半導(dǎo)體物理第一章01.pdf

1 1 63 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理 黃正興 創(chuàng)新園大廈黃正興 創(chuàng)新園大廈A416 Email huangzx 2 63第一章01 教材教材 半導(dǎo)體物理學(xué) 第 半導(dǎo)體物理學(xué) 第7版 版 劉恩科 朱秉升 羅晉生編劉恩科 朱秉升 羅晉生編 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社 3 63第一章01 參考書(shū)參考書(shū)參考書(shū)參考書(shū) 4 63第一章01 半導(dǎo)體收音機(jī) 半導(dǎo)體收音機(jī) 半導(dǎo)體收音機(jī) 半導(dǎo)體收音機(jī) 六十年代開(kāi)始出現(xiàn)晶體管收音機(jī) 在當(dāng)六十年代開(kāi)始出現(xiàn)晶體管收音機(jī) 在當(dāng)六十年代開(kāi)始出現(xiàn)晶體管收音機(jī) 在當(dāng)六十年代開(kāi)始出現(xiàn)晶體管收音機(jī) 在當(dāng) 時(shí) 電子管收音機(jī)更為普遍 為了區(qū)分電時(shí) 電子管收音機(jī)更為普遍 為了區(qū)分電時(shí) 電子管收音機(jī)更為普遍 為了區(qū)分電時(shí) 電子管收音機(jī)更為普遍 為了區(qū)分電 子管收音機(jī) 將晶體管作成的收音機(jī)通俗子管收音機(jī) 將晶體管作成的收音機(jī)通俗子管收音機(jī) 將晶體管作成的收音機(jī)通俗子管收音機(jī) 將晶體管作成的收音機(jī)通俗 地稱(chēng)之為半導(dǎo)體收音機(jī) 或簡(jiǎn)稱(chēng)半導(dǎo)體地稱(chēng)之為半導(dǎo)體收音機(jī) 或簡(jiǎn)稱(chēng)半導(dǎo)體地稱(chēng)之為半導(dǎo)體收音機(jī) 或簡(jiǎn)稱(chēng)半導(dǎo)體地稱(chēng)之為半導(dǎo)體收音機(jī) 或簡(jiǎn)稱(chēng)半導(dǎo)體 我們這里的半導(dǎo)體物理學(xué)是從材料上來(lái)區(qū)分我們這里的半導(dǎo)體物理學(xué)是從材料上來(lái)區(qū)分我們這里的半導(dǎo)體物理學(xué)是從材料上來(lái)區(qū)分我們這里的半導(dǎo)體物理學(xué)是從材料上來(lái)區(qū)分 的的的的 一 什么是半導(dǎo)體 一 什么是半導(dǎo)體 5 63第一章01 固體材料可分成 超導(dǎo)體 導(dǎo)體 半導(dǎo)體 絕緣體 從導(dǎo)電性 電阻 半導(dǎo)體電阻率 介于導(dǎo)體和絕緣體之間 通常 具有負(fù)的電阻溫度系數(shù) 固體材料可分成 超導(dǎo)體 導(dǎo)體 半導(dǎo)體 絕緣體 從導(dǎo)電性 電阻 半導(dǎo)體電阻率 介于導(dǎo)體和絕緣體之間 通常 具有負(fù)的電阻溫度系數(shù) 6 63第一章01 電阻率電阻率 導(dǎo)體 導(dǎo)體 10 4 cm 例如 例如 Cu 10 6 cm 半導(dǎo)體 半導(dǎo)體 10 3 cm 108 cm Ge 0 2 cm 絕緣體 絕緣體 108 cm 2 7 63第一章01 T R 半導(dǎo)體 金屬 絕 緣 體 電阻溫度系數(shù) 電阻溫度系數(shù) 8 63第一章01 二 半導(dǎo)體材料的分類(lèi)二 半導(dǎo)體材料的分類(lèi) 按功能和應(yīng)用分按功能和應(yīng)用分 微電子半導(dǎo)體 集成電路 光電半導(dǎo)體 光信息器件 熱電半導(dǎo)體 熱電制冷和發(fā)電 微波半導(dǎo)體 氣敏半導(dǎo)體 傳感器 微電子半導(dǎo)體 集成電路 光電半導(dǎo)體 光信息器件 熱電半導(dǎo)體 熱電制冷和發(fā)電 微波半導(dǎo)體 氣敏半導(dǎo)體 傳感器 9 63第一章01 按組成分 按組成分 無(wú)機(jī)半導(dǎo)體 元素 化合物 有機(jī)半導(dǎo)體 按結(jié)構(gòu)分 無(wú)機(jī)半導(dǎo)體 元素 化合物 有機(jī)半導(dǎo)體 按結(jié)構(gòu)分 晶體 單晶體 多晶體 非晶 無(wú)定形 晶體 單晶體 多晶體 非晶 無(wú)定形 10 63第一章01 半導(dǎo)體材料的原子組成半導(dǎo)體材料的原子組成半導(dǎo)體材料的原子組成半導(dǎo)體材料的原子組成 11 63第一章01 1 無(wú)機(jī)半導(dǎo)體晶體材料無(wú)機(jī)半導(dǎo)體晶體材料 無(wú)機(jī)半導(dǎo)體晶體材料包含元素半導(dǎo)體 化 合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體 無(wú)機(jī)半導(dǎo)體晶體材料包含元素半導(dǎo)體 化 合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體 1 元素半導(dǎo)體晶體元素半導(dǎo)體晶體 Si Ge Se 等元素等元素 12 63第一章01 化合物 半導(dǎo)體 化合物 半導(dǎo)體 族 族 族 族 金 屬氧化物 金 屬氧化物 族 族 族 族 族 族 InP GaN GaAs InSb InAs CdS CdTe CdSe ZnS SiC GeS SnTe GeSe PbS PbTe AsSe3 AsTe3 AsS3 SbS3 CuO2 ZnO SnO2 2 化合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體 3 13 63第一章01 1 非晶非晶Si 非晶 非晶Ge以及非晶以及非晶Te Se元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體 2 化合物有化合物有GeTe As2Te3 Se4Te Se2As3 As2SeTe非晶半導(dǎo)體非晶半導(dǎo)體 2 非晶態(tài)半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體 14 63第一章01 有機(jī)半導(dǎo)體通常分為有機(jī)分子晶體 有機(jī)分子絡(luò) 合物和高分子聚合物 有機(jī)半導(dǎo)體通常分為有機(jī)分子晶體 有機(jī)分子絡(luò) 合物和高分子聚合物 3 有機(jī)半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體 15 63第一章01 三 半導(dǎo)體材料的地位三 半導(dǎo)體材料的地位 國(guó)民經(jīng)濟(jì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)國(guó)家安全國(guó)家安全 科學(xué)技術(shù)科學(xué)技術(shù) 半導(dǎo)體微電子和光電子材料半導(dǎo)體微電子和光電子材料 通信 高速計(jì)算 大容量信息處理 空間防御 電子對(duì) 抗 武器裝備的微 型化 智能化 16 63第一章01 幾種主要半導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)幾種主要半導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 硅 增大直拉硅單晶的直徑仍是今后發(fā)展 的總趨勢(shì) 硅 增大直拉硅單晶的直徑仍是今后發(fā)展 的總趨勢(shì) 面積越大 單位面積的成本越小 17 63第一章01 GaAs和和 InP單晶單晶 世界世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò)單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò)200 噸 其中以低位錯(cuò)密度生長(zhǎng)的噸 其中以低位錯(cuò)密度生長(zhǎng)的2 3英寸 的導(dǎo)電 英寸 的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主 襯底材料為主 18 63第一章01 InP具有比具有比GaAs 更優(yōu)越的高頻性能 發(fā)展的速度更快 但不幸的是 研制直 徑 更優(yōu)越的高頻性能 發(fā)展的速度更快 但不幸的是 研制直 徑3英寸以上大直徑的英寸以上大直徑的InP單晶的關(guān)鍵技 術(shù)尚未完全突破 價(jià)格居高不下 單晶的關(guān)鍵技 術(shù)尚未完全突破 價(jià)格居高不下 4 19 63第一章01 半導(dǎo)體超晶格 量子阱半導(dǎo)體超晶格 量子阱 III V族超晶格 量子阱材料族超晶格 量子阱材料 GaAlAs GaAs GaInAs GaAs AlGaInP GaAs GaInAs InP AlInAs InP InGaAsP InP等等GaAs InP基 晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相 當(dāng)成熟 已成功地用來(lái)制造超高速 超高 頻微電子器件和單片集成電路 基 晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相 當(dāng)成熟 已成功地用來(lái)制造超高速 超高 頻微電子器件和單片集成電路 20 63第一章01 GeSi Si應(yīng)變層超晶格材料應(yīng)變層超晶格材料 因其在新一 代移動(dòng)通信上的重要應(yīng)用前景 而成為 目 前 硅 基 材 料 研 究 的 主 流 因其在新一 代移動(dòng)通信上的重要應(yīng)用前景 而成為 目 前 硅 基 材 料 研 究 的 主 流 Si GeSi MOSFET 的 最 高 截 止 頻 率 已 達(dá)的 最 高 截 止 頻 率 已 達(dá) 200GHz 噪音在 噪音在10GHz下為下為0 9dB 其 性能可與 其 性能可與GaAs器件相媲美 器件相媲美 硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料 21 63第一章01 一維量子線(xiàn) 零維量子點(diǎn) 基于量子尺寸效應(yīng) 量子干涉效應(yīng) 量子隧 穿效應(yīng)以及非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體 材料是一種人工構(gòu)造 通過(guò)能帶工程實(shí)施 的新型半導(dǎo)體材料 是新一代量子器件的基 礎(chǔ) 一維量子線(xiàn) 零維量子點(diǎn) 基于量子尺寸效應(yīng) 量子干涉效應(yīng) 量子隧 穿效應(yīng)以及非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體 材料是一種人工構(gòu)造 通過(guò)能帶工程實(shí)施 的新型半導(dǎo)體材料 是新一代量子器件的基 礎(chǔ) 22 63第一章01 寬帶隙半導(dǎo)體材料 寬帶隙半導(dǎo)體材料 寬帶隙半導(dǎo)體材料主要指的是金剛石 寬帶隙半導(dǎo)體材料主要指的是金剛石 III族氮 化物 碳化硅 立方氮化硼以及 族氮 化物 碳化硅 立方氮化硼以及II VI族硫 錫 碲化物 氧化物 族硫 錫 碲化物 氧化物 ZnO等 及固溶體等 特別 是 等 及固溶體等 特別 是SiC GaN 和金剛石薄膜等材料和金剛石薄膜等材料 因具有高熱 導(dǎo)率 高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓 等特點(diǎn) 成為研制高頻大功率 耐高溫 抗輻 射半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料 在通 信 汽車(chē) 航空 航天 石油開(kāi)采以及國(guó)防等 方面有著廣泛的應(yīng)用前景 因具有高熱 導(dǎo)率 高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓 等特點(diǎn) 成為研制高頻大功率 耐高溫 抗輻 射半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料 在通 信 汽車(chē) 航空 航天 石油開(kāi)采以及國(guó)防等 方面有著廣泛的應(yīng)用前景 23 63第一章01 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理 課程的目標(biāo)課程的目標(biāo)課程的目標(biāo)課程的目標(biāo) 研究半導(dǎo)體材料中電子的分布狀態(tài)和研究半導(dǎo)體材料中電子的分布狀態(tài)和研究半導(dǎo)體材料中電子的分布狀態(tài)和研究半導(dǎo)體材料中電子的分布狀態(tài)和 輸運(yùn)規(guī)律 以及外電場(chǎng)對(duì)電子輸運(yùn)規(guī)輸運(yùn)規(guī)律 以及外電場(chǎng)對(duì)電子輸運(yùn)規(guī)輸運(yùn)規(guī)律 以及外電場(chǎng)對(duì)電子輸運(yùn)規(guī)輸運(yùn)規(guī)律 以及外電場(chǎng)對(duì)電子輸運(yùn)規(guī) 律的影響律的影響律的影響律的影響 是半導(dǎo)體器件和集成電路設(shè)計(jì)等課程是半導(dǎo)體器件和集成電路設(shè)計(jì)等課程是半導(dǎo)體器件和集成電路設(shè)計(jì)等課程是半導(dǎo)體器件和集成電路設(shè)計(jì)等課程 的基礎(chǔ)的基礎(chǔ)的基礎(chǔ)的基礎(chǔ) 24 63第一章01 課程的主要內(nèi)容課程的主要內(nèi)容課程的主要內(nèi)容課程的主要內(nèi)容 第第第第1 1章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 第第第第2 2章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí) 第第第第3 3章半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布章半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布章半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布章半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布 第第第第4 4章半導(dǎo)體的導(dǎo)電性章半導(dǎo)體的導(dǎo)電性章半導(dǎo)體的導(dǎo)電性章半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 第第第第5 5章非平衡載流子章非平衡載流子章非平衡載流子章非平衡載流子 第第第第6 6章章章章pnpn結(jié)結(jié)結(jié)結(jié) 第第第第7 7章金屬和半導(dǎo)體接觸章金屬和半導(dǎo)體接觸章金屬和半導(dǎo)體接觸章金屬和半導(dǎo)體接觸 第第第第8 8章半導(dǎo)體表面和章半導(dǎo)體表面和章半導(dǎo)體表面和章半導(dǎo)體表面和MISMIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 一定量的習(xí)題課一定量的習(xí)題課一定量的習(xí)題課一定量的習(xí)題課 5 25 63第一章01 1 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 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 1 3 半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng) 有效質(zhì)量半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng) 有效質(zhì)量 1 4 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu) 空穴本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu) 空穴 第一章第一章 半導(dǎo)體中的電子態(tài)半導(dǎo)體中的電子態(tài) 26 63第一章01 半導(dǎo)體具有許多獨(dú)特的物理性質(zhì) 這半導(dǎo)體具有許多獨(dú)特的物理性質(zhì) 這半導(dǎo)體具有許多獨(dú)特的物理性質(zhì) 這半導(dǎo)體具有許多獨(dú)特的物理性質(zhì) 這 與半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)與半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)與半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)與半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn) 有密切關(guān)系 有密切關(guān)系 有密切關(guān)系 有密切關(guān)系 為了研究和利用半導(dǎo)體的這些物理性為了研究和利用半導(dǎo)體的這些物理性為了研究和利用半導(dǎo)體的這些物理性為了研究和利用半導(dǎo)體的這些物理性 質(zhì) 首先要研究半導(dǎo)體質(zhì) 首先要研究半導(dǎo)體質(zhì) 首先要研究半導(dǎo)體質(zhì) 首先要研究半導(dǎo)體單晶材料單晶材料單晶材料單晶材料中的中的中的中的 電子狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律 電子狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律 電子狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律 電子狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律 27 63第一章01 半導(dǎo)體單晶材料和其他固態(tài)晶體一樣 是半導(dǎo)體單晶材料和其他固態(tài)晶體一樣 是半導(dǎo)體單晶材料和其他固態(tài)晶體一樣 是半導(dǎo)體單晶材料和其他固態(tài)晶體一樣 是 由大量原子周期性重復(fù)排列而成 而每個(gè)由大量原子周期性重復(fù)排列而成 而每個(gè)由大量原子周期性重復(fù)排列而成 而每個(gè)由大量原子周期性重復(fù)排列而成 而每個(gè) 原子又包含原子核和許多電子 原子又包含原子核和許多電子 原子又包含原子核和許多電子 原子又包含原子核和許多電子 如果能夠?qū)懗霭雽?dǎo)體中所有相互作用著的如果能夠?qū)懗霭雽?dǎo)體中所有相互作用著的如果能夠?qū)懗霭雽?dǎo)體中所有相互作用著的如果能夠?qū)懗霭雽?dǎo)體中所有相互作用著的 原子核和電子系統(tǒng)的薛定愕方程 并求出原子核和電子系統(tǒng)的薛定愕方程 并求出原子核和電子系統(tǒng)的薛定愕方程 并求出原子核和電子系統(tǒng)的薛定愕方程 并求出 其解 便可以了解半導(dǎo)體的許多物理性其解 便可以了解半導(dǎo)體的許多物理性其解 便可以了解半導(dǎo)體的許多物理性其解 便可以了解半導(dǎo)體的許多物理性 質(zhì) 質(zhì) 質(zhì) 質(zhì) 28 63第一章01 但是 這是一個(gè)非常復(fù)雜的多體問(wèn)題 不但是 這是一個(gè)非常復(fù)雜的多體問(wèn)題 不但是 這是一個(gè)非常復(fù)雜的多體問(wèn)題 不但是 這是一個(gè)非常復(fù)雜的多體問(wèn)題 不 可能求出其嚴(yán)格解 只能用近似的處理方可能求出其嚴(yán)格解 只能用近似的處理方可能求出其嚴(yán)格解 只能用近似的處理方可能求出其嚴(yán)格解 只能用近似的處理方 法法法法 單電子近似來(lái)研究固態(tài)晶體中電子的單電子近似來(lái)研究固態(tài)晶體中電子的單電子近似來(lái)研究固態(tài)晶體中電子的單電子近似來(lái)研究固態(tài)晶體中電子的 能量狀態(tài) 能量狀態(tài) 能量狀態(tài) 能量狀態(tài) 所謂單電子近似 即假設(shè)每個(gè)電子是在周所謂單電子近似 即假設(shè)每個(gè)電子是在周所謂單電子近似 即假設(shè)每個(gè)電子是在周所謂單電子近似 即假設(shè)每個(gè)電子是在周 期性排列且固定不動(dòng)的原子核勢(shì)場(chǎng)及其他期性排列且固定不動(dòng)的原子核勢(shì)場(chǎng)及其他期性排列且固定不動(dòng)的原子核勢(shì)場(chǎng)及其他期性排列且固定不動(dòng)的原子核勢(shì)場(chǎng)及其他 電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 該勢(shì)場(chǎng)是具有與電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 該勢(shì)場(chǎng)是具有與電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 該勢(shì)場(chǎng)是具有與電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 該勢(shì)場(chǎng)是具有與 晶格同周期的周期性勢(shì)場(chǎng) 晶格同周期的周期性勢(shì)場(chǎng) 晶格同周期的周期性勢(shì)場(chǎng) 晶格同周期的周期性勢(shì)場(chǎng) 29 63第一章01 用單電子近似法研究晶體中電子狀態(tài)的理用單電子近似法研究晶體中電子狀態(tài)的理用單電子近似法研究晶體中電子狀態(tài)的理用單電子近似法研究晶體中電子狀態(tài)的理 論稱(chēng)為能帶論 論稱(chēng)為能帶論 論稱(chēng)為能帶論 論稱(chēng)為能帶論 有關(guān)能帶論的內(nèi)容在固體物理學(xué)課程中已有關(guān)能帶論的內(nèi)容在固體物理學(xué)課程中已有關(guān)能帶論的內(nèi)容在固體物理學(xué)課程中已有關(guān)能帶論的內(nèi)容在固體物理學(xué)課程中已 經(jīng)比較完整地介紹過(guò)了 這里僅作簡(jiǎn)要回經(jīng)比較完整地介紹過(guò)了 這里僅作簡(jiǎn)要回經(jīng)比較完整地介紹過(guò)了 這里僅作簡(jiǎn)要回經(jīng)比較完整地介紹過(guò)了 這里僅作簡(jiǎn)要回 顧 并介紹幾種重要半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)顧 并介紹幾種重要半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)顧 并介紹幾種重要半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)顧 并介紹幾種重要半導(dǎo)體材料的能帶結(jié) 構(gòu) 構(gòu) 構(gòu) 構(gòu) 30 63第一章01 1 1 1 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) 金剛石型結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵金剛石型結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵金剛石型結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵 重要的半導(dǎo)體材料硅 鍺等在化學(xué)元素周 期表中都屬于第 金剛石型結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵 重要的半導(dǎo)體材料硅 鍺等在化學(xué)元素周 期表中都屬于第IV族元素 原子的最外層 都具有四個(gè)價(jià)電子 大量的硅 鍺原子組 合成晶體靠的是共價(jià)鍵結(jié)合 它們的晶格 結(jié)構(gòu)與碳原子組成的一種金剛石晶格都屬 于金剛石型結(jié)構(gòu) 族元素 原子的最外層 都具有四個(gè)價(jià)電子 大量的硅 鍺原子組 合成晶體靠的是共價(jià)鍵結(jié)合 它們的晶格 結(jié)構(gòu)與碳原子組成的一種金剛石晶格都屬 于金剛石型結(jié)構(gòu) 6 31 63第一章01 SiSi GeGe 32 63第一章01 這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是 每個(gè)原子周?chē)加兴膫€(gè)最每個(gè)原子周?chē)加兴膫€(gè)最每個(gè)原子周?chē)加兴膫€(gè)最每個(gè)原子周?chē)加兴膫€(gè)最 近鄰的原子 組成一個(gè)正四面體結(jié)構(gòu) 這近鄰的原子 組成一個(gè)正四面體結(jié)構(gòu) 這近鄰的原子 組成一個(gè)正四面體結(jié)構(gòu) 這近鄰的原子 組成一個(gè)正四面體結(jié)構(gòu) 這 四個(gè)原子分別處在正四面體的頂角上 任四個(gè)原子分別處在正四面體的頂角上 任四個(gè)原子分別處在正四面體的頂角上 任四個(gè)原子分別處在正四面體的頂角上 任 一頂角上的原子和中心原子各貢獻(xiàn)一個(gè)價(jià)一頂角上的原子和中心原子各貢獻(xiàn)一個(gè)價(jià)一頂角上的原子和中心原子各貢獻(xiàn)一個(gè)價(jià)一頂角上的原子和中心原子各貢獻(xiàn)一個(gè)價(jià) 電子為該兩個(gè)原子所共有 共有的電子在電子為該兩個(gè)原子所共有 共有的電子在電子為該兩個(gè)原子所共有 共有的電子在電子為該兩個(gè)原子所共有 共有的電子在 兩個(gè)原子之間形成較大的電子云密度 通兩個(gè)原子之間形成較大的電子云密度 通兩個(gè)原子之間形成較大的電子云密度 通兩個(gè)原子之間形成較大的電子云密度 通 過(guò)它們對(duì)原子核的引力把兩個(gè)原子結(jié)合在過(guò)它們對(duì)原子核的引力把兩個(gè)原子結(jié)合在過(guò)它們對(duì)原子核的引力把兩個(gè)原子結(jié)合在過(guò)它們對(duì)原子核的引力把兩個(gè)原子結(jié)合在 一起 這就是共價(jià)鍵 一起 這就是共價(jià)鍵 一起 這就是共價(jià)鍵 一起 這就是共價(jià)鍵 33 63第一章01 這樣 每個(gè)原子和周?chē)膫€(gè)原子組成四個(gè)共這樣 每個(gè)原子和周?chē)膫€(gè)原子組成四個(gè)共這樣 每個(gè)原子和周?chē)膫€(gè)原子組成四個(gè)共這樣 每個(gè)原子和周?chē)膫€(gè)原子組成四個(gè)共 價(jià)鍵 上述四面體的四個(gè)頂角原子又可以?xún)r(jià)鍵 上述四面體的四個(gè)頂角原子又可以?xún)r(jià)鍵 上述四面體的四個(gè)頂角原子又可以?xún)r(jià)鍵 上述四面體的四個(gè)頂角原子又可以 各通過(guò)四個(gè)共價(jià)鍵組成四個(gè)正四面體 如各通過(guò)四個(gè)共價(jià)鍵組成四個(gè)正四面體 如各通過(guò)四個(gè)共價(jià)鍵組成四個(gè)正四面體 如各通過(guò)四個(gè)共價(jià)鍵組成四個(gè)正四面體 如 此推廣 將許多正四面體累積起來(lái)就得到此推廣 將許多正四面體累積起來(lái)就得到此推廣 將許多正四面體累積起來(lái)就得到此推廣 將許多正四面體累積起來(lái)就得到 這樣 每個(gè)原子和周?chē)膫€(gè)原子組成四個(gè)這樣 每個(gè)原子和周?chē)膫€(gè)原子組成四個(gè)這樣 每個(gè)原子和周?chē)膫€(gè)原子組成四個(gè)這樣 每個(gè)原子和周?chē)膫€(gè)原子組成四個(gè) 共價(jià)鍵 上述四面體的四個(gè)頂角原子又可共價(jià)鍵 上述四面體的四個(gè)頂角原子又可共價(jià)鍵 上述四面體的四個(gè)頂角原子又可共價(jià)鍵 上述四面體的四個(gè)頂角原子又可 以各通過(guò)四個(gè)共價(jià)鍵組成四個(gè)正四面體 以各通過(guò)四個(gè)共價(jià)鍵組成四個(gè)正四面體 以各通過(guò)四個(gè)共價(jià)鍵組成四個(gè)正四面體 以各通過(guò)四個(gè)共價(jià)鍵組成四個(gè)正四面體 如此推廣 將許多正四面體累積起來(lái)就得如此推廣 將許多正四面體累積起來(lái)就得如此推廣 將許多正四面體累積起來(lái)就得如此推廣 將許多正四面體累積起來(lái)就得 到金剛石型結(jié)構(gòu)到金剛石型結(jié)構(gòu)到金剛石型結(jié)構(gòu)到金剛石型結(jié)構(gòu) 34 63第一章01 金剛石結(jié)構(gòu)的原胞 最小的重復(fù)單元 金剛石結(jié)構(gòu)的原胞 最小的重復(fù)單元 35 63第一章01 在四面體結(jié)構(gòu)的共價(jià)晶體中 四個(gè)共價(jià)鍵在四面體結(jié)構(gòu)的共價(jià)晶體中 四個(gè)共價(jià)鍵在四面體結(jié)構(gòu)的共價(jià)晶體中 四個(gè)共價(jià)鍵在四面體結(jié)構(gòu)的共價(jià)晶體中 四個(gè)共價(jià)鍵 并不是以孤立原子的電子波函數(shù)為基礎(chǔ)形并不是以孤立原子的電子波函數(shù)為基礎(chǔ)形并不是以孤立原子的電子波函數(shù)為基礎(chǔ)形并不是以孤立原子的電子波函數(shù)為基礎(chǔ)形 成的 而是以成的 而是以成的 而是以成的 而是以s s態(tài)和態(tài)和態(tài)和態(tài)和p p態(tài)波函數(shù)的組性組合態(tài)波函數(shù)的組性組合態(tài)波函數(shù)的組性組合態(tài)波函數(shù)的組性組合 為基礎(chǔ) 構(gòu)成了所謂為基礎(chǔ) 構(gòu)成了所謂為基礎(chǔ) 構(gòu)成了所謂為基礎(chǔ) 構(gòu)成了所謂 雜化軌道雜化軌道雜化軌道雜化軌道 即以一 即以一 即以一 即以一 個(gè)個(gè)個(gè)個(gè)s s態(tài)和三個(gè)態(tài)和三個(gè)態(tài)和三個(gè)態(tài)和三個(gè)p p態(tài)組成的態(tài)組成的態(tài)組成的態(tài)組成的SpSp 3 3 雜化軌道為基礎(chǔ)雜化軌道為基礎(chǔ)雜化軌道為基礎(chǔ)雜化軌道為基礎(chǔ) 形成的 它們之間具有相同的夾角形成的 它們之間具有相同的夾角形成的 它們之間具有相同的夾角形成的 它們之間具有相同的夾角109109 0 0 2828 36 63第一章01 2 2 Al Al GaGa InIn P As SbP As Sb 族和族和族和族和 大部分大部分大部分大部分 族化合物半導(dǎo)體屬于閃鋅礦結(jié)族化合物半導(dǎo)體屬于閃鋅礦結(jié)族化合物半導(dǎo)體屬于閃鋅礦結(jié)族化合物半導(dǎo)體屬于閃鋅礦結(jié) 構(gòu)構(gòu)構(gòu)構(gòu) 與金剛石結(jié)構(gòu)類(lèi)似 不過(guò)含有兩種原子與金剛石結(jié)構(gòu)類(lèi)似 不過(guò)含有兩種原子與金剛石結(jié)構(gòu)類(lèi)似 不過(guò)含有兩種原子與金剛石結(jié)構(gòu)類(lèi)似 不過(guò)含有兩種原子 a a 金剛石結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu) 7 37 63第一章01 GaAsGaAsAlAsAlAs 38 63第一章01 與與與與IVIV族元素半導(dǎo)體的情況類(lèi)似 這類(lèi)共價(jià)族元素半導(dǎo)體的情況類(lèi)似 這類(lèi)共價(jià)族元素半導(dǎo)體的情況類(lèi)似 這類(lèi)共價(jià)族元素半導(dǎo)體的情況類(lèi)似 這類(lèi)共價(jià) 性的化合物半導(dǎo)體中 共價(jià)鍵也是以性的化合物半導(dǎo)體中 共價(jià)鍵也是以性的化合物半導(dǎo)體中 共價(jià)鍵也是以性的化合物半導(dǎo)體中 共價(jià)鍵也是以SpSp 3 3 雜雜雜雜 化軌道為基礎(chǔ)的 但是 與化軌道為基礎(chǔ)的 但是 與化軌道為基礎(chǔ)的 但是 與化軌道為基礎(chǔ)的 但是 與IVIV族元素半導(dǎo)族元素半導(dǎo)族元素半導(dǎo)族元素半導(dǎo) 體相比有一個(gè)重要區(qū)別 這就是在共價(jià)性體相比有一個(gè)重要區(qū)別 這就是在共價(jià)性體相比有一個(gè)重要區(qū)別 這就是在共價(jià)性體相比有一個(gè)重要區(qū)別 這就是在共價(jià)性 化合物晶體中 結(jié)合的性質(zhì)具有不同程度化合物晶體中 結(jié)合的性質(zhì)具有不同程度化合物晶體中 結(jié)合的性質(zhì)具有不同程度化合物晶體中 結(jié)合的性質(zhì)具有不同程度 的離子性 常稱(chēng)這類(lèi)半導(dǎo)體為極性半導(dǎo)的離子性 常稱(chēng)這類(lèi)半導(dǎo)體為極性半導(dǎo)的離子性 常稱(chēng)這類(lèi)半導(dǎo)體為極性半導(dǎo)的離子性 常稱(chēng)這類(lèi)半導(dǎo)體為極性半導(dǎo) 體 體 體 體 39 63第一章01 例如 重要的例如 重要的例如 重要的例如 重要的IIIIII V V族化合物半導(dǎo)體材料砷化族化合物半導(dǎo)體材料砷化族化合物半導(dǎo)體材料砷化族化合物半導(dǎo)體材料砷化 稼 相鄰砷化稼所共有的價(jià)電子實(shí)際上并不是稼 相鄰砷化稼所共有的價(jià)電子實(shí)際上并不是稼 相鄰砷化稼所共有的價(jià)電子實(shí)際上并不是稼 相鄰砷化稼所共有的價(jià)電子實(shí)際上并不是 對(duì)等地分配在砷和稼的附近 由于砷具有較強(qiáng)對(duì)等地分配在砷和稼的附近 由于砷具有較強(qiáng)對(duì)等地分配在砷和稼的附近 由于砷具有較強(qiáng)對(duì)等地分配在砷和稼的附近 由于砷具有較強(qiáng) 的電負(fù)性 成鍵的電子更集中地分布在砷原子的電負(fù)性 成鍵的電子更集中地分布在砷原子的電負(fù)性 成鍵的電子更集中地分布在砷原子的電負(fù)性 成鍵的電子更集中地分布在砷原子 附近 因而在共價(jià)化合物中 電負(fù)性強(qiáng)的原子附近 因而在共價(jià)化合物中 電負(fù)性強(qiáng)的原子附近 因而在共價(jià)化合物中 電負(fù)性強(qiáng)的原子附近 因而在共價(jià)化合物中 電負(fù)性強(qiáng)的原子 平均來(lái)說(shuō)帶有負(fù)電 電負(fù)性弱的原子平均來(lái)說(shuō)平均來(lái)說(shuō)帶有負(fù)電 電負(fù)性弱的原子平均來(lái)說(shuō)平均來(lái)說(shuō)帶有負(fù)電 電負(fù)性弱的原子平均來(lái)說(shuō)平均來(lái)說(shuō)帶有負(fù)電 電負(fù)性弱的原子平均來(lái)說(shuō) 帶有正電 正負(fù)電荷之間的庫(kù)侖作用對(duì)結(jié)合能帶有正電 正負(fù)電荷之間的庫(kù)侖作用對(duì)結(jié)合能帶有正電 正負(fù)電荷之間的庫(kù)侖作用對(duì)結(jié)合能帶有正電 正負(fù)電荷之間的庫(kù)侖作用對(duì)結(jié)合能 有一定的貢獻(xiàn) 在共價(jià)結(jié)合占優(yōu)勢(shì)的情況下 有一定的貢獻(xiàn) 在共價(jià)結(jié)合占優(yōu)勢(shì)的情況下 有一定的貢獻(xiàn) 在共價(jià)結(jié)合占優(yōu)勢(shì)的情況下 有一定的貢獻(xiàn) 在共價(jià)結(jié)合占優(yōu)勢(shì)的情況下 這種化合物傾向于構(gòu)成閃鋅礦型結(jié)構(gòu) 這種化合物傾向于構(gòu)成閃鋅礦型結(jié)構(gòu) 這種化合物傾向于構(gòu)成閃鋅礦型結(jié)構(gòu) 這種化合物傾向于構(gòu)成閃鋅礦型結(jié)構(gòu) 40 63第一章01 1 1 1 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) 3 部分 部分 族化合物可以是閃鋅礦結(jié)構(gòu) 也可以是纖鋅礦結(jié)構(gòu) 族化合物可以是閃鋅礦結(jié)構(gòu) 也可以是纖鋅礦結(jié)構(gòu) 纖鋅礦型結(jié)構(gòu)和閃鋅礦型結(jié)構(gòu)相接近 它也是以正四面體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成的 但是它具有六方對(duì)稱(chēng)性 而不是立方對(duì) 稱(chēng)性 硫化鋅 纖鋅礦型結(jié)構(gòu)和閃鋅礦型結(jié)構(gòu)相接近 它也是以正四面體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成的 但是它具有六方對(duì)稱(chēng)性 而不是立方對(duì) 稱(chēng)性 硫化鋅 ZnS 硒化鋅 硒化鋅 ZnSe 硫 化鎘 硫 化鎘 CdS 硒化 硒化鎘鎘 CdSe 等都可以閃 鋅礦型和纖鋅礦型兩種方式結(jié)晶 等都可以閃 鋅礦型和纖鋅礦型兩種方式結(jié)晶 41 63第一章01 與與與與lIIlII V V族化合物類(lèi)似 這種共價(jià)性化合物晶體中 其結(jié)合的性質(zhì)也具族化合物類(lèi)似 這種共價(jià)性化合物晶體中 其結(jié)合的性質(zhì)也具族化合物類(lèi)似 這種共價(jià)性化合物晶體中 其結(jié)合的性質(zhì)也具族化合物類(lèi)似 這種共價(jià)性化合物晶體中 其結(jié)合的性質(zhì)也具 有離子性 但這兩種元素的電負(fù)性差別較大 如果離子性結(jié)合占優(yōu)勢(shì)有離子性 但這兩種元素的電負(fù)性差別較大 如果離子性結(jié)合占優(yōu)勢(shì)有離子性 但這兩種元素的電負(fù)性差別較大 如果離子性結(jié)合占優(yōu)勢(shì)有離子性 但這兩種元素的電負(fù)性差別較大 如果離子性結(jié)合占優(yōu)勢(shì) 的話(huà) 就傾向于構(gòu)成纖鋅礦型結(jié)構(gòu) 的話(huà) 就傾向于構(gòu)成纖鋅礦型結(jié)構(gòu) 的話(huà) 就傾向于構(gòu)成纖鋅礦型結(jié)構(gòu) 的話(huà) 就傾向于構(gòu)成纖鋅礦型結(jié)構(gòu) 還有一些重要的半導(dǎo)體材料不是以四面體結(jié)構(gòu)結(jié)晶的 如還有一些重要的半導(dǎo)體材料不是以四面體結(jié)構(gòu)結(jié)晶的 如還有一些重要的半導(dǎo)體材料不是以四面體結(jié)構(gòu)結(jié)晶的 如還有一些重要的半導(dǎo)體材料不是以四面體結(jié)構(gòu)結(jié)晶的 如IVIV VI VI 族化族化族化族化 合物硫化鉛 硒化鉛 磅化鉛 它們都是以氯化鈉型結(jié)構(gòu)結(jié)晶的合物硫化鉛 硒化鉛 磅化鉛 它們都是以氯化鈉型結(jié)構(gòu)結(jié)晶的合物硫化鉛 硒化鉛 磅化鉛 它們都是以氯化鈉型結(jié)構(gòu)結(jié)晶的合物硫化鉛 硒化鉛 磅化鉛 它們都是以氯化鈉型結(jié)構(gòu)結(jié)晶的 42 63第一章01 1 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 1 2 1 原子的能級(jí)和晶體的能帶原子的能級(jí)和晶體的能帶 制造半導(dǎo)體器件所用的材料大多是單晶 體 單晶體是由靠得很緊密的原子周期性 重復(fù)排列而成的 相鄰原子間距只有零點(diǎn) 幾納米的數(shù)量級(jí) 制造半導(dǎo)體器件所用的材料大多是單晶 體 單晶體是由靠得很緊密的原子周期性 重復(fù)排列而成的 相鄰原子間距只有零點(diǎn) 幾納米的數(shù)量級(jí) 8 43 63第一章01 因此 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)肯定和原子中因此 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)肯定和原子中因此 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)肯定和原子中因此 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)肯定和原子中 的不同 特別是外層電子會(huì)有顯著的變的不同 特別是外層電子會(huì)有顯著的變的不同 特別是外層電子會(huì)有顯著的變的不同 特別是外層電子會(huì)有顯著的變 化 但是 晶體是由分立的原子凝聚而化 但是 晶體是由分立的原子凝聚而化 但是 晶體是由分立的原子凝聚而化 但是 晶體是由分立的原子凝聚而 成 兩者的電子狀態(tài)又必定存在著某種聯(lián)成 兩者的電子狀態(tài)又必定存在著某種聯(lián)成 兩者的電子狀態(tài)又必定存在著某種聯(lián)成 兩者的電子狀態(tài)又必定存在著某種聯(lián) 系 下面以原子結(jié)合成晶體的過(guò)程定性地系 下面以原子結(jié)合成晶體的過(guò)程定性地系 下面以原子結(jié)合成晶體的過(guò)程定性地系 下面以原子結(jié)合成晶體的過(guò)程定性地 說(shuō)明半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 說(shuō)明半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 說(shuō)明半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 說(shuō)明半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 44 63第一章01 共有化運(yùn)動(dòng)共有化運(yùn)動(dòng) 原子中的電子在原子核的勢(shì)場(chǎng)和其他電子的作用原子中的電子在原子核的勢(shì)場(chǎng)和其他電子的作用原子中的電子在原子核的勢(shì)場(chǎng)和其他電子的作用原子中的電子在原子核的勢(shì)場(chǎng)和其他電子的作用 下 它們分列在不同的能級(jí)上 形成所謂電子殼下 它們分列在不同的能級(jí)上 形成所謂電子殼下 它們分列在不同的能級(jí)上 形成所謂電子殼下 它們分列在不同的能級(jí)上 形成所謂電子殼 層 不同支殼層的電子分別用層 不同支殼層的電子分別用層 不同支殼層的電子分別用層 不同支殼層的電子分別用 ls ls 2s 2p 3s 3p 3d 2s 2p 3s 3p 3d 4s4s 等符號(hào)表示 每一支殼層對(duì)應(yīng)于確定的能等符號(hào)表示 每一支殼層對(duì)應(yīng)于確定的能等符號(hào)表示 每一支殼層對(duì)應(yīng)于確定的能等符號(hào)表示 每一支殼層對(duì)應(yīng)于確定的能 量 量 量 量 當(dāng)原子相互接近形成晶體時(shí) 不同原子的內(nèi)外各當(dāng)原子相互接近形成晶體時(shí) 不同原子的內(nèi)外各當(dāng)原子相互接近形成晶體時(shí) 不同原子的內(nèi)外各當(dāng)原子相互接近形成晶體時(shí) 不同原子的內(nèi)外各 電子殼層之間就有了一定程度的交疊 相鄰原子電子殼層之間就有了一定程度的交疊 相鄰原子電子殼層之間就有了一定程度的交疊 相鄰原子電子殼層之間就有了一定程度的交疊 相鄰原子 最外殼層交疊很多 內(nèi)殼層交疊較少 原子組成最外殼層交疊很多 內(nèi)殼層交疊較少 原子組成最外殼層交疊很多 內(nèi)殼層交疊較少 原子組成最外殼層交疊很多 內(nèi)殼層交疊較少 原子組成 晶體后 由于電子殼層的交疊 電子不再完全局晶體后 由于電子殼層的交疊 電子不再完全局晶體后 由于電子殼層的交疊 電子不再完全局晶體后 由于電子殼層的交疊 電子不再完全局 限在某一個(gè)原子上 可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰限在某一個(gè)原子上 可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰限在某一個(gè)原子上 可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰限在某一個(gè)原子上 可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰 的原子上去 因而 電子將可以在整個(gè)晶體中運(yùn)的原子上去 因而 電子將可以在整個(gè)晶體中運(yùn)的原子上去 因而 電子將可以在整個(gè)晶體中運(yùn)的原子上去 因而 電子將可以在整個(gè)晶體中運(yùn) 動(dòng) 這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為電子的動(dòng) 這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為電子的動(dòng) 這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為電子的動(dòng) 這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為電子的共有化運(yùn)動(dòng)共有化運(yùn)動(dòng)共有化運(yùn)動(dòng)共有化運(yùn)動(dòng) 45 63第一章01 但必須注意 因?yàn)楦髟又邢嗨茪由系牡仨氉⒁?因?yàn)楦髟又邢嗨茪由系牡仨氉⒁?因?yàn)楦髟又邢嗨茪由系牡仨氉⒁?因?yàn)楦髟又邢嗨茪由系?電子才有相同的能量 電子只能在相似殼電子才有相同的能量 電子只能在相似殼電子才有相同的能量 電子只能在相似殼電子才有相同的能量 電子只能在相似殼 層間轉(zhuǎn)移 因此 共有化運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生是由層間轉(zhuǎn)移 因此 共有化運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生是由層間轉(zhuǎn)移 因此 共有化運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生是由層間轉(zhuǎn)移 因此 共有化運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生是由 于不同原子的相似殼層間的交疊 例如于不同原子的相似殼層間的交疊 例如于不同原子的相似殼層間的交疊 例如于不同原子的相似殼層間的交疊 例如2p2p 支殼層的交疊 支殼層的交疊 支殼層的交疊 支殼層的交疊 3s3s支殼層的交疊 如圖支殼層的交疊 如圖支殼層的交疊 如圖支殼層的交疊 如圖1 1 5 5 所示 所示 所示 所示 46 63第一章01 也可以說(shuō) 結(jié)合成晶體后 每一個(gè)原子能也可以說(shuō) 結(jié)合成晶體后 每一個(gè)原子能也可以說(shuō) 結(jié)合成晶體后 每一個(gè)原子能也可以說(shuō) 結(jié)合成晶體后 每一個(gè)原子能 引起引起引起引起 與之相應(yīng)與之相應(yīng)與之相應(yīng)與之相應(yīng) 的共有化運(yùn)動(dòng) 例如的共有化運(yùn)動(dòng) 例如的共有化運(yùn)動(dòng) 例如的共有化運(yùn)動(dòng) 例如3s3s能能能能 級(jí)引起級(jí)引起級(jí)引起級(jí)引起 3s3s 的共有化運(yùn)動(dòng) 的共有化運(yùn)動(dòng) 的共有化運(yùn)動(dòng) 的共有化運(yùn)動(dòng) 2p2p能級(jí)引起能級(jí)引起能級(jí)引起能級(jí)引起 2p 2p 的共有化運(yùn)動(dòng) 等等 由于內(nèi)外殼層的共有化運(yùn)動(dòng) 等等 由于內(nèi)外殼層的共有化運(yùn)動(dòng) 等等 由于內(nèi)外殼層的共有化運(yùn)動(dòng) 等等 由于內(nèi)外殼層 交疊程度很不相同 所以 只有最外層電交疊程度很不相同 所以 只有最外層電交疊程度很不相同 所以 只有最外層電交疊程度很不相同 所以 只有最外層電 子的共有化運(yùn)動(dòng)才顯著 子的共有化運(yùn)動(dòng)才顯著 子的共有化運(yùn)動(dòng)才顯著 子的共有化運(yùn)動(dòng)才顯著 47 63第一章01 兩個(gè)相互靠近的原子 相互作用 能級(jí)分裂 48 63第一章01 考慮考慮N個(gè)原子組成的晶體個(gè)原子組成的晶體 1 越靠近內(nèi)殼層 的電子 共有化運(yùn)動(dòng) 弱 能帶窄 越靠近內(nèi)殼層 的電子 共有化運(yùn)動(dòng) 弱 能帶窄 2 各分裂能級(jí)間 能量相差小 看作準(zhǔn) 連續(xù) 各分裂能級(jí)間 能量相差小 看作準(zhǔn) 連續(xù) 3 有些能帶被電 子占滿(mǎn) 滿(mǎn)帶 有 些被部分占滿(mǎn) 半滿(mǎn) 帶 未被電子占據(jù) 的是空帶 有些能帶被電 子占滿(mǎn) 滿(mǎn)帶 有 些被部分占滿(mǎn) 半滿(mǎn) 帶 未被電子占據(jù) 的是空帶 原子能級(jí)能帶原子能級(jí)能帶 9 49 63第一章01 但是必須指出 許多實(shí)際晶體的能帶與孤但是必須指出 許多實(shí)際晶體的能帶與孤但是必須指出 許多實(shí)際晶體的能帶與孤但是必須指出 許多實(shí)際晶體的能帶與孤 立原子能級(jí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 并不都像上述立原子能級(jí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 并不都像上述立原子能級(jí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 并不都像上述立原子能級(jí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 并不都像上述 的那樣簡(jiǎn)單 的那樣簡(jiǎn)單 的那樣簡(jiǎn)單 的那樣簡(jiǎn)單 因?yàn)橐粋€(gè)能帶不一定同孤立因?yàn)橐粋€(gè)能帶不一定同孤立因?yàn)橐粋€(gè)能帶不一定同孤立因?yàn)橐粋€(gè)能帶不一定同孤立 原子的某個(gè)能級(jí)相當(dāng)原子的某個(gè)能級(jí)相當(dāng)原子的某個(gè)能級(jí)相當(dāng)原子的某個(gè)能級(jí)相當(dāng) 即不一定能區(qū)分 即不一定能區(qū)分 即不一定能區(qū)分 即不一定能區(qū)分s s能能能能 級(jí)和級(jí)和級(jí)和級(jí)和p p能級(jí)所過(guò)渡的能帶 能級(jí)所過(guò)渡的能帶 能級(jí)所過(guò)渡的能帶 能級(jí)所過(guò)渡的能帶 50 63第一章01 1 2 2 1 2 2 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 晶體中的電子與孤立原子中的電子不同 晶體中的電子與孤立原子中的電子不同 晶體中的電子與孤立原子中的電子不同 晶體中的電子與孤立原子中的電子不同 也和自由運(yùn)動(dòng)的電子不同 也和自由運(yùn)動(dòng)的電子不同 也和自由運(yùn)動(dòng)的電子不同 也和自由運(yùn)動(dòng)的電子不同 孤立原子 電子是在該原子的核和其他電孤立原子 電子是在該原子的核和其他電孤立原子 電子是在該原子的核和其他電孤立原子 電子是在該原子的核和其他電 子的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)子的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)子的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)子的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 自由電子是在一恒定為零的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 自由電子是在一恒定為零的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 自由電子是在一恒定為零的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 自由電子是在一恒定為零的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 晶體中的電子是在嚴(yán)格周期性重復(fù)排列的晶體中的電子是在嚴(yán)格周期性重復(fù)排列的晶體中的電子是在嚴(yán)格周期性重復(fù)排列的晶體中的電子是在嚴(yán)格周期性重復(fù)排列的 原子間運(yùn)動(dòng) 原子間運(yùn)動(dòng) 原子間運(yùn)動(dòng) 原子間運(yùn)動(dòng) 51 63第一章01 單電子近似認(rèn)為 晶體中的某一個(gè)電子是單電子近似認(rèn)為 晶體中的某一個(gè)電子是單電子近似認(rèn)為 晶體中的某一個(gè)電子是單電子近似認(rèn)為 晶體中的某一個(gè)電子是 在周期性排列且固定不動(dòng)的原子核的勢(shì)在周期性排列且固定不動(dòng)的原子核的勢(shì)在周期性排列且固定不動(dòng)的原子核的勢(shì)在周期性排列且固定不動(dòng)的原子核的勢(shì) 場(chǎng) 以及其他大量電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)場(chǎng) 以及其他大量電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)場(chǎng) 以及其他大量電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)場(chǎng) 以及其他大量電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn) 動(dòng) 這個(gè)勢(shì)場(chǎng)也是周期性變化的 而且它動(dòng) 這個(gè)勢(shì)場(chǎng)也是周期性變化的 而且它動(dòng) 這個(gè)勢(shì)場(chǎng)也是周期性變化的 而且它動(dòng) 這個(gè)勢(shì)場(chǎng)也是周期性變化的 而且它 的周期與晶格周期相同 的周期與晶格周期相同 的周期與晶格周期相同 的周期與晶格周期相同 研究發(fā)現(xiàn) 電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的基研究發(fā)現(xiàn) 電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的基研究發(fā)現(xiàn) 電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的基研究發(fā)現(xiàn) 電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的基 本特點(diǎn)和自由電子的運(yùn)動(dòng)十分相似 下面本特點(diǎn)和自由電子的運(yùn)動(dòng)十分相似 下面本特點(diǎn)和自由電子的運(yùn)動(dòng)十分相似 下面本特點(diǎn)和自由電子的運(yùn)動(dòng)十分相似 下面 先簡(jiǎn)單介紹一個(gè)自由電子的運(yùn)動(dòng) 先簡(jiǎn)單介紹一個(gè)自由電子的運(yùn)動(dòng) 先簡(jiǎn)單介紹一個(gè)自由電子的運(yùn)動(dòng) 先簡(jiǎn)單介紹一個(gè)自由電子的運(yùn)動(dòng) 52 63第一章01 由微觀粒子的波粒二象性得自由電子的波由微觀粒子的波粒二象性得自由電子的波由微觀粒子的波粒二象性得自由電子的波由微觀粒子的波粒二象性得自由電子的波 函數(shù)函數(shù)函數(shù)函數(shù) 能量與波矢量的關(guān)系能量與波矢量的關(guān)系能量與波矢量的關(guān)系能量與波矢量的關(guān)系 1 8 ikx xAe 22 0 1 11 2 k E m 53 63第一章01 單電子近似認(rèn)為晶體中某個(gè)電子是在與晶單電子近似認(rèn)為晶體中某個(gè)電子是在與晶單電子近似認(rèn)為晶體中某個(gè)電子是在與晶單電子近似認(rèn)為晶體中某個(gè)電子是在與晶 格同周期的周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 例如對(duì)于格同周期的周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 例如對(duì)于格同周期的周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 例如對(duì)于格同周期的周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 例如對(duì)于 一維晶格 表示晶格中位置為一維晶格 表示晶格中位置為一維晶格 表示晶格中位置為一維晶格 表示晶格中位置為 x x處的電勢(shì)為處的電勢(shì)為處的電勢(shì)為處的電勢(shì)為 式中式中式中式中 s s為整數(shù)為整數(shù)為整數(shù)為整數(shù) a a為晶格常數(shù) 晶體中電子為晶格常數(shù) 晶體中電子為晶格常數(shù) 晶體中電子為晶格常數(shù) 晶體中電子 所遵守的薛定鍔方程為所遵守的薛定鍔方程為所遵守的薛定鍔方程為所遵守的薛定鍔方程為 其中其中其中其中V V滿(mǎn)足式滿(mǎn)足式滿(mǎn)足式滿(mǎn)足式 1 1 12 12 布洛赫證明式 布洛赫證明式 布洛赫證明式 布洛赫證明式 1 1 13 13 的解為的解為的解為的解為 1 12 V xV xsa 1 14 1 13 22 2 0 2 dx V xxEx mdx ikx k xux e kk uxuxna 54 63第一章01 首先 從式首先 從式首先 從式首先 從式 1 1 14 14 與式與式與式與式 1 1 8 8 的比較可知 的比較可知 的比較可知 的比較可知 晶體中的電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的波函晶體中的電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的波函晶體中的電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的波函晶體中的電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的波函 數(shù)與自由電子的波函數(shù)形式相似 不過(guò)這數(shù)與自由電子的波函數(shù)形式相似 不過(guò)這數(shù)與自由電子的波函數(shù)形式相似 不過(guò)這數(shù)與自由電子的波函數(shù)形式相似 不過(guò)這 個(gè)波的振幅個(gè)波的振幅個(gè)波的振幅個(gè)波的振幅u u k k x x 隨隨隨隨x x作周期性變化 其變化作周期性變化 其變化作周期性變化 其變化作周期性變化 其變化 周期與晶格周期相同 周期與晶格周期相同 周期與晶格周期相同 周期與晶格周期相同 所以常說(shuō)晶體中的電子是以一個(gè)被調(diào)幅的所以常說(shuō)晶體中的電子是以一個(gè)被調(diào)幅的所以常說(shuō)晶體中的電子是以一個(gè)被調(diào)幅的所以常說(shuō)晶體中的電子是以一個(gè)被調(diào)幅的 平面波在晶體中傳播 顯然 若令式平面波在晶體中傳播 顯然 若令式平面波在晶體中傳播 顯然 若令式平面波在晶體中傳播 顯然 若令式 1 1 14 14 中的中的中的中的u u k k x x 為常數(shù) 則在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)為常數(shù) 則在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)為常數(shù) 則在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)為常數(shù) 則在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 的電子的波函數(shù)就完全變?yōu)樽杂呻娮拥牟ǖ碾娮拥牟ê瘮?shù)就完全變?yōu)樽杂呻娮拥牟ǖ碾娮拥牟ê瘮?shù)就完全變?yōu)樽杂呻娮拥牟ǖ碾娮拥牟ê瘮?shù)就完全變?yōu)樽杂呻娮拥牟?函數(shù)了 函數(shù)了 函數(shù)了 函數(shù)了 1 8 1 14 ikx ikx k xAe xux e 10 55 63第一章01 其次 根據(jù)波函數(shù)的意義 在空間某一點(diǎn)其次 根據(jù)波函數(shù)的意義 在空間某一點(diǎn)其次 根據(jù)波函數(shù)的意義 在空間某一點(diǎn)其次 根據(jù)波函數(shù)的意義 在空間某一點(diǎn) 找到電子的概率與波函數(shù)在該點(diǎn)的強(qiáng)度成找到電子的概率與波函數(shù)在該點(diǎn)的強(qiáng)度成找到電子的概率與波函數(shù)在該點(diǎn)的強(qiáng)度成找到電子的概率與波函數(shù)在該點(diǎn)的強(qiáng)度成 比例 比例 比例 比例 對(duì)于自由電子 在空間各點(diǎn)波函數(shù)的強(qiáng)度相對(duì)于自由電子 在空間各點(diǎn)波函數(shù)的強(qiáng)度相對(duì)于自由電子 在空間各點(diǎn)波函數(shù)的強(qiáng)度相對(duì)于自由電子 在空間各點(diǎn)波函數(shù)的強(qiáng)度相 等 故在空間各點(diǎn)找到電子的概率相同 等 故在空間各點(diǎn)找到電子的概率相同 等 故在空間各點(diǎn)找到電子的概率相同 等 故在空間各點(diǎn)找到電子的概率相同 這反映了電子在空間中的自由運(yùn)動(dòng) 而對(duì)這反映了電子在空間中的自由運(yùn)動(dòng) 而對(duì)這反映了電子在空間中的自由運(yùn)動(dòng) 而對(duì)這反映了電子在空間中的自由運(yùn)動(dòng) 而對(duì) 于晶體中的電子 由于于晶體中的電子 由于于晶體中的電子 由于于晶體中的電子 由于u u k k x x 是與晶格同周是與晶格同周是與晶格同周是與晶格同周 期的函數(shù) 在晶體中波函數(shù)的強(qiáng)度也隨晶期的函數(shù) 在晶體中波函數(shù)的強(qiáng)度也隨晶期的函數(shù) 在晶體中波函數(shù)的強(qiáng)度也隨晶期的函數(shù) 在晶體中波函數(shù)的強(qiáng)度也隨晶 格周期性變化 所以在晶體中各點(diǎn)找到該格周期性變化 所以在晶體中各點(diǎn)找到該格周期性變化 所以在晶體中各點(diǎn)找到該格周期性變化 所以在晶體中各點(diǎn)找到該 電子的概率也具有周期性變化性質(zhì) 電子的概率也具有周期性變化性質(zhì) 電子的概率也具有周期性變化性質(zhì) 電子的概率也具有周期性變化性質(zhì) 56 63第一章01 這反映了電子不再完全局限在某一個(gè)原子上 而這反映了電子不再完全局限在某一個(gè)原子上 而這反映了電子不再完全局限在某一個(gè)原子上 而這反映了電子不再完全局限在某一個(gè)原子上 而 是可以從晶胞中某一點(diǎn)自由地運(yùn)動(dòng)到其他晶胞內(nèi)是可以從晶胞中某一點(diǎn)自由地運(yùn)動(dòng)到其他晶胞內(nèi)是可以從晶胞中某一點(diǎn)自由地運(yùn)動(dòng)到其他晶胞內(nèi)是可以從晶胞中某一點(diǎn)自由地運(yùn)動(dòng)到其他晶胞內(nèi) 的對(duì)應(yīng)點(diǎn) 因而電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng) 這的對(duì)應(yīng)點(diǎn) 因而電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng) 這的對(duì)應(yīng)點(diǎn) 因而電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng) 這的對(duì)應(yīng)點(diǎn) 因而電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng) 這 種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為電子在晶體內(nèi)的共有化運(yùn)動(dòng) 種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為電子在晶體內(nèi)的共有化運(yùn)動(dòng) 種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為電子在晶體內(nèi)的共有化運(yùn)動(dòng) 種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為電子在晶體內(nèi)的共有化運(yùn)動(dòng) 組成晶體的原子的外層電子共有化運(yùn)動(dòng)較強(qiáng) 組成晶體的原子的外層電子共有化運(yùn)動(dòng)較強(qiáng) 組成晶體的原子的外層電子共有化運(yùn)動(dòng)較強(qiáng) 組成晶體的原子的外層電子共有化運(yùn)動(dòng)較強(qiáng) 其行為與自由電子相似 常稱(chēng)為準(zhǔn)自由電子 而其行為與自由電子相似 常稱(chēng)為準(zhǔn)自由電子 而其行為與自由電子相似 常稱(chēng)為準(zhǔn)自由電子 而其行為與自由電子相似 常稱(chēng)為準(zhǔn)自由電子 而 內(nèi)層電子的共有化運(yùn)動(dòng)較弱 其行為與孤立原子內(nèi)層電子的共有化運(yùn)動(dòng)較弱 其行為與孤立原子內(nèi)層電子的共有化運(yùn)動(dòng)較弱 其行為與孤立原子內(nèi)層電子的共有化運(yùn)動(dòng)較弱 其行為與孤立原子 中的電子相似 最后 布洛赫波函數(shù)中的波矢中的電子相似 最后 布洛赫波函數(shù)中的波矢中的電子相似 最后 布洛赫波函數(shù)中的波矢中的電子相似 最后 布洛赫波函數(shù)中的波矢 k k 與自由電子波函數(shù)中的一樣 它描述晶體中電子與自由電子波函數(shù)中的一樣 它描述晶體中電子與自由電子波函數(shù)中的一樣 它描述晶體中電子與自由電子波函數(shù)中的一樣 它描述晶體中電子 的共有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 不同的的共有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 不同的的共有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 不同的的共有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 不同的 k k標(biāo)志著不同的共有標(biāo)志著不同的共有標(biāo)志著不同的共有標(biāo)志著不同的共有 化運(yùn)動(dòng)狀態(tài)化運(yùn)動(dòng)狀態(tài)化運(yùn)動(dòng)狀態(tài)化運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 57 63第一章01 1 2 3 1 2 3 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 固體按其導(dǎo)電性分為導(dǎo)體 半導(dǎo)體 絕緣固體按其導(dǎo)電性分為導(dǎo)體 半導(dǎo)體 絕緣固體按其導(dǎo)電性分為導(dǎo)體 半導(dǎo)體 絕緣固體按其導(dǎo)電性分為導(dǎo)體 半導(dǎo)體 絕緣 體的機(jī)理 可以根據(jù)電子填充能帶的情況體的機(jī)理 可以根據(jù)電子填充能帶的情況體的機(jī)理 可以根據(jù)電子填充能帶的情況體的機(jī)理 可以根據(jù)電子填充能帶的情況 來(lái)說(shuō)明 來(lái)說(shuō)明 來(lái)說(shuō)明 來(lái)說(shuō)明 58 63第一章01 固體能夠?qū)щ?是固體中的電子在外電場(chǎng)作用下固體能夠?qū)щ?是固體中的電子在外電場(chǎng)作用下固體能夠?qū)щ?是固體中的電子在外電場(chǎng)作用下固體能夠?qū)щ?是固體中的電子在外電場(chǎng)作用下 做定向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果 由于電場(chǎng)力對(duì)電子的加速作做定向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果 由于電場(chǎng)力對(duì)電子的加速作做定向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果 由于電場(chǎng)力對(duì)電子的加速作做定向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果 由于電場(chǎng)力對(duì)電子的加速作 用 使電子的運(yùn)動(dòng)速度和能量都發(fā)生了變化 換用 使電子的運(yùn)動(dòng)速度和能量都發(fā)生了變化 換用 使電子的運(yùn)動(dòng)速度和能量都發(fā)生了變化 換用 使電子的運(yùn)動(dòng)速度和能量都發(fā)生了變化 換 言之 即電子與外電場(chǎng)間發(fā)生能量交換 從能帶言之 即電子與外電場(chǎng)間發(fā)生能量交換 從能帶言之 即電子與外電場(chǎng)間發(fā)生能量交換 從能帶言之 即電子與外電場(chǎng)間發(fā)生能量交換 從能帶 論來(lái)看 電子的能量變化 就是電子從一個(gè)能級(jí)論來(lái)看 電子的能量變化 就是電子從一個(gè)能級(jí)論來(lái)看 電子的能量變化 就是電子從一個(gè)能級(jí)論來(lái)看 電子的能量變化 就是電子從一個(gè)能級(jí) 躍遷到另一個(gè)能級(jí)上去 躍遷到另一個(gè)能級(jí)上去 躍遷到另一個(gè)能級(jí)上去 躍遷到另一個(gè)能級(jí)上去 對(duì)于滿(mǎn)帶 其中的能級(jí)已為電子所占滿(mǎn) 在外電對(duì)于滿(mǎn)帶 其中的能級(jí)已為電子所占滿(mǎn) 在外電對(duì)于滿(mǎn)帶 其中的能級(jí)已為電子所占滿(mǎn) 在外電對(duì)于滿(mǎn)帶 其中的能級(jí)已為電子所占滿(mǎn) 在外電 場(chǎng)作用下 滿(mǎn)帶中的電子并不形成電流 對(duì)導(dǎo)電場(chǎng)作用下 滿(mǎn)帶中的電子并不形成電流 對(duì)導(dǎo)電場(chǎng)作用下 滿(mǎn)帶中的電子并不形成電流 對(duì)導(dǎo)電場(chǎng)作用下 滿(mǎn)帶中的電子并不形成電流 對(duì)導(dǎo)電 沒(méi)有貢獻(xiàn) 通常原子中的內(nèi)層電子都是占據(jù)滿(mǎn)帶沒(méi)有貢獻(xiàn) 通常原子中的內(nèi)層電子都是占據(jù)滿(mǎn)帶沒(méi)有貢獻(xiàn) 通常原子中的內(nèi)層電子都是占據(jù)滿(mǎn)帶沒(méi)有貢獻(xiàn) 通常原子中的內(nèi)層電子都是占據(jù)滿(mǎn)帶 中的能級(jí) 因而內(nèi)層電子對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn) 中的能級(jí) 因而內(nèi)層電子對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn) 中的能級(jí) 因而內(nèi)層電子對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn) 中的能級(jí) 因而內(nèi)層電子對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn)