半導(dǎo)體物理學(xué)(第一章)

半導(dǎo)體物理學(xué)黃整1教材:《半導(dǎo)體物理學(xué)》，劉恩科等編著參考書：《半導(dǎo)體物理與器件》，DonaldA.Neamen著，電子工業(yè)出版社

2固體材料分類：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體、超導(dǎo)體什么是半導(dǎo)體？gapgap3硼碳氮氧鋁硅硫鋅鎵鍺硒鎘銦錫銻碲磷砷4運(yùn)動(dòng)的描述Minkowski空間：x，y，z，ictpx，py，pz，iE/c守恒量：不確定關(guān)系：波粒二象性：5經(jīng)典描述：x，y，z，t定態(tài)描述：px，py，pz，E適于描述晶體中原子核的運(yùn)動(dòng)適于描述晶體中電子的運(yùn)動(dòng)kx，ky，kz，E也可用于描述晶體中原子核的振動(dòng)能譜6單胞對(duì)于任何給定的晶體，形成晶體結(jié)構(gòu)的最小單元稱為單胞注：（a）單胞無需是唯一的

（b）單胞無需是基本的一、晶體結(jié)構(gòu)7三維立方單胞簡立方體心立方BCC面立方FCC81。金剛石型晶體結(jié)構(gòu)原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵晶體結(jié)構(gòu)：構(gòu)成一個(gè)正四面體，具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)9具有金剛石型結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體有:元素半導(dǎo)體，如Si、Ge10具有閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體有:

化合物半導(dǎo)體如GaAs、InP、ZnS2。閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)113。纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)具有纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體有:化合物半導(dǎo)體如ZnS、ZnSn、GeS、GeSn12練習(xí)1、單胞是基本的、不唯一的單元。（）2、按半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)來分，應(yīng)用最為廣泛的是（）。3、寫出三種立方單胞的名稱，并分別計(jì)算單胞中所含的原子數(shù)。4、計(jì)算金剛石型單胞中的原子數(shù)。13原子的能級(jí)二、電子狀態(tài)和能帶電子殼層不同支殼層電子1s；2s，2p；3s，2p，3d；…共有化運(yùn)動(dòng)14+14量子化的電子能級(jí)n=34個(gè)價(jià)電子n=28個(gè)電子n=12個(gè)電子SiSi原子的能級(jí)總共14個(gè)電子15原子的能級(jí)的分裂孤立原子的能級(jí)4個(gè)原子能級(jí)的分裂16大量原子的能級(jí)分裂為能帶17Si的能帶（價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙）18價(jià)帶：0K條件下被電子填充的能帶導(dǎo)帶：0K條件下未被電子填充的能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶價(jià)帶EgFermi能禁帶19自由電子的運(yùn)動(dòng)非相對(duì)論近似波粒二象性波函數(shù)20晶體中電子的運(yùn)動(dòng)薛定諤方程及其解的形式布洛赫波函數(shù)n為整數(shù)21動(dòng)量的量子化=1必須為有理數(shù)，不能為無理數(shù)n為整數(shù)，晶格數(shù)目22波函數(shù)對(duì)動(dòng)量的周期性能量是k的周期函數(shù)，準(zhǔn)連續(xù)的有理數(shù)k構(gòu)成周期性變化的k空間晶格結(jié)構(gòu)，其晶格參數(shù)為：23布里淵區(qū)中的能帶結(jié)構(gòu)布里淵區(qū)第一布里淵區(qū)E為k的多值函數(shù)，標(biāo)為Emm=1m=2m=3m=424面心立方（FCC）晶格的布里淵區(qū)k空間為BCC結(jié)構(gòu)第一布里淵區(qū)25第一布里淵區(qū)26固體材料的能帶27絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體28半導(dǎo)體的本征激發(fā)：價(jià)帶上的電子受熱激發(fā)到導(dǎo)帶的過程。29練習(xí)1、什么是共有化運(yùn)動(dòng)？2、畫出Si原子結(jié)構(gòu)圖（畫出s態(tài)和p態(tài)并注明該能級(jí)層上的電子數(shù)）3、電子所處能級(jí)越低越穩(wěn)定。（）4、無論是自由電子還是晶體材料中的電子，他們在某處出現(xiàn)的幾率是恒定不變的。（）5、分別敘述半導(dǎo)體與金屬和絕緣體在導(dǎo)電過程中的差別。30三、半導(dǎo)體中能量E與波矢k的關(guān)系設(shè)一維導(dǎo)帶的底部在波矢k=0處，將E作泰勒展開=0令有效質(zhì)量E031電子的平均速度在周期性勢場內(nèi)，電子的平均速度u可表示為波包的群速度32電子的加速度外加電場E的作用下，電子能量變化電子受力電子加速度33電子有效質(zhì)量的意義自由電子只受外力作用；半導(dǎo)體中的電子不僅受到外力的作用，同時(shí)還受半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用。意義：有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用，使得研究半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)更為簡便。有效質(zhì)量可由實(shí)驗(yàn)測定。34四、空穴只有非滿帶電子才可導(dǎo)電導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴均具有導(dǎo)電特性電子帶負(fù)電-q（導(dǎo)帶底），空穴帶正電+q（價(jià)帶頂）35五、k空間等能面設(shè)k=0處為能帶極值導(dǎo)帶底附近價(jià)帶頂附近36k空間三維的情況為導(dǎo)帶底則附近設(shè)37具有確定能量E的全部k點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)封閉的曲面，稱為等能面理想的等能面為k空間的一個(gè)球面為各向同性的38回旋共振考察磁場中半導(dǎo)體的電子則回旋頻率(角頻率)此時(shí)頻率為wc的電磁波通過樣品，要發(fā)生共振吸收，稱為回旋吸收。39如果等能面不是球面而是橢球面，則回旋共振吸收頻率與磁場的方向有關(guān)?？赡軙?huì)出現(xiàn)1~3個(gè)不同的wc。40六、硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)輕空穴重空穴鍺硅一個(gè)wc兩個(gè)wc41七、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)銻化銦電子有效質(zhì)量很小重空穴，極大值偏離中心點(diǎn)輕空穴旋軌耦合分裂出來的第