半导体的能带结构ppt课件
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半导体的能带结构 ppt课件
ppt课件 53
a1
设此晶面与三个座标轴的交点的位矢分别为ra1 、sa2、 ta3,代入上式，则有
ra1cos(a1,n)=d
sa2cos(a2,n)=d
ta3cos(a3,n)=d a1 、 a2、a3取单位长度，则得 cos(a1,n)： cos(a2,n) ：cos(a3,n)=1\r：1\s：1\t 结论：晶面的法线方向n与三个坐标轴（基矢）的夹角 的余弦之比等于晶面在三个轴上的截距的倒数1. 晶列的特点
（1）一族平行晶列把所有点 包括无遗。
（2）在一平面中，同族的相邻晶列之间的距离相等。
（3）通过一格点可以有无限 多个晶列，其中每一晶列都有一 族平行的晶列与之对应。
（4 ）有无限多族平行晶列。
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49
二、晶面
-
。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。
第二章： 半导体的能带结构
2．1 半导体的结构
2. 2 半导体的能带结构
ppt课件
1
2．1 半导体的结构
**半导体简介
从导电性（电阻）：
固体材料可分成：超导体、导体、
半导体、绝缘体
电阻率ρ介于导体和绝缘体之间，并且具有 负的电阻温度系数→半导体
ppt课件 2
●电阻率
导体： ρ＜10-3Ωcm 例如：ρCu~10-6Ωcm
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6
*无机半导体晶体材料
元素半导体 无机半导体晶体材料 化合物半导体 固溶体半导体
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a1
设此晶面与三个座标轴的交点的位矢分别为ra1 、sa2、 ta3,代入上式，则有
ra1cos(a1,n)=d
sa2cos(a2,n)=d
ta3cos(a3,n)=d a1 、 a2、a3取单位长度，则得 cos(a1,n)： cos(a2,n) ：cos(a3,n)=1\r：1\s：1\t 结论：晶面的法线方向n与三个坐标轴（基矢）的夹角 的余弦之比等于晶面在三个轴上的截距的倒数1. 晶列的特点
（1）一族平行晶列把所有点 包括无遗。
（2）在一平面中，同族的相邻晶列之间的距离相等。
（3）通过一格点可以有无限 多个晶列，其中每一晶列都有一 族平行的晶列与之对应。
（4 ）有无限多族平行晶列。
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二、晶面
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第二章： 半导体的能带结构
2．1 半导体的结构
2. 2 半导体的能带结构
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2．1 半导体的结构
**半导体简介
从导电性（电阻）：
固体材料可分成：超导体、导体、
半导体、绝缘体
电阻率ρ介于导体和绝缘体之间，并且具有 负的电阻温度系数→半导体
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●电阻率
导体： ρ＜10-3Ωcm 例如：ρCu~10-6Ωcm
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6
*无机半导体晶体材料
元素半导体 无机半导体晶体材料 化合物半导体 固溶体半导体
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半导体器件物理(详尽版)ppt
半导体 电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于10-8Ω·m）， 绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。
晶体 自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶 体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。
1.1 半导体的晶格结构
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
图中“● ”表示价带内的电子 ;图中“○ ”表示价带内的空穴。
思考
• 既然半导体电子和空穴都能导电，而导体只有电子导电，为什么半导体的导 电能力比导体差？
●导带底EC
导带电子的最低能量
●价带顶EV
价带电子的最高能量
●禁带宽度 Eg
Eg=Ec-Ev
●本征激发 由于温度，价键上的电子 激发成为准自由电子，亦 即价带电子激发成为导带 电子的过程 。
●价带
由价电子形成的能带，但半导体 材料价电子形成的低能级能带通 常称为价带。
●禁带宽度/Eg
导带和价带之间的能级宽度，
单位是能量单位：eV（电子伏特）
图1-6
导体、绝缘体、半导体的能带示意图
3~6eV
禁带比较窄，常 温下，部分价带 电子被激发到空 的导带，形成有 少数电子填充的 导带和留有少数 空穴的价带，都
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
半导体的物质结构和能带结构ppt课件
第一章 半导体的物质结构和能带结构
1.1 半导体的原子结合与晶体结构 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中载流子的有效质量 1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 1.5 典型半导体的能带结构 1.6 半导体能带工程概要
1.2 半导体中的电子状态和能带
一 原子的能级和晶体的能带 二 半导体中的电子状态和能带 三导体、半导体、绝缘体的能带
F 4.0 Cl 3.0 Br 2.8 I 2.3
Cl 2.1 Br 2.01 I 1.63
Ne 4.44 Ar 3.46 Kr 3.24 Xe 3.02 Rn 3.0
3、电负性决定原子的结合性质
就同种元素原子的结合而言，电负性小按金属键结合，电负性 大按分子键结合，电负性中按共价键结合（其中共价键数目较 少者还须依靠范德瓦尔斯力实现三维的结合）。 就化合物的结合而言，电负性差别较大的两种元素倾向于离子 键结合；电负性差别不大的两种元素倾向于共价键结合，但公 有电子向电负性较强的一边倾斜，因而具有一定的离子性，形 成混合键。构成混合键的两种元素的电负性差别越大，其离子 性越强。
第一章 半导体的物质结构和能带结构
1.1 半导体的原子结合与晶体结构 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中载流子的有效质量 1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 1.5 典型半导体的能带结构 1.6 半导体能带工程概要
第一章 半导体的物质结构和能带结构
1.1 半导体的原子结合与晶体结构 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中载流子的有效质量 1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 1.5 典型半导体的能带结构 1.6 半导体能带工程概要
体一样，都是4配位。 3、正四面体结构（Tetrahedron） 原子的四配位密排方式；4个键角相等，皆为109º28’ 。
半导体的能带结构
半导体的能带结构半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料，其最重要的特征是它的电导率随着温度的变化而变化。
半导体的电导率比绝缘体高，但比导体低。
这种特殊的电性质是由半导体中的能带结构所决定的。
半导体的能带结构是指在半导体内部原子的价电子能级和空穴能级之间的分布情况。
半导体中的原子由于空间限制而形成晶格结构，晶格中的原子排列有序，而且具有周期性。
在这个有序的结构中，原子之间的电子能量不完全相同，因此，它们的能级也不同，这就形成了能带结构。
半导体的能带结构是由价带和导带组成的。
价带是指半导体中原子的最外层电子的能级，这些电子处于价态。
导带是指在半导体中具有传导电子能力的能级，这些电子处于导态。
在半导体中，导带和价带之间存在一段能量间隙，即禁带宽度。
禁带宽度是指在半导体中，电子从价带跃迁到导带所需要的最小能量，也称为带隙。
半导体的能带结构不仅决定了半导体的电性质，而且还直接影响着半导体的光学性质。
在半导体中，能带结构和带隙的大小决定了半导体的吸收和发射光谱。
当半导体受到外界光照射时，电子能够从价带跃迁到导带，从而产生电子空穴对。
这种现象被称为光电效应。
在半导体中，光电效应的发生与能带结构和带隙的大小有直接关系。
除了光电效应，半导体的能带结构还影响着半导体的输运性质。
在半导体中，电子和空穴的运动受到晶格缺陷和杂质的影响，从而影响半导体的电导率。
这些晶格缺陷和杂质会影响半导体的禁带宽度和电子迁移率，从而影响半导体的电性质。
半导体的能带结构是半导体材料中最重要的物理特性之一。
它直接决定了半导体的电性质和光学性质，对于半导体器件的设计和制造具有重要意义。
随着半导体技术的发展，对半导体的能带结构的研究也将会越来越深入。
半导体物理ppt课件
§1.2.4电子在周期场中的运动——能带论
2、电子在周期场中的运动
布洛赫曾经证明，满足式(1-13)的波函数一定具有如下
形式： k x uk (x)ei2 kx
(1-14)
式中k为波矢，uk (x)是一个与晶格同周期的周期性函数， 即：
uk (x) uk (x na)
式中n为整数。
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.4电子在周期场中的运动——能带论
2、电子在周期场中的运动 式(1-13)具有式(1-14)形式的解，这一结论称为布洛赫
定理。具有式(1-14)形式的波函数称为布洛赫波函数 晶体中的电子运动服从布洛赫定理：
晶体中的电子是以调幅平面波在晶体中传播。 这个波函数称为布洛赫波函数。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 2.几种晶格结构
如果只考虑晶格的周期性，可用固体物理学原胞表示：
简立方原胞：与晶胞相同，含一个原子。
体心立方原胞：为棱长
3 2
a
的简立方，含一个原子。
面心立方原胞：为棱长
2 2
a
的菱立方，由面心立方体对
角线的；两个原子和六个面心原子构成，含一个原子。
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.4电子在周期场中的运动——能带论
1、自由电子的运动状态 对于波矢为k的运动状态，自由电子的能
量E，动量p，速度v均有确定的数值。 波矢k可用以描述自由电子的运动状态，
不同的k值标志自由电子的不同状态 自由电子的E和k的关系曲线，呈抛物线
形状。 由于波矢k的连续变化，自由电子的能量
(e)（100）面上的投影
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 4.闪锌矿型结构
半导体物理第二章能带和载流子课件
自由电子能量和动量的关系：E=P2/2m0 （m0为自由电子质量）
E=P2/2mn （p为动量 ， mn为电子有效质量）
抛物线 表示：
E
P
注意：电子有效质量由半导体特性决定，但可以由E对P的二次
微分算出：mn=（d2E/dp2）-1
由此得：曲率越小，二次微分越大，有效质量越小
18
第十八页，本课件共有49页
间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置；一般原子比较 小。 替位式杂质：杂质原子取代晶格原子位于晶格处。要求替位式杂质 的大小与被取代的晶格原子的大小相近。
36
第三十六页，本课件共有49页
施主杂质(donor)
37
第三十七页，本课件共有49页
V族： P, As
V族元素取代Si原子后，形成 一个正电中心和一个多余的 价电子。
数
计算值 测量值
e
0.67
0.56m0 0.37m0 1.05x1019 5.7x1018
2.0x1013 2.4x1013
1.12 1.08m0 0.59m0 2.86x1019 2.66x1019 7.8x109 9.65x109
aAs 1.42 0.068m0 0.47m0 4.7x1017 7x1018
金刚石
导电
较高
(热激发 e,h)
导电
低
(n ~1022 cm-3)
导电
金属< 半金属< 半导体
Si, Ge, GaAs
Na: 1s22s2 2p63s1
Mg: 1s22s2 2p63s2
V族 Bi, Sb, As
§2.6 本征载流子浓度
热平衡状态 本征激发与本征半导体 费米分布函数与玻尔慈曼分布函数 本征载流子浓度
E=P2/2mn （p为动量 ， mn为电子有效质量）
抛物线 表示：
E
P
注意：电子有效质量由半导体特性决定，但可以由E对P的二次
微分算出：mn=（d2E/dp2）-1
由此得：曲率越小，二次微分越大，有效质量越小
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间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置；一般原子比较 小。 替位式杂质：杂质原子取代晶格原子位于晶格处。要求替位式杂质 的大小与被取代的晶格原子的大小相近。
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施主杂质(donor)
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第三十七页，本课件共有49页
V族： P, As
V族元素取代Si原子后，形成 一个正电中心和一个多余的 价电子。
数
计算值 测量值
e
0.67
0.56m0 0.37m0 1.05x1019 5.7x1018
2.0x1013 2.4x1013
1.12 1.08m0 0.59m0 2.86x1019 2.66x1019 7.8x109 9.65x109
aAs 1.42 0.068m0 0.47m0 4.7x1017 7x1018
金刚石
导电
较高
(热激发 e,h)
导电
低
(n ~1022 cm-3)
导电
金属< 半金属< 半导体
Si, Ge, GaAs
Na: 1s22s2 2p63s1
Mg: 1s22s2 2p63s2
V族 Bi, Sb, As
§2.6 本征载流子浓度
热平衡状态 本征激发与本征半导体 费米分布函数与玻尔慈曼分布函数 本征载流子浓度
半导体物理学刘恩科全部章节ppt
原因： “轨道杂化”（sp3） p 导带 空带
s 价带 满带
禁带
32N
0
电子
2NN
4N
电子
二、半导体中电子的状态和能带
微观粒子的波粒二象性
实验验证：
戴维逊-革末实验：电流出现周期性变化
I
将电子看成粒子则无法解释
电
流
阴级 U
Ni单晶
计
1927年戴维孙和革末用加速后的电子投射到在镍（Ni)晶体 特选晶面上进行电子反射时的干涉实验
二、半导体中电子的状态和能带
➢微观粒子的波粒二象性
– 微观粒子的粒子性：
各种微观粒子都有其独特的特征：如质量、电荷等 同种微观粒子具有等同性
微观粒子的运动表现粒子运动的特性：动量、能量
– 微观粒子的波动性：
微观粒子的运动表现波动的特性：波长、频率 但微观粒子的波动不是电磁波，而是徳布罗意波
➢微观粒子的波粒二象性
由两种原子结构和混合键
– Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体绝大多数具 – 有闪锌矿型结构：
• 闪锌矿型结构和混合键
– 注意几点：
1. 正四面体结构中心也有一个原子，但顶角原子与中心 原子不同，因而其结合方式虽以共价结合为主，但具 有不同程度的离子性，称极性半导体
2. 固体物理学原胞同金刚石型结构，但有2个不同原子
3. 结晶学原胞可以看成两种不同原子的面心立方晶胞沿 立方体空间对角线互相错开1/4长度套构而成，属于双 原子复式晶格
4. 一个晶胞中共有8个原子，两种原子各有4个
纤锌矿型结构
材料: Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体
例: ZnS、ZnSe、CdS、CdSe
– 此时定态薛定谔方程为：
《半导体物理》PPT课件
。
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 1 1]方向， 则与上述六个<100>
方2向的方2 向 余2弦相1/等3：
对于每个旋转椭球来
讲:
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
3ml 2mt ml
大小相等，对应的回旋频率大小相同，因此只有一个吸收峰
半导体物理 Semiconductor Physics
上式代表的等能面不再是球面（只有当 C为零时是球面），而是扭曲的球面， 重空穴带的扭曲比轻空穴带的扭曲更为 显著。
半导体物理 Semiconductor Physics
两个带下面的第三个能带，由于自旋-轨道 耦合作用，使能量降低了Δ，与以上两个能 带分开，具有球形等能面。其能量表示式
半导体物理 Semiconductor Physics
在Si中，其它能 谷比<100>谷高 的多
半导体物理 Semiconductor Physics
硅和锗的价带结构
半导体物理 Semiconductor Physics
硅锗的价带结构是比较复杂的。价带 顶位于k=0。在价带顶附近有三个带， 其中两个最高的带在k=0处简并，分别 对应于重空穴带和轻空穴带（曲率较 大的为轻空穴带），下面还有一个带， 是由于自旋-轨道耦合分裂出来的。
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 0 0]方向，则：
对于[1 0 0] 轴上的两个 椭球来讲，其
2 2 0 2 1
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
半导体物理 Semiconductor Physics
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 1 1]方向， 则与上述六个<100>
方2向的方2 向 余2弦相1/等3：
对于每个旋转椭球来
讲:
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
3ml 2mt ml
大小相等，对应的回旋频率大小相同，因此只有一个吸收峰
半导体物理 Semiconductor Physics
上式代表的等能面不再是球面（只有当 C为零时是球面），而是扭曲的球面， 重空穴带的扭曲比轻空穴带的扭曲更为 显著。
半导体物理 Semiconductor Physics
两个带下面的第三个能带，由于自旋-轨道 耦合作用，使能量降低了Δ，与以上两个能 带分开，具有球形等能面。其能量表示式
半导体物理 Semiconductor Physics
在Si中，其它能 谷比<100>谷高 的多
半导体物理 Semiconductor Physics
硅和锗的价带结构
半导体物理 Semiconductor Physics
硅锗的价带结构是比较复杂的。价带 顶位于k=0。在价带顶附近有三个带， 其中两个最高的带在k=0处简并，分别 对应于重空穴带和轻空穴带（曲率较 大的为轻空穴带），下面还有一个带， 是由于自旋-轨道耦合分裂出来的。
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 0 0]方向，则：
对于[1 0 0] 轴上的两个 椭球来讲，其
2 2 0 2 1
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
半导体物理 Semiconductor Physics
《半导体基础》课件
在温度升高或电场加强时，电 子和空穴的输运能力增强。
掺杂可以改变半导体的导电性 能，增加载流子的数量。
半导体中的热传导
01 热传导是热量在半导体中传递的过程。
02 热传导主要通过晶格振动和自由载流子传 递。
03
半导体的热传导系数受到温度、掺杂浓度 和材料类型的影响。
04
在高温或高掺杂浓度下，热传导系数会增 加。
模拟电路和数字电路中均有广泛应用。
场效应晶体管
总结词
场效应晶体管是一种电压控制型器件，利用电场效应来控制导电沟道的通断。
详细描述
场效应晶体管可分为N沟道和P沟道两种类型，通过调整栅极电压来控制源极和漏极之 间的电流。场效应晶体管具有低噪声、高输入阻抗和低功耗等优点，广泛应用于放大器
和逻辑电路中。
集成电路基础
掺杂半导体
N型半导体
通过掺入施主杂质，增加自由电子数量，提高导电能力。
P型半导体
通过掺入受主杂质，增加自由空穴数量，提高导电能力。
宽禁带半导体
碳化硅（SiC）
具有宽禁带、高临界击穿场强等特点， 适用于制造高温、高频、大功率的电子 器件。
VS
氮化镓（GaN）
具有宽禁带、高电子迁移率等特点，适用 于制造蓝光、紫外线的光电器件。
详细描述
二极管由一个PN结和两个电极组成，其单 向导电性是由于PN结的正向导通和反向截 止特性。根据结构不同，二极管可分为点接 触型、肖特基型和隧道二极管等。
双极晶体管
总结词
双极晶体管是一种电流控制型器件，具有放 大信号的功能。
详细描述
双极晶体管由三个电极和两个PN结组成， 通过调整基极电流来控制集电极和发射极之 间的电流，实现信号的放大。双极晶体管在
半导体的能带结构课件
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10
*.非晶态半导体
(1)非晶Si、非晶Ge以及非晶Te、Se元素 半
导体
(2)化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、 Se2As3、As2SeTe非晶半导体
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11
*有机半导体
有机半导体
有机分子晶体 有机分子络合物 高分子聚合物
酞菁类及一些多环、稠环化合物， 聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分 子，他们都具有大π键结构。
原胞边长总是一个周期，并各沿三个晶轴方向；
原胞体积为物理学原胞体积的整数倍数。
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19
4 .结点的总结------布喇菲点阵或布喇菲格子
布喇菲点阵的特点：
每点周围情况都一样。是由一个结点沿三维空间周 期性平移形成，为了直观，可以取一些特殊的重复 单元（结晶学原胞）。
• 完全由相同的一种原子组成，则这种原子组成的 网格为布喇菲格子，和结点所组成的网格相同。
结点示例图
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15
2 . 点阵学说概括了晶体结构的周期性
晶体由基元沿空间三个不同方向，各按一定的距离周期 性地平移而构成，基元每一平移距离称为周期。 在一定方向有着一定周期，不同方向上周期一 般不相同。 基元平移结果：点阵中每个结点周围情况都一样。
学习交流PPT
16
3 . 晶格的形成
通过点阵中的结点，可以作许多平行的直线族 和平行的晶面族，点阵成为一些网格------晶 格。
原子规则堆积的意义：把晶格设想成为原子规则堆 积，有助于理解晶格组成，晶体结构及与其有关的 性能等。
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21
1. 简单立方晶格
特点：
层内为正方排列，是原子球规则排列的最简单形式；
5-1半导体材料及其基本能带结构 PPT
信息处理与存储
信息感测
通信、雷达
显示
半导体照明
半导体的基本能带结构
太Байду номын сангаас能电池、热电转换
一. 半导体材料
半导体的 性质与用途
电子运动 的多样化
半导体的 能带结构
能带工程 能带裁剪 杂质工程 应变工程 缺陷工程
……
半导体基本能带结构
5.1 半导体及其基本能带结构
一. 半导体材料 二. 半导体的带隙 三. 带边有效质量
5-1半导体材料及其基本能带结构 PPT
5.1 半导体及其基本能带结构
一. 半导体材料 二. 半导体的带隙 三. 带边有效质量
1. 半导体的定义
半导体是电阻率 介于导体和绝缘体之间，并且具有 负的电阻温度系数(NTC)的材料。
室温电阻率：
导 体： ＜10-4 ·cm 【例如： 铜 10-6 ·cm】； 半导体：10-3 ·cm＜ ＜108 ·cm 【锗 0.2
半导体的基本能带结构
二. 半导体的带隙
1. 半导体的共价键结构
硅和锗的原子结构 简化模型及晶体结构
金刚石结构（硅、 闪锌矿结构(GaAs、
锗、金刚石）
InSb、GaP)
纤锌矿结构（GaN、AlN、InN） 半导体的基本能带结构
价电子是我们要研究的对象
二. 半导体的带隙
2. 半导体能带的形成
E
空带
空带
导带
禁带
Eg
满带
价带
Ec——导带底 Ev——价带顶
满带
T=0时，能量最低的空带——导带 能量最高的满带——价带
导带底与价带顶能量之差——带隙（禁带宽度）
半导体的基本能带结构
半导体的能带结构
半导体的能带结构介绍半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
与导体相比，半导体材料的电导率较低；与绝缘体相比，半导体材料的电导率较高。
这种特殊的特性使得半导体在现代电子技术中发挥了至关重要的作用。
半导体能带结构是解释半导体性质的基本理论之一。
能带理论能带理论是描述半导体能带结构的理论基础。
根据能带理论，固体材料中的电子分布在一系列能量级别，即能带中。
能带分为价带和导带。
价带价带是指电子在材料中处于最低能量状态时的能带。
价带中填满的电子决定了材料的化学性质，比如导电性、磁性等。
在半导体中，价带一般被填满，内部能级间距较小，电子处于受束缚的状态。
导带导带是指电子在材料中处于最高能量状态时的能带。
导带中的电子可以在材料中自由移动，并参与导电。
导带与价带之间的能量差被称为能隙。
能隙能隙是指导带和价带之间的能量差。
能隙的大小直接决定了半导体的导电能力。
能隙小于3eV的材料被称为半导体，能隙大于3eV的材料被称为绝缘体。
带隙的性质半导体能带结构中的带隙具有以下特性：直接带隙或间接带隙带隙可以分为直接带隙和间接带隙。
直接带隙是指导带和价带的极值点同时出现在相同的动量空间中。
在直接带隙半导体中，电子从价带跃迁到导带时，能量差补偿较小，能量被较为集中地释放，导致电子复合和辐射的可能性增大。
间接带隙是指导带和价带的极值点并不同时出现在相同的动量空间中。
能带的形状和宽度能带的形状和宽度对材料的性质有重要影响。
不同的能带结构会导致电子的能量分布和运动特性不同，从而影响材料的导电性、光电性等。
材料的类型和掺杂半导体材料可以分为P型半导体和N型半导体。
P型半导体是在纯净的半导体晶体中掺杂少量具有电子吸收能力的物质，如硼或铝。
N型半导体是在纯净的半导体晶体中掺杂少量具有提供自由电子的能力的物质，如磷或砷。
影响能带结构的因素半导体能带结构受多个因素的影响，包括晶体结构、化学成分和温度等。
晶体结构晶体结构的不同会导致半导体的能带结构差异。
半导体能带结构ppt课件
EEF
fB(E) e
k0T 波尔兹曼分布函
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服从Boltzmann分布的电子系统 非简并系统
相应的半导体 非简并半导体
服从Fermi分布的电子系统
简并系统
相应的半导体
简并半导体
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导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度 本征载流子的产生：
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单位体积的电子数n0和空穴数p0：
应用：
制作复合发光的发光器件（一般要用直接带隙半导体。发光
的颜色取决于半导体的带隙宽度）．
整理版课件
6
三、杂质和缺陷能级
在实际的半导体材料中,总是不可避免地存在有杂质和各 种类型的缺陷.特别是在半导体的研究和应用中,常常有意识 的加入适当的杂质.这些杂质和缺陷产生的附加势场,有可能 使电子和空穴束缚在杂质和缺陷的周围,产生局域化的电子态, 在禁带中引入相应的杂质和缺陷能级.
4
但是声子能量是较小的，数量级为百分之几电子伏以下，因此 近似的有
电子能量差 ＝ 光子能量 而准动量守恒的跃迁选择定则为
其中ħq 为声子的准动量，它与能带中电子的准动量相仿，略去光子 动量，有
结论： （１）在非竖直跃迁中，光子主要提供跃迁所需要的 能量，而声子则主要提供跃迁所需要的准动量
（２）与竖直跃迁相比，非竖直跃迁是一个二级
央较明显,如锑化铟,mdp/mdn=32,而Eg=0.18ev,
室温下,本征费米整理能版课级件 移至导带.
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一般温度下，Si、Ge、GaAs等本征半导体的 EF近似在禁带中央Ei，只有温度较高时，EF 才会偏离Ei。
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29
将本征费米能级的公式代入(2)(3)式即得到：
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*有机半导体
有机半导体
有机分子晶体 有机分子络合物 高分子聚合物
酞菁类及一些多环、稠环化合物， 聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分 子，他们都具有大π键结构。
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晶体结构
2.1.1 空间点阵 2.1.2 密勒指数 2.1.3 倒格子
固体的结构分为： 非晶体结构
多晶体结构
晶体结构：原子规则排列，主要体现是原子排列具有周期
★尖晶石型化合物（磁性半导体）：主要有 CdCr2S4、CdCr2Se4、HgCr2S4等。
★稀土氧、硫、硒、碲化合物：有EuO、EuS、 EuSe、EuTe 等。
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*.非晶态半导体
(1)非晶Si、非晶Ge以及非晶Te、Se元素半 导体
(2)化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、 Se2As3、As2SeTe非晶半导体
InAs
AsSe3、AsTe3、 AsS3、SbS3
Ⅳ-Ⅳ族
Ⅴ-Ⅵ族
化合物 半导体
Ⅲ-Ⅴ族 Ⅱ-Ⅵ族
CdS、CdTe、 CdSe、
ZnS
GeS、SnTe、 GeSe、PbS、
PbTe
Ⅳ-Ⅵ族
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金 属氧化物
CuO2、ZnO、 SnO2
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★过渡金属氧化物半导体：有ZnO、SnO2、 V2O5 、 Cr2O3 、 Mn2O3 、 FeO 、 CoO 、 NiO 等 。
性，或者称长程有序。有此排列结构的材料为晶体。
晶体中原子、分子规则排列的结果使晶体具有规则的几何 外形，X射线衍射已证实这一结论。
非晶体结构：不具有长程有序。有此排列结构的材料
为非晶体。
了解固体结构的意义： 固体中原子排列形式是研究固
体材料宏观性质和各种微观过程的基础。
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2.1.1 空 间 点 阵
这样的重复单元称为原胞。
平行六面体
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原胞（重复单元）的选取规则
反映周期性特征：只需概括空间三个方向上的周期大
小，原胞可以取最小重复单元（物理学原胞），结点只 在顶角上。
•• • •• •
反映对称性特征：
•• • •• • •• • •• •
晶体都具有自己特殊对称性。 • • • • • •
原子层叠起来，各层球完全对应，形成简单立方晶格；
这种晶格在实际晶体中不存在，但是一些更复杂的晶格
可以在简单立方晶格基础上加以分析。
•
•
•
•
原子球的正方排列
•
•
•
•
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*无机半导体晶体材料
无机半导体晶体材料
元素半导体 化合物半导体 固溶体半导体
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熔点太高、
不易制成
单晶
ห้องสมุดไป่ตู้Si
Ge
C
B
Se
稀 少
低温某 种固相
元素
Te
半导体
Sn As
P I S Sb
(1)元素半导体晶体
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不稳定、 易挥发
8
*化合物半导体及固溶体半导体
SiC
InP、GaP、 GaAs、InSb、
结晶学上所取原胞体积不一定最小，结点不一定只在顶 角上，可以在体心或面心上（晶体学原胞）；
原胞边长总是一个周期，并各沿三个晶轴方向；
原胞体积为物理学原胞体积精品的课件整数倍数。
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4 .结点的总结------布喇菲点阵或布喇菲格子
布喇菲点阵的特点：
每点周围情况都一样。是由一个结点沿三维空间周 期性平移形成，为了直观，可以取一些特殊的重复 单元（结晶学原胞）。
关于结点的说明： 当晶体是由完全相同的一种原子组成，结点可以是原子本身位置。 当晶体中含有数种原子，这数种原子构成基本结构单元（基元）， 结点可以代表基元重心，原因是所有基元的重心都是结构中相同 位置，也可以代表基元中任意点子
结精点品课示件 例图
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2 . 点阵学说概括了晶体结构的周期性
晶体由基元沿空间三个不同方向，各按一定的距离周期 性地平移而构成，基元每一平移距离称为周期。 在一定方向有着一定周期，不同方向上周期一 般不相同。 基元平移结果：点阵中每个结点周围情况都一样。
1. 简单立方晶格 2. 体心立方晶格 3. 原子球最紧密排列的两种方式
晶体格子（简称晶格）：晶体中原子排列的具体形 式。
原子规则堆积的意义：把晶格设想成为原子规则堆 积，有助于理解晶格组成，晶体结构及与其有关的 性能等。
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1. 简单立方晶格
特点：
层内为正方排列，是原子球规则排列的最简单形式；
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3 . 晶格的形成
通过点阵中的结点，可以作许多平行的直线族 和平行的晶面族，点阵成为一些网格------晶格。
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原胞概念的引出：
由于晶格周期性，可取一个以结点为顶点，边长等于 该方向上的周期的平行六面体作为重复单元，来概括 晶格的特征。
即每个方向不能是一个结点（或原子）本身，而是一 个结点（或原子）加上周期长度为a的区域，其中a叫 做基矢 。
第二章： 半导体的能带结构
2．1 半导体的结构 2. 2 半导体的能带结构
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1
2．1 半导体的结构 **半导体简介
从导电性（电阻）：
固体材料可分成：超导体、导体、 半导体、绝缘体
电阻率ρ介于导体和绝缘体之间，并且具有 负的电阻温度系数→半导体
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●电阻率
导体： ρ＜10-3Ωcm 例如：ρCu~10-6Ωcm 半导体：10-2Ωcm＜ρ＜109Ωcm
• 完全由相同的一种原子组成，则这种原子组成的 网格为布喇菲格子，和结点所组成的网格相同。
• 晶体的基元中包含两种或两种以上原子，每个基 元中，相应的同种原子各构成和结点相同网格----子 晶格（或亚晶格）。
• 复式格子（或晶体格子）是由所有相同结构子晶
格相互位移套构形成。 精品课件
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二、晶格的实例
ρGe=0.2Ωcm 绝缘体：ρ＞109Ωcm
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●电阻温度系数
绝 缘 体 R
半导体
T
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半导体材料的分类
按功能和应用分
微电子半导体 光电半导体
热电半导体 微波半导体
气敏半导体 ∶ ∶
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按组成分： 按结构分:
无机半导体：元素、化合物
有机半导体 晶体：单晶体、多晶体
非晶、无定形
一、布喇菲的空间点阵学说
晶体内部结构概括为是由一些相同点子在空间 有规则作周期性无限分布，这些点子的总体称 为点阵。
（该学说正确地反映了晶体内部结构长程有序特征，后来 被空间群理论充实发展为空间点阵学说，形成近代关于晶 体几何结构的完备理论。）
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1 . 点子
空间点阵学说中所称的点子，代表着结构中相同的位 置，也为结点，也可以代表原子周围相应点的位置。