理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)第一章PPT課件

1、第1頁/共75頁半導(dǎo)體物理發(fā)展進(jìn)程半導(dǎo)體物理發(fā)展進(jìn)程半導(dǎo)體物理的發(fā)展序幕半導(dǎo)體物理的發(fā)展序幕 晶態(tài)半導(dǎo)體物理晶態(tài)半導(dǎo)體物理原子排列從有序向無序的轉(zhuǎn)變原子排列從有序向無序的轉(zhuǎn)變 非晶態(tài)半導(dǎo)體物理非晶態(tài)半導(dǎo)體物理材料性質(zhì)從體內(nèi)向表面的轉(zhuǎn)變材料性質(zhì)從體內(nèi)向表面的轉(zhuǎn)變 半導(dǎo)體表面物理半導(dǎo)體表面物理能帶特征從自然向人工的轉(zhuǎn)變能帶特征從自然向人工的轉(zhuǎn)變 半導(dǎo)體超晶格物理半導(dǎo)體超晶格物理體系結(jié)構(gòu)從三維向零維的轉(zhuǎn)變體系結(jié)構(gòu)從三維向零維的轉(zhuǎn)變 納米半導(dǎo)體物理納米半導(dǎo)體物理元素組成從原子向分子的轉(zhuǎn)變元素組成從原子向分子的轉(zhuǎn)變 有機(jī)半導(dǎo)體物理有機(jī)半導(dǎo)體物理第2頁/共75頁半導(dǎo)體物理學(xué)研究對象半導(dǎo)體物理學(xué)研究對象l

2、研究半導(dǎo)體的各種物理性質(zhì)及其內(nèi)在規(guī)律。l 研究在外界作用下( (摻雜、電場、溫度場、磁場) )半導(dǎo)體性質(zhì)的變化及其原因。l 半導(dǎo)體種類繁多，本課程主要針對硅基晶態(tài)半導(dǎo)體作為研究對象。第3頁/共75頁學(xué)習(xí)本課程的基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)本課程的基礎(chǔ)課程量子力學(xué)半導(dǎo)體半導(dǎo)體物理物理固體物理熱力學(xué)統(tǒng)計物理第4頁/共75頁主要參考書：主要參考書：半導(dǎo)體物理學(xué)，第半導(dǎo)體物理學(xué)，第7 7版，劉恩科，朱秉升，版，劉恩科，朱秉升，羅晉生等編，電子工業(yè)出版社，羅晉生等編，電子工業(yè)出版社，20082008年年其他參考書：其他參考書：半導(dǎo)體物理與器件，裴素華，機(jī)械工業(yè)出版半導(dǎo)體物理與器件，裴素華，機(jī)械工業(yè)出版社社, 2008,

3、 2008年年9 9月月固體物理，方俊鑫，上?？萍汲霭嫔?，固體物理，方俊鑫，上?？萍汲霭嫔?，19951995第5頁/共75頁 1.11.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì) 1.21.2半導(dǎo)體的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體的電子狀態(tài)和能帶 1.31.3半導(dǎo)體中電子的運動半導(dǎo)體中電子的運動 有效質(zhì)量有效質(zhì)量 1.41.4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu) 空穴空穴 1.51.5回旋共振回旋共振 1.61.6硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)第一章第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)第6頁/共75頁1.11.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì) 半導(dǎo)體的單晶

4、材料和其他固態(tài)晶體材料一樣，是由大量原子周期性重復(fù)排列而成。半導(dǎo)體的單晶材料和其他固態(tài)晶體材料一樣，是由大量原子周期性重復(fù)排列而成。每個原子又包含原子核和核外電子。每個原子又包含原子核和核外電子。單電子近似方法，即假設(shè)每個電子是在單電子近似方法，即假設(shè)每個電子是在周期性排列且固定不動的原子核勢場及周期性排列且固定不動的原子核勢場及其他電子的平均勢場中運動。該勢場具其他電子的平均勢場中運動。該勢場具有與晶格同周期的周期性勢場。有與晶格同周期的周期性勢場。第7頁/共75頁三種簡單格子三種簡單格子簡立方簡立方體心立方體心立方面心立方面心立方第8頁/共75頁第9頁/共75頁第10頁/共75頁第11頁/

5、共75頁第12頁/共75頁第13頁/共75頁結(jié)晶學(xué)結(jié)晶學(xué)晶體學(xué)中的布喇菲原胞，按對稱特點來選取?；冈诰лS方向，固體物理學(xué)中選取的原晶體學(xué)中的布喇菲原胞，按對稱特點來選取?；冈诰лS方向，固體物理學(xué)中選取的原胞，不是任意重復(fù)單元，基矢方向和晶軸方向還是有一定的相對取向。胞，不是任意重復(fù)單元，基矢方向和晶軸方向還是有一定的相對取向。結(jié)晶學(xué)中的立方晶系結(jié)晶學(xué)中的立方晶系, ,布喇菲原胞布喇菲原胞簡立方() 體心立方() 面心立方()第14頁/共75頁第15頁/共75頁第16頁/共75頁第17頁/共75頁1.1.金剛石型結(jié)構(gòu)和共價鍵金剛石型結(jié)構(gòu)和共價鍵SiSi，GeGe都是第四周期的都是第四周期的元

6、素，即外層有四個價元素，即外層有四個價電子。硅、鍺的結(jié)合依電子。硅、鍺的結(jié)合依靠共價鍵結(jié)合，組成金靠共價鍵結(jié)合，組成金剛石型結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)特點：剛石型結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)特點：每一個原子周圍有四個每一個原子周圍有四個最鄰近的原子，這四個最鄰近的原子，這四個原子分別處在四個頂角原子分別處在四個頂角上，任一頂角的原子和上，任一頂角的原子和中心原子各貢獻(xiàn)一個價中心原子各貢獻(xiàn)一個價電子為兩個原子所共有。電子為兩個原子所共有。第18頁/共75頁四面體的結(jié)合四面體的結(jié)合第19頁/共75頁結(jié)晶學(xué)原胞結(jié)晶學(xué)原胞兩個面心立方沿立方兩個面心立方沿立方體的空間對角線互相體的空間對角線互相位移了空間對角線四位移了空間對角線四分之一

7、的長度套構(gòu)而分之一的長度套構(gòu)而成。成。8 8個原子在角頂，個原子在角頂，6 6個個在面中心，晶胞內(nèi)部在面中心，晶胞內(nèi)部有有4 4個原子，頂角和個原子，頂角和面心與這面心與這4 4個原子周個原子周圍不同，是相同原子圍不同，是相同原子構(gòu)成的復(fù)式格子。構(gòu)成的復(fù)式格子。第20頁/共75頁晶向晶向, ,面的介紹面的介紹(001)(010)(100)(110)(111)(001)(010)(100)(110)(111)面面向向100110111100110111第21頁/共75頁2.2.閃鋅礦型結(jié)構(gòu)和離子鍵閃鋅礦型結(jié)構(gòu)和離子鍵 由三族元素由三族元素AlAl、GaGa，銦和五族元素，銦和五族元素P P、As

8、As組成的三五族化合物，它們大都是閃鋅礦組成的三五族化合物，它們大都是閃鋅礦型結(jié)構(gòu)。型結(jié)構(gòu)。閃鋅礦結(jié)構(gòu)：與金剛石型結(jié)構(gòu)類似，由兩閃鋅礦結(jié)構(gòu)：與金剛石型結(jié)構(gòu)類似，由兩類原子組成，雙原子復(fù)式格子。類原子組成，雙原子復(fù)式格子。以共價鍵為主，但有一定的離子鍵成分。以共價鍵為主，但有一定的離子鍵成分。第22頁/共75頁第23頁/共75頁3.3.纖鋅礦型結(jié)構(gòu)纖鋅礦型結(jié)構(gòu)二六族化合物，如鋅、鉻、汞和硫、二六族化合物，如鋅、鉻、汞和硫、硒、碲等組成的化合物大部分具有閃硒、碲等組成的化合物大部分具有閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，但其中有些也可具有纖鋅礦型結(jié)構(gòu)，但其中有些也可具有纖鋅礦型結(jié)構(gòu)。鋅礦型結(jié)構(gòu)。離子鍵第24頁/共75頁

9、第25頁/共75頁1.21.2半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體材料大都是單晶體。單晶體是半導(dǎo)體材料大都是單晶體。單晶體是由靠得很緊密的原子周期性重復(fù)排列由靠得很緊密的原子周期性重復(fù)排列而成，相鄰原子之間間距在而成，相鄰原子之間間距在nmnm量級，量級，因此半導(dǎo)體中電子狀態(tài)肯定和單原子因此半導(dǎo)體中電子狀態(tài)肯定和單原子的電子狀態(tài)有所不同。的電子狀態(tài)有所不同。第26頁/共75頁電子的共有化運動電子的共有化運動第27頁/共75頁共有化運動的能量共有化運動的能量第28頁/共75頁原子能級分裂為能帶的示意圖原子能級分裂為能帶的示意圖第29頁/共75頁金剛石型結(jié)構(gòu)價電子能帶示意圖金剛石

10、型結(jié)構(gòu)價電子能帶示意圖導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶禁帶禁帶第30頁/共75頁 晶體中的原子與孤立原子的電子不同，也和自由運動的電子不同。晶體中的原子與孤立原子的電子不同，也和自由運動的電子不同。半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)和能帶單電子近似認(rèn)為，晶體中某一個電子是在單電子近似認(rèn)為，晶體中某一個電子是在周期性排列且固定不動的原子核勢場和其周期性排列且固定不動的原子核勢場和其他大量電子的勢場中運動。他大量電子的勢場中運動。研究發(fā)現(xiàn)，電子在周期性勢場中運動的基本特點和自由電子運動十分相似。第31頁/共75頁第32頁/共75頁第33頁/共75頁布里淵區(qū)與能帶第34頁/共75頁簡約布里淵區(qū)與能帶第35頁

11、/共75頁金剛石型結(jié)構(gòu)的第一布里淵區(qū)金剛石型結(jié)構(gòu)的第一布里淵區(qū)第36頁/共75頁導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶 (a)(a)絕緣體絕緣體 (b)(b)半導(dǎo)體半導(dǎo)體 (c)(c)導(dǎo)體導(dǎo)體第37頁/共75頁第38頁/共75頁1.3 1.3 半導(dǎo)體中電子的運動半導(dǎo)體中電子的運動 有效質(zhì)有效質(zhì)量量 E(k)E(k)和和k k之間的關(guān)系之間的關(guān)系 之前只給出了一個定性的關(guān)系，對之前只給出了一個定性的關(guān)系，對E(k)E(k)和和k k的關(guān)系式并不清楚。的關(guān)系式并不清楚。通常半導(dǎo)體中，起作用的是導(dǎo)帶底或價帶通常半導(dǎo)體中，起作用的是導(dǎo)帶底或價帶頂?shù)碾娮?，需考慮能帶極值附近頂?shù)碾娮?，需考慮

12、能帶極值附近E(k)E(k)和和k k的的關(guān)系。關(guān)系。第39頁/共75頁第40頁/共75頁第41頁/共75頁第42頁/共75頁第43頁/共75頁第44頁/共75頁1.4 1.4 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電結(jié)構(gòu) 空穴空穴第45頁/共75頁第46頁/共75頁1.51.5回旋共振回旋共振 不同的半導(dǎo)體材料，其能帶結(jié)構(gòu)不同，從理論上難以確定不同的半導(dǎo)體材料，其能帶結(jié)構(gòu)不同，從理論上難以確定E E與波矢與波矢k k的關(guān)系，需的關(guān)系，需借助實驗的幫助。借助實驗的幫助。n回旋共振實驗用于測量半導(dǎo)體中載流子有 效質(zhì)量及能帶結(jié)構(gòu)。第47頁/共75頁第48頁/共75頁第49頁/共75頁第50頁/共75頁

13、第51頁/共75頁第52頁/共75頁1.61.6硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)1.1.導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶結(jié)構(gòu) 對硅來說，對硅來說，（1 1）當(dāng)）當(dāng)B B沿沿111111晶軸方向，只能觀察到一個吸收峰；晶軸方向，只能觀察到一個吸收峰；（2 2）當(dāng)）當(dāng)B B沿沿110110晶軸方向，可以觀察到兩個吸收峰；晶軸方向，可以觀察到兩個吸收峰；（3 3）當(dāng)）當(dāng)B B沿沿100100晶軸方向，也能觀察到兩個吸收峰；晶軸方向，也能觀察到兩個吸收峰；（4 4）當(dāng)）當(dāng)B B沿任意晶軸方向，可以觀察到三個吸收峰。沿任意晶軸方向，可以觀察到三個吸收峰。若等能面是球面，那么只能觀察到一個吸收峰。第53頁/共75頁解釋：解釋

14、： 如果硅導(dǎo)帶底附近等能面是沿如果硅導(dǎo)帶底附近等能面是沿100100方方向的旋轉(zhuǎn)橢球面，橢球長軸與該方向重合，那向的旋轉(zhuǎn)橢球面，橢球長軸與該方向重合，那么理論與實驗結(jié)果一致。同時，導(dǎo)帶最小值不么理論與實驗結(jié)果一致。同時，導(dǎo)帶最小值不在在k k空間原點，在空間原點，在100100方向上。方向上。硅導(dǎo)帶等能面示意圖第54頁/共75頁第55頁/共75頁第56頁/共75頁第57頁/共75頁第58頁/共75頁鍺的導(dǎo)帶等能面，8個半旋轉(zhuǎn)橢球面硅的導(dǎo)帶等能面,6個旋轉(zhuǎn)橢球面第59頁/共75頁 回旋共振的實驗發(fā)現(xiàn)，硅、鍺電子有效質(zhì)量各向異性，說明其等能面各向異性?；匦舱竦膶嶒灠l(fā)現(xiàn)，硅、鍺電子有效質(zhì)量各向異性

15、，說明其等能面各向異性。 硅有六個橢球等能面，分別分布在硅有六個橢球等能面，分別分布在晶向的六個等效晶軸上，電子主要分布在晶向的六個等效晶軸上，電子主要分布在這六個橢球的中心（極值）附近。這六個橢球的中心（極值）附近。 僅從回旋共振的實驗還不能決定導(dǎo)帶極值（橢球中心）的確定位置。通過施主電僅從回旋共振的實驗還不能決定導(dǎo)帶極值（橢球中心）的確定位置。通過施主電子自旋共振實驗得出，硅的導(dǎo)帶極值位于子自旋共振實驗得出，硅的導(dǎo)帶極值位于方向的布里淵區(qū)邊界的方向的布里淵區(qū)邊界的0.850.85倍處倍處 第60頁/共75頁 n n型鍺的實驗指出，鍺的導(dǎo)電極小值位于型鍺的實驗指出，鍺的導(dǎo)電極小值位于方向的布

16、里淵區(qū)邊界上共有八個。方向的布里淵區(qū)邊界上共有八個。 極值附近等能面為沿極值附近等能面為沿方向旋轉(zhuǎn)的八個橢球面，每個橢球面有半個在布里淵方向旋轉(zhuǎn)的八個橢球面，每個橢球面有半個在布里淵區(qū)，因此，在簡約布里淵區(qū)共有四個橢球區(qū)，因此，在簡約布里淵區(qū)共有四個橢球 第61頁/共75頁第62頁/共75頁第63頁/共75頁第64頁/共75頁第65頁/共75頁 硅和鍺的價帶結(jié)構(gòu)：有三條價帶，其中有兩條價帶的極值在硅和鍺的價帶結(jié)構(gòu)：有三條價帶，其中有兩條價帶的極值在k k0 0處重合，有兩處重合，有兩種空穴有效質(zhì)量與之對應(yīng)，分別為重空穴和輕空穴種空穴有效質(zhì)量與之對應(yīng)，分別為重空穴和輕空穴 還有第三個價帶，其帶頂比前兩個價帶低，對于硅低還有第三個價帶，其帶頂比前兩個價帶低，對于硅低0.04ev0.04ev，對于鍺，對于鍺 低低0.29ev0.29ev 給出了第三種空穴。空穴豬要分布在前兩個價帶。在價帶頂附近，等能面接近給出了第三種空穴?？昭ㄘi要分布在前兩個價帶。在價帶頂附近，等能面接近平面。平面。 第66頁/共75頁第67頁/共75頁砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)：導(dǎo)帶極小值位于砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)：導(dǎo)帶極小值位于布里淵區(qū)中心布里淵區(qū)中心k k0 0處，等能面為球面，處，等能面為球面，導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量為導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量為0.067m0 0.067m0 。在在方向布里淵區(qū)邊界還有一個方向布