1.半导体物理：半导体中的电子状态

centered，side-centered ❖ Tetragonal：simple，body-centered ❖Hexagonal ：simple ❖Trigonal ：simple ❖ Cubic：simple(sc)，body-centered(bcc)，face-
centered(fcc)
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结 构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型 呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。 是世上最薄、最坚硬、电阻率最小的纳米材料。 石墨烯有望取代硅，制作纳米级高速晶体管等电子器件。
共价键
四面体结构中处于顶角的每个原子与中心原子 各出1个价电子为该两个原子所共有，共有的 电子在两个原子之间形成较大的电子云密度， 通过它们对原子实的引力把两个原子结合在一 起。 每个原子与周围4个原子组成4个共价键。
杂化轨道
四面体结构共价晶体中，每个原子最外层电子为1个s态电 子和3个p态电子。在与相邻4个原子结合时，4个共用电 子对完全等价，难以区分s态和p态电子，s态和p态电子波 函数的线性组合构成了所谓“杂化轨道”：1个s和3个p 轨道形成了能量相同的sp3杂化轨道。
==90， 90 ===90 ===90 ==90， =120 ==90 ===90
布喇菲格子 Bravais Lattices
属于每一晶系的空间格子，因为重复单元所 包括的点子（格点、结点）不同，又可分为 一种或几种类型。这样，七个晶系中共有 14种不同的重复单元，通常称为14种布喇 菲格子。14种布喇菲格子中，按每个格子 所包含的结点数目，又可分为原始（简单） 格子、底心格子、体心格子和面心格子四种。
❖ a，b，c，，，通常 又称为晶格常数，可以 由x射线确定
❖ 根据a，b，c，，， 的不同，晶格可分为七 大晶系和十四种布喇菲 格子
七大晶系
晶系名称 三斜晶系 单斜晶系 正交晶系 四方晶系 六角晶系
三角晶系 立方晶系
晶轴上的周期 abc abc abc a=bc a=bc
a=b=c a=b=c
晶轴间的夹角 90
单电子近似Βιβλιοθήκη Baidu
求解薛定谔方程
复杂的多体问题
电子在周期性排列且固定不动的原子核势场 其它电子的平均势场中运动
半导体材料由大量原子周期性重复排列而成
原子核
相互作用
电子
能带 论
半导体组成、结构
1.1 半导体的晶格结构和结合性质
半导体的特点：易受温度、照光、磁场及微量杂质原子 的影响。
半导体对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子 应用中最重要的材料之一。
1. 金刚石型结构和共价键
许多材料的晶格结构与金刚石相同， 故称为金刚石结构
特点： ① 两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线平移1/4空间对
角线套构而成。 ② sp3杂化轨道为基础形成正四面体结构，夹角109º28´。 ③ 固体物理学原胞（包含两个原子）和面心立方晶格（包
含一个原子）相同，为复式晶格。 ④ 硅、锗（Ⅳ族元素）的典型晶格结构，共价键结合。 ⑤ 由共价键组成的许多正四面体积累起来构成金刚石结构
闪锌矿型结构
晶胞
(111)面的堆积 [在 (110)面上的投影]
闪锌矿结构的结晶学原胞
闪锌矿结构
3. 纤锌矿型结构
特点： ①六方对称性的正四面体结构为基础，不是立方对
称性（与闪锌矿区别）。
②相比共价键，离子性结合占优。
③部分Ⅱ－Ⅵ族化合物。硫化锌、硒化锌、硫化镉、 硒化镉可以闪锌矿型和纤锌矿型两种方式结晶。
十四种布喇菲格子
三斜：简单 单斜：简单，底心 正交：简单，体心，面心，底心 四方：简单，体心 六角：简单 三角：简单 立方：简单，体心，面心
14 Bravais Lattices
❖ Triclinic：simple ❖ Monoclinic：simple，side-centered ❖ Orthorhombic：simple，body-centered，face-
半导体物理
第1章 半导体中的电子状态
1 半导体中的电子状态
本章内容提要
• 半导体材料、基本晶体结构与共价键 （复习） • 能级与能带，电子共有化运动 • 半导体中电子运动规律，有效质量 • 能带模型及导电机构 • 常见半导体材料的能带结构 • 杂质与缺陷(课本第二章)
半导体独特的物理性质
半导体中电子状态及运动特点
氯化钠型结构 氯化铯型结构如何？
氯化铯型结构：
•立方体的顶角上是Cl—,体心是Cs＋或反之。
•各自组成简立方结构的子晶格。
•两个简立方的子晶格彼此沿立方体空间对角线 位移1/2长度套购而成。
•复式格子，固体物理原胞是简立方，不能说是 “体心立方“；就像氯化钠是面心立方，而不 是简立方。
5. 石墨烯
半导体的晶格：晶体中原子周期性的排列形式。
典型的半导体：硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 金刚石型结构和共价键 闪锌矿型结构和混合键 纤锌矿型结构 氯化钠型结构
补充固体物理学中晶格的
晶系和布喇菲格子
❖ 原胞：晶格的最小周期 性重复单元
❖ 晶胞：描述晶格的周期 性和对称性的最小重复 单元
❖ 通常描写晶胞的六个物 理量是三个基矢的长度 和基矢之间的夹角，如 图所示
(a) 正四面体结构； 固体物理学原胞，有
2个原子 (b) 金刚石型结构；
每个原子有4个相邻的 原子，成为4个四面体 的顶角；
(c) 金刚石型结构的晶胞； 两个面心立方晶胞套
构而成
(d) (111)面的密堆积； 取垂直于(c)中对角线
的平面，如一个顶角的 3个最近邻顶角构成 (111)面，包含了套购 的原子，形成双原子层 A层，面心立方为ABC 排列
(e) ﹛100﹜面上的投影 上下分为5层
金刚石型结构 硅、锗的金刚石结构
硅、锗的金刚石结构
2. 闪锌矿型结构和混合键
特点： ① 由两类原子各自组成的面心立方晶格套构而成。
（金刚石型结构由同种原子构成）
② 双原子复式格子。 ③ 结合性质依靠共价键结合，但具有不同程度的离
子性（极性半导体）。 ④ Ⅲ－Ⅴ族、Ⅱ－Ⅵ族化合物，如砷化镓、硫化锌。
纤锌矿型结构
由两类原子各自组成的六方排列的双原子层 堆积而成，它的(001) 面规则地按ABABA… 顺序堆积
纤维锌矿结构： ZnO、GaN、AlN、ZnS、ZnTe、CdS、CdTe…
4. 氯化钠型结构
特点： ①两个面心立方（不同的离子构成）沿棱方向平
移1/2周期套构而成。 ②离子性强。
③硫化铅、硒化铅、碲化铅等。