電子信息物理學(xué)1省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

第一章緒論一、信息客觀事物狀態(tài)表露隨時(shí)間改變反應(yīng)信息依附于物質(zhì)認(rèn)識(shí)客事物中介物信息技術(shù)：信息產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、處理、傳輸、探測(cè)、顯示、存放信息產(chǎn)業(yè)：主要是3C(Communication，Computer，Control)第1頁社會(huì)發(fā)展政治：原始社會(huì)奴隸社會(huì)

……

技術(shù)：農(nóng)業(yè)社會(huì)工業(yè)社會(huì)

信息社會(huì)主導(dǎo)經(jīng)濟(jì)：農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)工業(yè)經(jīng)濟(jì)

知識(shí)經(jīng)濟(jì)信息高速公路：提供產(chǎn)生、傳輸與享用信息快速通道使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、任何地點(diǎn)，能夠經(jīng)過聲音、圖像、數(shù)據(jù)、文表等方式相互傳遞信息第2頁二、電子基本粒子之一（電子、原子、中子、超子、介子、無質(zhì)量粒子（光子、中微子等）。原子主要組成部分基本電荷(1.60219*10-19C)自由電子靜止質(zhì)量(9.10956*10-31kg)電子學(xué)：研究電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用學(xué)科電子在原子中狀態(tài)電子在物體中狀態(tài)電子與場(chǎng)相互作用電子與粒子間相互作用許多電子學(xué)低頻高頻微波光納米信息電子學(xué)第3頁三、信息電子學(xué)信息與電子是密不可分，電子和光子是信息主要載體光子：基本粒子之一真空中光子速度c=2.998*108m/s

光子能量hυ

光子動(dòng)量hυ/c=h/λ

真空中光子運(yùn)動(dòng)質(zhì)量hv/c2

光子靜止質(zhì)量0電子與光子響應(yīng)速度電子響應(yīng)速度：10-9s左右光子響應(yīng)速度：10-12～10-15s第4頁信息電子學(xué)屬于“弱電”范圍主要材料固體半導(dǎo)體材料、光學(xué)材料、超導(dǎo)材料、磁性材料、電介質(zhì)材料、……

電子材料材料、器件與物理發(fā)展是相互交叉、相互滲透、相互促進(jìn)第5頁四、信息電子學(xué)物理基礎(chǔ)固態(tài)電子學(xué)信息電子器件、技術(shù)與工程橋梁信息電子學(xué)物理基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)（生長(zhǎng)土壤）應(yīng)用領(lǐng)域（陽光雨露）載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律、固體基本物理過程、物理現(xiàn)象、物理性質(zhì)電、磁、聲、光、熱等效應(yīng)及其相關(guān)半導(dǎo)體、光電子、電介質(zhì)、磁性、超導(dǎo)、納米器件、技術(shù)、系統(tǒng)與工程第6頁1.電子在固體中形態(tài)與運(yùn)動(dòng)方式金屬：價(jià)電子在（晶格）孔隙中自由運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體：載流子（導(dǎo)帶電子與價(jià)帶空穴）激發(fā)與復(fù)合遷移運(yùn)動(dòng)超導(dǎo)體：超導(dǎo)態(tài)電子無晶格散射、零電阻運(yùn)動(dòng)磁體：電子旋轉(zhuǎn)電介質(zhì)（絕緣體）：正負(fù)電荷相對(duì)位移第7頁2.外界原因（場(chǎng)或粒子等）與電子相互作用與影響壓電、熱電、磁電、鐵電、電光、磁光、聲光、彈光、熱光、聲光電等物理效應(yīng)提供反應(yīng)客觀物體信息對(duì)材料經(jīng)過信息進(jìn)行各種處理第8頁第一章固體晶體結(jié)構(gòu)介紹本書包括到信息電子固體器件，均與構(gòu)制器件固體材料所含有電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、介電性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)相關(guān)。信息電子器件所用固體材料，普通是單晶材料。單晶材料光、電、磁學(xué)等性質(zhì)不但由化學(xué)組分，而且由固體中原子排列決定。所以有必要了解固體晶體結(jié)構(gòu)知識(shí)。

第9頁固體材料電子學(xué)特征電介質(zhì)特征超導(dǎo)體特征光學(xué)特征磁學(xué)特征力學(xué)特征信息電子固體器件固體材料化學(xué)組成（結(jié)構(gòu)基元）原子排列（空間點(diǎn)陣）信息電子固體器件特征晶體結(jié)構(gòu)第10頁1.1固體類型固體無定形：原子排列在數(shù)個(gè)原子尺度內(nèi)有序多晶：多晶體在許多個(gè)原子范圍內(nèi)短程有序單晶體：理想化單晶體，在整個(gè)材料空間內(nèi)應(yīng)含有長(zhǎng)程有序各向同性各向異性三類晶體二維示意圖第11頁1.2空間點(diǎn)陣一、晶格、原包、元包結(jié)構(gòu)單元：原子、離子、分子或者絡(luò)合離子空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單元晶體結(jié)構(gòu)單晶二維點(diǎn)陣第12頁任意四個(gè)不在同一平面上相鄰陣點(diǎn)（格點(diǎn)）三個(gè)方向基矢a，b，c一個(gè)平行六面體晶體元包廣義主元包第13頁單晶二維點(diǎn)陣幾個(gè)元包原包：最小元包晶格中任意格點(diǎn)位置矢量：第14頁二、基本晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)低級(jí)晶族三斜單斜斜方中級(jí)晶族正方三方六方高級(jí)晶族立方晶系32晶類第15頁立方晶系共有3種晶類：簡(jiǎn)單立方、體心立方、面心立方（a）簡(jiǎn)單立方（b）體心立方（c）面心立方第16頁晶面和密勒指數(shù)要求晶體不一樣晶面方法：密勒（W.H.Miller）指數(shù)選定坐標(biāo)系：原點(diǎn)與方向基矢a，b，c需要求晶面與坐標(biāo)軸相交截距（交點(diǎn)）：p，q，s截距取倒數(shù)，并乘以適當(dāng)系數(shù)簡(jiǎn)單互質(zhì)整數(shù)之比：h：k：l該晶面密勒指數(shù)（hkl）第17頁a軸截距（交點(diǎn)）：p＝3b軸截距（交點(diǎn)）：q＝2c軸截距（交點(diǎn)）：s＝11/p:1/q:1/s=1/3:1/2:1/1=2:3:6=h:k:l密勒指數(shù)（236）第18頁p＝1，q＝∞，s＝∞1/1:1/∞:1/∞=1:0:0密勒指數(shù)（100）p＝1，q＝1，s＝11/1:1/1:1/1=1:1:1密勒指數(shù)（111）p＝1，q＝1，s＝∞1/1:1/1:1/∞=1:1:0密勒指數(shù)（110）（a）（100）面（b）（110）面（c）（111）面第19頁四、晶面間距晶面間距：相鄰平行晶面之間距離晶面間距是晶面主要參數(shù)之一晶面間距相鄰平行晶面原子之間作用力解理該平面更輕易簡(jiǎn)單立方晶格常數(shù)a1（100）晶面間距：a1（110）晶面間距：a1（111）晶面間距：a1

第20頁五、晶面原子表面密度體心立方（110）晶面:面積：a1*20.5*a1＝20.5a12

原子數(shù)：1＋4*1/4=2原子表面密度：2/20.5a12=20.5/a12=a1=5*10-8cm5.66*1014原子/cm2第21頁六、方向指數(shù)晶格中任意格點(diǎn)位置矢量：格點(diǎn)直線方向指數(shù)：直線上任意兩格點(diǎn)坐標(biāo)相減之比,化為三個(gè)互質(zhì)整數(shù)比即為此直線方向方向指數(shù)u:v:w。且方向指數(shù)表示為[u:v:w]比如簡(jiǎn)單立方：(0－1):(0－1):(0－1)1:1:1[1:1:1]第22頁1.3金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)元包金剛石結(jié)構(gòu)金剛石硅（Si）鍺（Ge）金剛石結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)單元：碳（C）原子結(jié)構(gòu)：每個(gè)碳原子周圍都有四個(gè)碳原子形成正四面體結(jié)構(gòu)近鄰原子之間距離（鍵長(zhǎng)）相等：30.5

a/4近鄰原子連線之間夾角（鍵角）相等第23頁體心立方結(jié)構(gòu)交替去掉四個(gè)頂角原子正四面體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)正四面體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（a）金剛石點(diǎn)陣底半部份（b）金剛石點(diǎn)陣底半部份這種結(jié)構(gòu)也能夠看作是邊長(zhǎng)為a立方體一個(gè)晶包：八個(gè)原子位于八個(gè)頂角上，六個(gè)原子位于六個(gè)面中心上，晶包內(nèi)部有四個(gè)原子第24頁砷化鎵（GaAs）結(jié)構(gòu)：每個(gè)鎵原子周圍都有四個(gè)最近鄰砷原子每個(gè)砷原子周圍都有四個(gè)最近鄰鎵原子閃鋅礦結(jié)構(gòu)：與金剛石結(jié)構(gòu)相同只是由兩種不一樣原子組成第25頁1.4原子鍵原子：正電－原子核負(fù)電－繞核運(yùn)動(dòng)電子原子鍵：原子間相互作用表現(xiàn)核外電子：在晶體結(jié)構(gòu)基元鍵合時(shí)起到主要作用處于熱平衡系統(tǒng)，其總能量總是趨于最小值原子間相互作用描述方法嚴(yán)格分析：量子力學(xué)定性分析：價(jià)電子或者最外層電子特征第26頁一、離子鍵電離能極小金屬原子（如堿金屬合堿土金屬）電子親和勢(shì)很大非金屬原子（如鹵族和氧族）失去電子取得電子相互靠近正離子負(fù)離子電子組態(tài)結(jié)構(gòu)與上周期惰性氣體原子相同電子組態(tài)結(jié)構(gòu)與上周期惰性氣體原子相同離子相吸電子云相斥離子鍵NaClNa:Z=11,1S22S22P63S1Na+:1S22S22P6

(Na+電子組態(tài)同Ne，Z=10，處于能量較低穩(wěn)定狀態(tài))Cl:Z=17,1S22S22P63S22P5Cl－:1S22S22P63S22P6(Cl－電子組態(tài)同Ar，Z=18，處于能量較低穩(wěn)定狀態(tài))第27頁二、共價(jià)鍵同種原子或者電負(fù)性相差很小原子相互靠近電子云重合自旋方向相反成單電子結(jié)合共價(jià)鍵氫共價(jià)鍵第28頁氫共價(jià)鍵特點(diǎn)：氫分子形成后無多出電子形成其它共價(jià)鍵而硅共價(jià)鍵特點(diǎn)為：硅原子與另一硅原子形成一對(duì)共價(jià)鍵后，還有三個(gè)電子多出，能夠與另外三個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵四面體結(jié)構(gòu)金剛石點(diǎn)陣硅晶體理論上能夠不停生長(zhǎng)變大無限大硅晶體硅共價(jià)鍵第29頁三、金屬鍵全部金屬原子都傾向于失去電子正離子釋放電子含有很大活動(dòng)范圍游離于正離子之間自由電子氣將全部正離子“膠合”在一起金屬鍵第30頁金屬鍵與離子鍵差異正離子自由電子金屬鍵：正離子負(fù)離子離子鍵：金屬鍵與共價(jià)鍵差異金屬鍵：自由電子屬于整個(gè)晶體中全部原子（只在某瞬間圍繞某原子運(yùn)動(dòng)）共價(jià)鍵：共價(jià)電子僅僅屬于對(duì)應(yīng)固定原子對(duì)第31頁四、范德瓦斯（VanderWaals）鍵弱鍵（鍵能較小）：比金屬鍵、離子鍵、共價(jià)鍵小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)鍵形成極性分子取向力極性分子與非極性分子誘導(dǎo)力非極性分子瞬間（極化）色散力范德瓦斯是氣體分子能夠凝聚為液體和固體主要原因第32頁1.5固體中缺點(diǎn)和雜質(zhì)一個(gè)理想單晶結(jié)構(gòu),在一個(gè)實(shí)際晶體中，晶格并非完美，而是包含許多缺點(diǎn)，完美幾何周期性在一定程度上以各種形式受到破壞。因?yàn)槿秉c(diǎn)會(huì)改變材料電學(xué)性質(zhì)，在有些情形中，電學(xué)參量將由這些缺點(diǎn)或雜質(zhì)所左右。第33頁晶體缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)單元點(diǎn)陣排列偏離嚴(yán)格周期現(xiàn)象空間延伸線度：點(diǎn)缺點(diǎn)、線缺點(diǎn)、面缺點(diǎn)、體缺點(diǎn)一、點(diǎn)缺點(diǎn)：熱缺點(diǎn)、雜質(zhì)缺點(diǎn)、色心熱缺點(diǎn)夫倫克耳肖特基缺點(diǎn)：熱能（T≠0K）離子離開晶體表面晶體內(nèi)部產(chǎn)生離子空位和添隙離子離子空位空位缺點(diǎn)