征激发）本征激发 定义：定义：定义：定义：价带电子吸收声子跃迁价带电子吸收声子跃迁价带电子吸收声子跃迁价带电子吸收声子跃迁到导带过程到导带过程到导带过程到导带过程本征激发本征激发本征激发本征激发。3 3、导体、半导体、绝缘体、导体、半导体、绝缘体、导体、半导体、绝缘体、导体、半导体、绝缘体能带能带能带能带第15页（1 1 1 1）有效质量引入）有效质量引入）有效质量引入）有效质量引入n n问题提出问题提出问题提出问题提出 真空中自由电子，其运动规律满足经典力学公式，真空中自由电子，其运动规律满足经典力学公式，真空中自由电子，其运动规律满足经典力学公式，真空中自由电子，其运动规律满足经典力学公式，而晶体中电子加速度而晶体中电子加速度而晶体中电子加速度而晶体中电子加速度 原因在于周期性势场存在。原因在于周期性势场存在。原因在于周期性势场存在。原因在于周期性势场存在。n n为与经典力学一致，引入一个参量为与经典力学一致，引入一个参量为与经典力学一致，引入一个参量为与经典力学一致，引入一个参量 使得使得使得使得n n它综合了周期性势场作用，反应了晶体中电子抵抗外场它综合了周期性势场作用，反应了晶体中电子抵抗外场它综合了周期性势场作用，反应了晶体中电子抵抗外场它综合了周期性势场作用，反应了晶体中电子抵抗外场力惯性力惯性力惯性力惯性1.3 1.3 半导体中电子运动有效质量半导体中电子运动有效质量第16页n n如此引入了有效质量后，显然能够用牛顿力学公式形式处理晶体中如此引入了有效质量后，显然能够用牛顿力学公式形式处理晶体中如此引入了有效质量后，显然能够用牛顿力学公式形式处理晶体中如此引入了有效质量后，显然能够用牛顿力学公式形式处理晶体中电子运动问题。是否可行，关键在于它是否依附外界原因。电子运动问题。是否可行，关键在于它是否依附外界原因。电子运动问题。是否可行，关键在于它是否依附外界原因。电子运动问题。是否可行，关键在于它是否依附外界原因。（2 2 2 2）电子运动及）电子运动及）电子运动及）电子运动及 公式公式公式公式 理论推导可得理论推导可得理论推导可得理论推导可得n n可见这一参量由材料本身属性所决定。所以有效质量引入是合理。可见这一参量由材料本身属性所决定。所以有效质量引入是合理。可见这一参量由材料本身属性所决定。所以有效质量引入是合理。可见这一参量由材料本身属性所决定。所以有效质量引入是合理。（3 3 3 3）利用）利用）利用）利用 给出给出给出给出E(k)E(k)E(k)E(k)表示式表示式表示式表示式（4 4 4 4）关于有效质量讨论）关于有效质量讨论）关于有效质量讨论）关于有效质量讨论第17页（1 1 1 1）空穴引入空穴引入空穴引入空穴引入n n电子状态本是虚无，因为有电子它才有了实际意义。电子状态本是虚无，因为有电子它才有了实际意义。电子状态本是虚无，因为有电子它才有了实际意义。电子状态本是虚无，因为有电子它才有了实际意义。n n空穴是为了处理价带中电子导电问题而引入假想粒子。空穴是为了处理价带中电子导电问题而引入假想粒子。空穴是为了处理价带中电子导电问题而引入假想粒子。空穴是为了处理价带中电子导电问题而引入假想粒子。价带中每出现一个空状态（缺乏一个电子）便对应引入价带中每出现一个空状态（缺乏一个电子）便对应引入价带中每出现一个空状态（缺乏一个电子）便对应引入价带中每出现一个空状态（缺乏一个电子）便对应引入一个空穴，并赋予其有效质量和电荷量刚好与该状态下一个空穴，并赋予其有效质量和电荷量刚好与该状态下一个空穴，并赋予其有效质量和电荷量刚好与该状态下一个空穴，并赋予其有效质量和电荷量刚好与该状态下电子相反，即电子相反，即电子相反，即电子相反，即 n n这么引入假想粒子这么引入假想粒子这么引入假想粒子这么引入假想粒子空穴，其形成假想电流刚好等于空穴，其形成假想电流刚好等于空穴，其形成假想电流刚好等于空穴，其形成假想电流刚好等于价带中电子电流。所以在计算半导体电流时，即使只计价带中电子电流。所以在计算半导体电流时，即使只计价带中电子电流。所以在计算半导体电流时，即使只计价带中电子电流。所以在计算半导体电流时，即使只计算空穴电流，但实际上算是价带中电子电流。算空穴电流，但实际上算是价带中电子电流。算空穴电流，但实际上算是价带中电子电流。算空穴电流，但实际上算是价带中电子电流。1.4 1.4 本征半导体导电机构本征半导体导电机构 空穴空穴第18页（2 2 2 2）讨论）讨论）讨论）讨论n n摆脱原有空穴观念摆脱原有空穴观念摆脱原有空穴观念摆脱原有空穴观念n n半导体导电是由两种载流子运动形成，其实质仍是电子导半导体导电是由两种载流子运动形成，其实质仍是电子导半导体导电是由两种载流子运动形成，其实质仍是电子导半导体导电是由两种载流子运动形成，其实质仍是电子导电电电电空穴空穴 电子电子第19页1.5 1.5 盘旋共振及常见半导体能带结构盘旋共振及常见半导体能带结构1 1、盘旋共振现象、盘旋共振现象、盘旋共振现象、盘旋共振现象则，则，则，则，上式代表是一个椭球等能面。为了形象而直观地表示上式代表是一个椭球等能面。为了形象而直观地表示上式代表是一个椭球等能面。为了形象而直观地表示上式代表是一个椭球等能面。为了形象而直观地表示E(k)-E(k)-k k三维关系，我们用三维关系，我们用三维关系，我们用三维关系，我们用k k空间中等能面反应空间中等能面反应空间中等能面反应空间中等能面反应E(k)-kE(k)-k关系。关系。关系。关系。2 2、三维情况下、三维情况下、三维情况下、三维情况下E(k)-kE(k)-k关系和等能面关系和等能面关系和等能面关系和等能面第20页1.5 1.5 盘旋共振及常见半导体能带结构盘旋共振及常见半导体能带结构3 3、盘旋共振频率理论推导、盘旋共振频率理论推导、盘旋共振频率理论推导、盘旋共振频率理论推导4 4、n n型硅盘旋共振试验结果分析型硅盘旋共振试验结果分析型硅盘旋共振试验结果分析型硅盘旋共振试验结果分析第21页5 5、SiSi、GeGe和和和和GaAsGaAs能带结构基本特征能带结构基本特征能带结构基本特征能带结构基本特征（1 1）SiSi、GeGe能带结构及特征能带结构及特征能带结构及特征能带结构及特征 Si Si能带结构能带结构能带结构能带结构 Ge Ge能带结构能带结构能带结构能带结构第22页 Si Si、GeGe能带结构主要特征能带结构主要特征能带结构主要特征能带结构主要特征禁带宽度禁带宽度禁带宽度禁带宽度E Eg g随温度增加而减小随温度增加而减小随温度增加而减小随温度增加而减小即即即即E Eg g负温度特征负温度特征负温度特征负温度特征；E Eg g(T)=E(T)=Eg g(0)-(0)-T T2 2/（T+T+）=4.7310=4.7310-4-4eV/KeV/K =636K636K =4.777410=4.777410-4-4eV/KeV/K =235K235KE Eg g：T=0T=0时，时，时，时，Eg(Si)=0.7437eV Eg(Ge)=1.170eVEg(Si)=0.7437eV Eg(Ge)=1.170eV；间接带隙结构。间接带隙结构。间接带隙结构。间接带隙结构。Si GedEg/dT=-2.810-4eV/KdEg/dT=-3.910-4eV/K第23页（2 2）GaAsGaAs能带结构及特征能带结构及特征能带结构及特征能带结构及特征 GaAs GaAs能带结构能带结构能带结构能带结构 GaAs GaAs能带结构主要特征能带结构主要特征能带结构主要特征能带结构主要特征E Eg g负温度系数特征；负温度系数特征；负温度系数特征；负温度系数特征；dE dEg g/dT=-3.9510/dT=-3.9510-4-4eV/KeV/KE Eg g(300K)=1.428eV(300K)=1.428eV Eg(0K)=1.522eV Eg(0K)=1.522eV；直接带隙结构。直接带隙结构。直接带隙结构。直接带隙结构。第24页