現(xiàn)代半導(dǎo)體物理第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日分類能帶特點導(dǎo)體最高占據(jù)能帶為部分填充，無能隙存在半導(dǎo)體絕對零度時，所有能帶全滿或全空，存在能隙，但是能隙較?。?lt;5.0eV）導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，摻雜后導(dǎo)電能力有很大變化。絕緣體絕對零度時，所有能帶全滿或全空，存在能隙，但是能隙較大（>5.0eV）電阻率很大，即使摻雜后導(dǎo)電能力也不會有很大變化。材料按能帶特點第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日分類成份元素半導(dǎo)體由單一元素構(gòu)成，如鍺、硅、硒合金半導(dǎo)體由兩種性能接近的元素構(gòu)成，如GexSi1-x化合物半導(dǎo)體兩種或兩種以上元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，如InP、GaAs、GaN、SiC等氧化物半導(dǎo)體一種特殊的化合物半導(dǎo)體，成份為金屬氧化物有機(jī)半導(dǎo)體有機(jī)高分子材料，如電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物、芳香族化合物半導(dǎo)體材料按成份分類第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日分類晶體結(jié)構(gòu)單晶半導(dǎo)體整個半導(dǎo)體材料為一個完整的晶體，原子有序排列。多晶半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料中分成許多晶粒，每個晶粒均為完整的晶體。非晶半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料中的原子無序排列，沒有周期性。異質(zhì)結(jié)構(gòu)兩種不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。量子阱兩層禁帶寬度較大的半導(dǎo)體材料中夾一層禁帶寬度較小的半導(dǎo)體材料。超晶格半導(dǎo)體多個量子阱周期性排列構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，具有周期性，阱與阱之間有相互作用。低維半導(dǎo)體材料一個或一個以上尺度上為納米量級的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，如納米點、線、管、薄膜等。復(fù)合半導(dǎo)體由兩種性能不同的半導(dǎo)體材料復(fù)合形成的半導(dǎo)體材料，包括無機(jī)/無機(jī)、無機(jī)/有機(jī)、有機(jī)/有機(jī)復(fù)合的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料按結(jié)構(gòu)分類第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體材料按功能分類分類功能電子材料用于制造各種分立的電子器件及集成電路等光電子材料用于制造光波導(dǎo)、光放大、光運算、光開關(guān)、光轉(zhuǎn)換、光存儲、光電轉(zhuǎn)換器件輻射探測材料用于探測各種輻射，包括熱、光、射線、高能粒子等發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光，如發(fā)光二極管、激光二極管等氣敏半導(dǎo)體用于檢測氣體，特別是用于有害氣體探測磁敏半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)，用于傳感器、磁記錄等熱電半導(dǎo)體熱敏元件，輻射計，熱-電轉(zhuǎn)換、熱電成像壓敏材料用于測量壓力、加速度等濕敏材料用于濕度測量第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日理想晶體的原子排列具有周期性，或長程有序。晶格——晶體中原子排列的具體形式稱為晶格（或格子）。二、晶體結(jié)構(gòu)預(yù)備知識原子球的正方排列體心立方晶格的堆積方式第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日2.原胞——一個晶格的最小的周期性單元。原胞示意圖第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日3.

晶格基矢——原胞的邊矢量（單位矢量）。 能通過平移畫出整個點陣的最小可能的矢量。簡單立方：面心立方：第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日在結(jié)晶學(xué)中，選某一格點為原點O，任一格點A的格矢為4.格矢（平移矢量）為對應(yīng)晶軸上的投影，取整數(shù)。為晶軸上的單位矢量。第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日5.布拉菲格子——由同種原子構(gòu)成的點陣。6.復(fù)式格子——結(jié)點由兩種或兩種以上原子構(gòu)成的點陣，各種原子各自構(gòu)成相同的布拉菲格子，但相互有一個位移，形成一個復(fù)式點陣。7.晶列——布拉菲格子的格點可以看成分布在一系列相互平行的直線系上，這些直線系叫晶列。8.晶向——每一個晶列定義了一個方向，稱為晶向。 如果從一個原子沿晶向到最近的原子的位移矢量為則晶向就用l1,l2,l3來標(biāo)志，寫成[l1

l2

l3]——晶向指數(shù)晶列晶向第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日9.晶面——布拉菲格點還可看成分列在平行等距的平面系上，這樣的平面稱為晶面。密勒指數(shù)（h1h2h3）：|

h1|、|h2|、|h3|表示等距的晶面分別把基矢a1、a2、a3分割成多少個等份。(110)(111)(100)第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日10.倒格矢與真實空間的晶格對應(yīng)，動量空間也有一套相應(yīng)的點陣，即倒易點陣。X射線、電子顯微鏡等利用衍射得到的是倒格子信息。STM（掃描透視顯微鏡）得到的是真實空間結(jié)構(gòu)。正空間基矢與倒空間基矢關(guān)系：另外，正空間基矢與倒空間基矢關(guān)系：第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日倒格矢與晶面間距d納米ZnO的XRD及TEM第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日11.原子的結(jié)合鍵合類型產(chǎn)生原因離子鍵電負(fù)性相差較大的原子間結(jié)合形式，離子間存在庫倫相互作用，有較大電荷作用共價鍵電負(fù)性相同或相差很小的原子間的結(jié)合方式，由共有電子對產(chǎn)生的交換作用引起的，基本沒有電荷轉(zhuǎn)移混合鍵介于上面兩種情形的鍵合形式，有電荷轉(zhuǎn)移，但是轉(zhuǎn)移數(shù)量不大分子鍵依靠分子間的吸引力即范德華力形成的鍵氫鍵氫原子與一個原子結(jié)合后，由于其原子核體積很小，可以與另一個電負(fù)性較大的原子結(jié)合形成氫鍵金屬鍵共用傳導(dǎo)電子，原子核與共有電子之間通過庫倫力相互作用電負(fù)性：獲取電子的能力。軌道雜化：原子中不同軌道的電子結(jié)合成晶體時為降低總能量導(dǎo)致的軌道混雜的現(xiàn)象。本質(zhì)為波函數(shù)疊加。第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日金剛石型結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)每個原子周圍有四個最鄰近的原子，這四個原子處于正四面體的頂角上，任一頂角上的原子和中心原子各貢獻(xiàn)一個價電子為該兩個原子所共有，并形成穩(wěn)定的共價鍵結(jié)構(gòu)。共價鍵夾角：109?28’第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日金剛石結(jié)構(gòu)結(jié)晶學(xué)原胞兩個面心立方沿立方體空間對角線互相位移了四分之一的空間對角線長度套構(gòu)而成。金剛石結(jié)構(gòu)固體物理學(xué)原胞中心有原子的正四面體結(jié)構(gòu)（相同雙原子復(fù)式晶格）金剛石結(jié)構(gòu)原子在晶胞內(nèi)的排列情況頂角八個，貢獻(xiàn)1個原子；面心六個，貢獻(xiàn)3個原子；晶胞內(nèi)部4個；共計8個原子。第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日硅、鍺基本物理參數(shù)晶格常數(shù)硅：0.543089nm鍺：0.565754nm原子密度硅：5.00×1022鍺：4.42×1022共價半徑硅：0.117nm鍺：0.122nm第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料結(jié)晶學(xué)原胞結(jié)構(gòu)特點兩類原子各自組成的面心立方晶格，沿空間對角線方向彼此位移四分之一空間對角線長度套構(gòu)而成。閃鋅礦型結(jié)構(gòu)第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日與金剛石結(jié)構(gòu)的區(qū)別共價鍵具有一定的極性（兩類原子的電負(fù)性不同），因此晶體不同晶面的性質(zhì)不同。不同雙原子復(fù)式晶格。常見閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料

Ⅲ-Ⅴ族化合物 部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞等半金屬材料。第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日纖鋅礦型結(jié)構(gòu)與閃鋅礦型結(jié)構(gòu)相比相同點：以正四面體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成區(qū)別：

1.具有六方對稱性，而非立方對稱性

2.共價鍵的離子性更強(qiáng)硫化鋅、硒化鋅、硫化鎘、硒化鎘等材料均可以閃鋅礦型和纖鋅礦型兩種結(jié)構(gòu)結(jié)晶某些重要的半導(dǎo)體材料以氯化鈉型結(jié)構(gòu)結(jié)晶。如Ⅳ-Ⅵ族化合物硫化鉛、硒化鉛、碲化鉛等。第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日周期性勢場的形成(1)孤立原子中價電子所在處的勢能及總能(按經(jīng)典理論,電子在ab之間運動)EPrEabEPEPrEbacdABd(2)在ab區(qū)域內(nèi)運動的電子有一定的概率穿過bc運動到cd,這樣電子在一定程度上是兩個原子共有的。第三章晶體中電子的能帶一.能帶的形成第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日(3)原子相距為d組成一維點陣rE3EPacbdE1E2對能量為E3的價電子,完全可以自由地在晶體中運動。

2.

電子的共有化——

由于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)，能量低于勢壘的價電子也有較大的概率穿越勢壘而擺脫單個原子核的束縛。而能量高于勢壘的價電子本身已是自由電子。于是，價電子不再被約束于單個原子，而為整個晶體中原子所共有。這稱為電子的共有化。它顯然是一種量子效應(yīng)。第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日能帶的形成和能帶的結(jié)構(gòu)能帶的形成:由于電子的共有化,使原來原子中的電子能級分裂而形成能帶。

(實質(zhì)上是固體中原子相互作用,相互影響的結(jié)果)(1)氫原子組成氫分子由于兩原子的相互作用,使得1s能級分裂成稍許不同的兩個能級Er0dEaEbEr0dabN個能級(2)由N個原子組合成晶體時,原來相同的能級形成N個能級(能帶)第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日說明: a.新能級的能量范圍稱為能帶；

b.由于N極大,△E又很小,故能帶內(nèi)能級可看成是連續(xù)的；

4.能帶與能級的對應(yīng)關(guān)系(1)能帶可以用相應(yīng)的能級符號表示s,p,d,f,…帶(2)禁帶:在相鄰兩個能帶之間不存在電子的穩(wěn)定態(tài),這一能帶間隔△Eg稱為禁帶,如圖。3p1s2s2p3s3d原子能級晶體能帶第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日（3）價帶與導(dǎo)帶價帶:絕對零度時，全滿的能帶。

對半導(dǎo)體而言，價帶中的能級基本上是連續(xù)的。全充滿的能帶中的電子不能產(chǎn)生宏觀電流。若受到光照，可吸收足夠能量而跳入下一個容許的最高能區(qū)，從而使價帶變成部分充填，在電場作用下就可以產(chǎn)生宏觀電流。導(dǎo)帶:絕對零度時，全空的能帶。導(dǎo)帶禁帶價帶第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日二.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

空帶滿帶（2）價帶是滿帶，但滿帶與空帶相重疊。電子很容易從滿帶躍遷到空帶中而導(dǎo)電。金屬Mg、Zn、Be屬此類?？諑?dǎo)帶（3）價帶是未滿的導(dǎo)帶，而它又與相鄰的空帶重疊。電子很容易躍遷導(dǎo)電。金屬Na、K、Cu、Al、Ag屬此類。導(dǎo)帶1.導(dǎo)體：（1）價帶是未填滿的導(dǎo)帶。電子很容易在導(dǎo)帶中從低能級向高能級躍遷而導(dǎo)電。金屬Li屬此類。第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日2.絕緣體：絕緣體的價帶為滿帶，且滿帶與空帶之間的禁帶寬度△Eg

較大，電子很難躍遷導(dǎo)電。但是，如果外電場很強(qiáng)，使?jié)M帶中的電子大量躍遷到空帶中去，從而絕緣體變成導(dǎo)體，這就是絕緣體的擊穿。空帶滿帶空帶滿帶3.半導(dǎo)體：半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體大致相同，價帶也是滿帶，但滿帶與空帶之間的禁帶寬度△Eg較小。容易把電子從滿帶激發(fā)到空帶中去，從而電子和空穴都參與導(dǎo)電。例如,硅(Si)和鍺(Ge)的禁帶寬度，在常溫下分別為1.11eV和0.47eV。第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日三.空穴價帶一般是滿的。研究價帶上電子的途徑：電子、空著的狀態(tài)。氣泡雨滴價帶空穴導(dǎo)帶電子空穴：代表價帶頂部附近的電子激發(fā)到導(dǎo)帶后留下的價帶空狀態(tài)。為了討論方便而假設(shè)的粒子。電荷：+e運動方向：與導(dǎo)帶電子方向相反導(dǎo)電機(jī)制半導(dǎo)體：電子+空穴=載流子金屬：電子第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日四.本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體：不含任何雜質(zhì)和缺陷的理想半導(dǎo)體?！舯菊鬏d流子——本征半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的電子和空穴；◆本征激發(fā)——電子由滿帶直接激發(fā)到導(dǎo)帶中而在滿帶中留下空穴。◆本征導(dǎo)電——只由本征載流子參與的導(dǎo)電。2.

雜質(zhì)半導(dǎo)體：摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

（1）n型半導(dǎo)體（電子型）：

——由四價元素（例如硅或鍺）半導(dǎo)體摻入五價元素（例如砷）雜質(zhì)構(gòu)成。

逾量電子施主雜質(zhì)（Dopant）施主能級電離能△ED<<△Eg導(dǎo)帶滿帶施主能級第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日以上雜質(zhì)能級屬于“淺能級”。N電四五施主導(dǎo)底P空四三受主滿頂注意：P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是空穴，但仍有少數(shù)載流子是電子。

注意：N型半導(dǎo)體多數(shù)載流子是電子，但仍有少數(shù)載流子是空穴。（2）P型半導(dǎo)體（空穴型）：由四價元素（例如硅或鍺）半導(dǎo)體摻入三價元素（例如硼）構(gòu)成。

◆受主雜質(zhì)（Acceptor）◆受主能級

◆電離能△EA<<△Eg滿帶導(dǎo)帶E受主能級第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日五.電子的有效質(zhì)量有效質(zhì)量體現(xiàn)了晶格場的影響。晶體中電子的有效質(zhì)量并不是電子的靜止質(zhì)量或慣性質(zhì)量，它是為了討論方便引入的。在能帶底附近，電子