半导体物理省公开课一等奖全国示范课微课金奖PPT课件.pptx

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,*,半导体物理基础,绪论,意义：半导体物理是当代微电子科学与技术发展基础，也是当代信息技术,(IT),光电子技术基础，同时也是当代纳米科学与技术研究前沿,半导体材料：2 inch 3”4”6”8”12”硅单晶，GaAs单晶，GaN单晶,工程：,1948,年巴丁,(Basdeen)布拉顿(Bratain)肖克莱(Schockley)创造,晶体管 电子学革命,1958年集成电路 68年硅MOS器件及大规模IC产业化超大规模IC(45 nm),1962年半导体激光器，70年代室温连续发光激光产业(CDVCDDVD)1970年江崎和朱兆祥提出超晶格概念，71年MBE制成AlGaAs/GaAs超晶格,人工设计半导体和光电子产业（80年Klitzing和82崔崎分别在超晶格异质结,中发觉整数和分数量子霍尔效应），分获诺贝尔物理学奖,1990年英国Canhan发觉多孔硅室温光段可见光发光全光硅电子集成技术,年后纳米微粒纳米固体纳米薄膜量子点量子线新型光电器件,第1页,理论：1954年提出半导体有效质量理论,（kittel Luttinger等）,研究带边能带结构浅能级杂质（施主和受主）激子能级磁能级理论,1930年代量子力学金属导电能带论导带价带,1940年代导体半导体杂质能级施主受主掺杂,1959年膺势概念极大简化固体能带计算得较准确半导体能带论,1970年提出超晶格概念,90年代后量子点,方法：盘旋共振法磁光吸收激子光谱自由载流子光谱实,验研究,第2页,分析：1970年超高真空表面能谱分析技术；,1982年扫描 隧道STM技术等,对象：元素半导体为主，兼及化合物半导体,内容和教材：西安交大刘恩科等编，第一至第五章，第七,八章合讲，其余自学不做要求,要求：1）上课做笔记,2）按时完成作业,第3页,第一章：半导体中电子状态,1.1 半导体晶格结构和结合特征,一.半导体材料：,1，元素半导体：Si Ge，金刚石C（高温半导体），灰锡；a-Sn,2，化合物半导体：-族：GaAs InP GaN;,-族InZnSe;ZnO,3，多元化合物：HgCdTe(红外探测)；Al,x,Ga,1-x,As；InGaAsP等,4，,新兴半导体：有机半导体(由导电高分子)；量子点,线阱等,二.半导体晶体结构和结合特征：,1，金刚石结构：金刚石C Si Ge a-Sn;,（1）结构：两个相同原子组成面心立方沿体,对角线方向位移1/4后套构而,成复式晶格；(如右图）,第4页,特征：1，配位数（最近邻原子数）为4；分别位于正四面体四个顶点上,如F1.1（a）,2，堆垛方式：以双原子层形式按ABCABCA次序堆垛,3，不等价原子：正八面体顶点和正四面体中心原子分属不一样f.c.c,但任两个最近邻原子连线均沿方向,2）结合特征：,共价键：原子间形成自旋反平行共有电子对(负电),与离子实(正电)相互吸引形成结合键,特点1，饱和性：N族元素共价键配位数为(8N),2，方向性：位于电子云重合密度大方向；,3，既可是非极性键（同种元素如H,2,F,2,Si），也可是极性键HCl,HFGaAs,第5页,（,3）杂化轨道：以Be为例;孤立Be,原子基态结构为,1S,2,2S,2,全部电子已配对，无法成键,但蒸汽状态下试验观察到,Be,2,分子！,可能过程：,1，一个2S电子激发到2P态，形成1S,2,2S,1,2P,1,2，未配对2S,1,电子和2P,1,电子形成SP杂化原子轨道,3，两个原子SP杂化原子轨道形成SP,2,杂化分子轨道,若1个2S电子激发到2P态消耗能量 杂化原子轨道结合成杂化分子轨道时释放能量，则过程在能量上是有利。,要求1，激活能不大；,2，同一主壳层S和P杂化（最好）；,（4）SP,3,杂化：以金刚石为例，基态1S,2,2S,2,2P,2,一个原子耀迁1S,2,2S,1,2P,x,1,2P,y,1,2P,z,1,SP,3,杂化轨道(原子)，即一个S态和3个P态波函数相结合,相邻原子SP,3,杂化轨道形成共价键。（非极性键）,第6页,每个碳原子4个,SP,3,杂化轨道分别和4个最近邻碳原子各一个SP,3,轨道 形成共价键，组成键角10928四面体形共价键结合，能量最低，最稳定。,Si：1S,2,2S,2,2P,6,3S,2,3P,2,和 Ge：1S,2,2S,2,2P,6,3S,2,3P,6,4S,2,4P,2,成键也是SP,3,杂化,由量子力学膺势理论可计算出,4个S和P态电子形成SP3 杂化轨道波函数为：,第7页,2.闪锌矿结构（立方结构）,二元化合物半导体 如III-族：GaAs InSbGaP，GaN,-族：CdTe HgTe,1)结构：两个分别由III()族原子和()族原子组成面心立,方沿体对角线方向位移1/4 距离后套构而成复式晶格,双原子层按ABCABC方式重复堆垛。,特点：1，每个原子与四个异类原子为最近邻，组成正四面体,体心原子与顶点原子不一样；,2交织结构：沿方向由相邻原子(不一样),连接两组(各3个)原子在空间错开60,角,2),结合特征：极化共价键以GaAs为例,As对 电子吸引大于Ga，负电性较强,SP,3,杂化重合电子云更靠近As；,即结合键含有 一定密度离子性,所以称为极性半导体。,第8页,3.纤锌矿结构（六角密堆）A,8-N,B,N,组成四面体,1)结构：密排六方结构，异类原子组成双原子面按ABABA沿密排六方结构方向重复堆垛；如P8叶图Fig1.3,特点：,1，每个原子与四个异类原子,(最近邻)以共价键结合组成四面体,2，重合构型：沿六方对称轴,上相邻两个异类原子连接两组(各,三个)不一样原子沿方向是相互对,准、重合，如右图所表示,第9页,（2）,结合特征：,强极性共价键化合物；离子性比闪锌矿强,形成闪锌矿结构，包含III-族AlN,InN等,-族ZnS,ZnC,ZnSe,CdS等,4，NaCl结构：,异类原子组成两个面心,相互位移1/2后套构而成,右图：NaCl晶胞,第10页,