【物理】半導(dǎo)體物理西安電子科技大學(xué)柴常春等主講-[筆記P1-P9]引言·熱半導(dǎo)體·參雜半導(dǎo)體·光半導(dǎo)體CdS·磁場和電場也可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力半導(dǎo)體是容易收到外界光/熱/磁/電/微量參雜·半導(dǎo)體的課程主要就是談?wù)摪雽?dǎo)體材料收到以上條件變化而產(chǎn)生的變化。預(yù)備知識組成晶體的原子(離子)在較大的范圍內(nèi)(微米)都是按照一定的方式有規(guī)律的排列的。長程有序。非品沒有規(guī)則的外形，沒有固定的熔點(diǎn)。但是在較小的范圍內(nèi)(幾個(gè)原子內(nèi)存在有序)稱為短程有序。單晶：整塊晶體由原子(離子)一種規(guī)律排列，貫穿始終。多晶：由許多小晶粒雜亂的堆積起來的。微米數(shù)量級?；瘜W(xué)鍵與晶體結(jié)構(gòu)1.原子的負(fù)電性-衡量原子對核外電子的束縛能力的強(qiáng)弱的量電離能，原子失去價(jià)電子所必須的能量；親合能，中性原子獲取一個(gè)價(jià)電子成為負(fù)離子，所釋放的能量。原子負(fù)電性：0.18*(電離能+親合能)，0.18是為了Li的負(fù)電性為1.負(fù)電性反映了原子相互結(jié)合時(shí)最外層電子得失的難易程度。負(fù)電性大：{1.電離能大說明很難失去電子；2.親和能大說明容易獲取電子)小結(jié)：價(jià)電子總是向負(fù)電性大的原子轉(zhuǎn)移。各原子的負(fù)電性：同一行，由左向右——→負(fù)電性變大，非金屬性增強(qiáng)；同一列，由上-下4負(fù)電性變小，金屬性增強(qiáng)。離子鍵依靠正負(fù)離子之間的靜電力，又離子鍵結(jié)合而成的晶體稱為離子晶體。配位數(shù)晶體中，任意原子/離子，周圍最近鄰的原子/離子數(shù)。NaCl配位數(shù)是6.離子任意一離子的最近粒子，必定是帶相反電荷的另一種離子，靜電引力的作用結(jié)果配位數(shù)的大小排列的緊密程度。品胞晶體結(jié)構(gòu)的基本單元，既反映了周期性，有反應(yīng)了各種對稱性。整個(gè)晶體是又晶胞重復(fù)排列而成的。面心立方體原包?NaCl晶體中，Na原子的價(jià)電子已經(jīng)完全轉(zhuǎn)移到Cl原子的最外層軌道上。他們緊束縛在各個(gè)離子上，他們不能隨意移動(dòng)，所以一般離子晶體是絕緣的。共價(jià)鍵和共價(jià)晶體同一種原子構(gòu)成，原子間無電荷無負(fù)電性差，無價(jià)電，兩個(gè)原子間自旋相反的價(jià)電子。兩個(gè)之間的電子云重疊處有較高的密度，帶正電的原子實(shí)，依靠原子之間帶負(fù)電的電子云所形成的結(jié)合力。共價(jià)鍵依靠一對自旋相反配對的價(jià)電子所形成的結(jié)合力稱為共價(jià)鍵，共價(jià)晶體。金剛石，Si，Ge都是典型的共價(jià)晶體，他們的配位數(shù)是4.封閉的正四面體(共價(jià)四面體，粽子)·飽和性：一個(gè)原子與周圍原子形成的數(shù)目是有限制的；金剛石，Si，Ge配位數(shù)是4·方向性：一定方向上(共價(jià)鍵的方向)，原子之間形成共價(jià)鍵時(shí)，電子云的重疊性具有最高密度。(量子力學(xué)內(nèi)容，sp3雜化，共價(jià)鍵問的夾角是109°28')·共價(jià)四面體：如果把原子看作圓球，并且最緊鄰的圓球彼此相切，則球的半徑稱為共價(jià)半徑。原子間距是共價(jià)半徑的2倍。不能通過共價(jià)四面體來平移形成晶體，說明不是他們的晶胞?！そ饎偸汗矁r(jià)半徑R，0.77。晶胞是正立方體，立方體的八個(gè)頂角各有一個(gè)原子，六個(gè)面心上各有一個(gè)原子，四條對角線，距離最近鄰的頂點(diǎn)，1/4對角線，立方晶系。邊長稱為晶格常數(shù)a，XRD可以測出?！そ饎偸Y(jié)構(gòu)原子密度：8/a^3，兩個(gè)的面心立方沿著空間對角線1/4長度套構(gòu)而成。?Si.共價(jià)半徑，1.17，四個(gè)價(jià)電子，共有一對自旋相反的價(jià)電子?！e:共價(jià)半徑,1.22金屬鍵和金屬晶體ⅢⅢ族元素具有較低負(fù)電性，對價(jià)電子有較低的束縛能力、在構(gòu)成晶體的時(shí)候分屬各個(gè)原子的價(jià)電子不再屬于某個(gè)原子，而是屬于所有電子共有?？梢栽诰w中自由運(yùn)動(dòng)，電子的波函數(shù)遍及整個(gè)晶體-電子氣。帶負(fù)電的電子氣和帶正電的電子實(shí)之間的庫侖引力形成的結(jié)合力稱為金屬鍵?！ぞo密型：要求原子的排列盡可能的緊密，才是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。配位數(shù)：金屬晶體中具有最高的配位數(shù)。·面心立方:Cu,Au,Ag,AI配位數(shù)·體心立方：堿金屬，鎢W，鉬Mo·密排六方:ABAB,金屬Zn,Cd立方密堆積。·導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，光澤(自由運(yùn)動(dòng)的電子，平均動(dòng)能的標(biāo)志，晶體具有關(guān)澤)混合鍵和混合鍵型晶體對于多數(shù)晶體存在幾種形式的化學(xué)鍵，稱謂混合鍵型晶體，如：?Ⅲ/V族化合物半導(dǎo)體GaAs-砷化鎵，CdS-硫化鎘，共價(jià)鍵和離子鍵組成的混合鍵。?Ga是Ⅲ族/As種是Ⅴ族，負(fù)電性差別小，平均各有四個(gè)價(jià)電子，每個(gè)Ga(As)與周圍的四個(gè)As或者是Ga形成飽和共價(jià)鍵，形成共價(jià)四面體。但是Ⅲ/V族存在負(fù)電性的差別，所以價(jià)電子向負(fù)電性大的V族有所轉(zhuǎn)移。As周圍帶負(fù)電性。Ga周圍帶等量的正電性/正電荷。存在庫倫引力的作用。(離子鍵的作用)共價(jià)鍵為主，離子為輔?！らW鋅礦結(jié)構(gòu)：有兩種不同原子組成的面心立方，沿著空間對角線方向，平移1/4.?小結(jié)：晶體中，1.化學(xué)鍵的性質(zhì)是決定晶體結(jié)構(gòu)的重要因素，并且對晶體的物理性質(zhì)有很大影響。2.化學(xué)鍵的性質(zhì)由組成晶體的原子的價(jià)電子的分布決定?！，價(jià)電子在兩種原子之間的完全轉(zhuǎn)移-離子鍵：NaCl·b，價(jià)電子在同一種原子之間的共有-共價(jià)鍵：Si，Ge·C.價(jià)電子為晶體中所有原子共有-金屬鍵:Au,Ag,Cu,Al·d，價(jià)電子在兩種原子部分共有和部分轉(zhuǎn)移-混合鍵：GaAs·半導(dǎo)體中化學(xué)鍵的性質(zhì)：共價(jià)鍵或者是或多或少混合鍵，所以共價(jià)鍵被稱為半導(dǎo)體鍵。金剛石結(jié)構(gòu)的各向異性?晶體中某些物理/化學(xué)性質(zhì)沿著不同的平面往往是不同的，這種現(xiàn)象稱為晶體的各項(xiàng)異性。例如：Si，Ge，GaAs容易沿著某些特定平面劈裂開來。我們稱為晶體的可解理性。·切/磨/拋形成wafer.?Si，Ge，GaAs在腐蝕液中的腐蝕速度也是各向異性的。晶向和晶面?晶體是由晶胞周期性重復(fù)排列而成，整塊晶體如同網(wǎng)格，稱為晶格。組成晶體的原子或離子的重心位置稱為格點(diǎn)。格點(diǎn)的總體我們稱為點(diǎn)陣?！ち⒎骄抵?，取某一格點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，沿著立方晶胞沿著三個(gè)相互垂直的邊，OA，OB，OC做三個(gè)坐標(biāo)軸。x，y，z軸稱為晶軸：其中OA=OB=OC=a(品格常數(shù)),并以a作為晶軸的長度單位。取OA,OB,OC,a,b,c稱為基本矢量?！ぞЦ裰?，鏈接任意兩點(diǎn)可以形成一條直線，則其他格點(diǎn)都必然平行，晶列的取向稱為晶向?！P=aOA+bOB+cOC互質(zhì)整數(shù)·11:12:13=m:n:p記作[mnp]稱為品列指數(shù)。如有負(fù)號,寫在指數(shù)上方?！τ谕惖木颍?lt;100>表示了6個(gè)同類品相。<111>表示8個(gè)同類品相。<110>表示12個(gè)同類晶相?！ぞw中所有的原子/離子可以看作是位于一系列平行等距的平面系上，稱為晶面族。?晶面族的截距r,s,t的倒數(shù)-互質(zhì)再取整數(shù)。1/r,1/s,1/t=h:k:1記住(hkl)被稱為晶面指數(shù),或者說是Miller指數(shù)。同類晶面用[hkl]花括號來表示。·常見的晶面和晶相：立方晶系中，晶面指數(shù)和晶列指數(shù)相同的，是互相垂直的。立方晶系中主要晶面和晶相的夾角(100)(110)(111)(hkl)和{hkl},夾角是都是固定且多樣的。金剛石結(jié)構(gòu)的各向異性1.<100>晶相·面間距的大小：定義晶面之間的垂直距離為面間距(100)間的面間距是a/4面間距；·原子面密度：單位面積上的原子個(gè)數(shù)為原子面密度，[100]的原子面密度=2/a^2；·共價(jià)鍵面密度：單位面積上共價(jià)鍵數(shù)為共價(jià)鍵面密度。原子面密度*2.4/a^4·單位長度上的原子個(gè)數(shù)為原子線密度，<100>晶面上，1/a。2.沿著<110>晶向和(110)晶面上的原子排列·[110]的面間距是1/4squr(2)a·[110]原子面密度=2sqrt(2)/a^2·{110}共價(jià)鍵面密度=2sqrt(2)/a^2·<110>晶向上原子線密度:squr(2)/a3.<111>晶向和[111]晶面上的原子排列立方密堆積ABCA，正好是面心立方沿著<111>方向，圖24.涂黑的原子。密排面最緊密的排列方式ABAB：Zn，Cd密排六方；ABCABCABC，立方密堆積，就是面心立方晶體沿著<111>方向的原子排列。金剛石結(jié)構(gòu)是兩個(gè)面心立方沿著<111>平移1/4距離形成的結(jié)構(gòu)，·面心立方的{111}面是密排列；·ABCA，將面心立方將空間對角線長度分了3等分；·設(shè)想由兩個(gè)面心立方ABCA與另外一個(gè)面心立方的四個(gè)面A'B'C'A'先相互重合然后沿<111>方向相互平移1/4對角線長度sqrt(3)a/4.a在空間對角線長度sqrt(3)a共有7個(gè)相互平行的{111}面。AA'BB'CC'Ab{111}晶面的面間距有兩種{A-A',B-B'}面間距小的距離1/3sqrt(3)a-1/4sqrt(3)ac{111}原子面密度:4sqrt(3)/3a^2·d共價(jià)鍵密度：對于面間距大的兩個(gè)相鄰面(111)面，每個(gè)原子和相鄰面的原子有一個(gè)共價(jià)鍵連接，所以共價(jià)鍵面密度就是原子面密度,4sqrt(3)/3a2:面間距小約兩個(gè)(111]圖有3個(gè)共價(jià)鍵連接,這個(gè)共價(jià)鍵的圓容度4sqrt{3}/*2·對于面間距小的<111>面，可以看作是連接緊密的雙層原子面?！原子的線密度:2sqrt(3)/3a.·總結(jié)：金剛石結(jié)構(gòu)和共價(jià)四面體結(jié)構(gòu)header1面間距原子面密度晶面間作用于每個(gè)原子的共價(jià)鍵晶面間共價(jià)鍵面密度原子線密度(100)1/4a=0.25a2/a^224/a^21/a(110)sqrt(2)a/4=0.354a2sqrt(2)/a^2=2.83/a^212.83/a^2sqrt(Z)/a=1.41/a{111}雙層原子面(解理面)sqrt(3)/4a=0.433a(max)4sqrt(3)/3a^2=2.31/a^212.31/a^2(min)2sqrt(3)/3a=1.17/a[111]雙層原子面內(nèi)sqrt(3)a/12=0.144a4.62/a^236.93/a^22·金剛石的[111]面是解理面，面間距大，晶面間共價(jià)鍵密度低?！そ饎偸刂?lt;110