半导体的晶体结构和结合性质
半导体物理学第章半导体晶体结构和性质
a a 式l3 中为：简约a 1互，质2 整，数3 。为原胞基矢；l1, l2,
所以，表示晶列OA取向的晶列指
数可标示为 l1l2l3
注：晶列指数包含方向半导的体信物息理学第章半导体 图 晶列2O4A的位矢
晶体结构和性质
1.1.3 晶列指数和晶面指数 （2）用晶胞基矢表示：从原点O到结点A的位矢为
半导体物理学第章半导体
3
晶体结构和性质
1.1 晶体结构的基本概念 1.1 Basic Concepts of Crystal Structures
半导体物理学第章半导体
4
晶体结构和性质
1.1.1 空间点阵和晶格
砖块垒墙有多种方式
半导体物理学第章半导体
5
晶体结构和性质
1.1.1 空间点阵和晶格
砖块上的等同点 反映了墙的结构
同理：
OB a2
OC a3
n半2 导体物理学第章n半3 导体
（设a1、a2和a3截的晶体夹结角构小和于性等质于90度）
R ＝ m anbpc
式中： a ，b ，c 为结晶学原胞三个坐标轴基矢；m ，n ，p 为有理
数，可化为三个互质
整数m，n，p，并使m ： n ： p ＝ m ： n ： p
mnp 这样，表示晶列OA取向的晶列指数可标示为
下图表示了不同晶列族的晶列指数。
半导体物理学第章半导体
25
晶体结构和性质
1.1.3 晶列指数和晶面指数
半导体物理学 第1章 半导体晶体结构和性质
Chapter 1 Crystal Structure of Semiconductor
半导体物理学本章要点
半导体的晶体结构和结合性质
硅原子 Si（Silicon）
Ⅳ族，原子序数14，原子量28.086，14个核外电子，
核外电子分布：1s22s22p63s23p2， ４个价电子组态3s23p2
价电子
硅晶体结构 顶角原子 电子 中心原子 顶角原子
顶角原子
顶角原子
正四面体结构单元 金刚石型结构
金刚石型结构晶格点阵
第一章
1.1 1.2
半导体中的电子状态
半导体的晶格结构和结合性质 半导体中的电子状态和能带
1.3
1.4 1.5 1.6 1.7
半导体中电子的运动、有效质量
本征半导体的导电机构、空穴 回旋共振 硅和锗的能带结构 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构
1.8
Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的能带结构
1.1 半导体的晶格结构和结合性质
Ⅴ
Ⅴ ⅢLeabharlann Ⅲ ⅤⅢⅢ
Ⅴ
Ⅴ
正四面体结构单元
Ⅲ族、Ⅴ族原子各贡献一个价电子形成SP3杂化轨道共价键，但Ⅴ族原
子具有较Ⅲ原子强的电负性，共有电子云更多地分布给Ⅴ族原子， Ⅴ族原
子因而带有负电。Ⅲ族原子分配的电子云少一些而带正电。正负电荷之间产 生库仑作用。原子间结合力中共价键占优势，同时存在离子键成分，称为混
金刚石型结构原胞
2、锗晶体结构
锗原子Ge Ⅳ族，原子序数32，原子量72.59，32个核外电子， 电子组态1s22s22p63s23p63d104s24p2 ４个价电子组态4s24p2。 锗晶体结构 结构单元为正四面体，正四面体构成金刚石型结构， 晶格由两套不等价面心立方格子沿体对角线套构而成
A
Ⅵ Ⅵ
A
A A
A
（001）面
半导体物理-第1章-半导体中的电子态
金刚石结构的(111) 面层包含了套构的原 子，形成了双原子层 的A层。以双原子层的 形式按ABCABC层排 列
金刚石结构的[100]面的投 影。0和1/2表示面心立方 晶格上的原子，1/4，3/4 表示沿晶体对角线位移1/4 的另一个面心立方晶格上的 原子。
2.每个原子最外层价电子为一个s态电子和三个p态电 子。在与相邻四个原子结合时，四个共用的电子对完全 等价，难以区分出s与p态电子，因而人们提出了“杂 化轨道”的概念：一个s和三个p轨道形成了能量相同 的sp3杂化轨道。之间的夹角均为109°28 ’。
3. 结晶学元胞为立方对 称的晶胞，可看作是两 个面心立方晶胞沿立方 体的空间对角线互相位 移了1/4对角线长度套 构而成。
Ψ(r,t) = Aexp[i2π(k ·r – v t)]
(3)
其中k 为波矢，大小等于波长倒数1/λ ，方
向与波面法线平行，即波的传播方向。得
能量：E = hν
动量：p = hk
（4） （5）
对自由电子，势能为零，故薛定谔方程为：
2
2m0
d 2 (x)
dx2
E (x)
(6)
由于无边界条件限制，故k取值可连续变化。即：与经 典物理（粒子性）得出相同结论。
能带形成的另一种情况
硅、锗外壳层有4个价电子，形成晶体时，产生SP杂化 轨道。原子间可能先进行轨道杂化（形成成键态和反键 态），再分裂成能带。
原子能级
反成键态
成键态
半导体（硅、锗）能带的特点
存在轨道杂化，失去能带与孤立原子能级的对应关系。 杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导 带，下能带称为价带。
半导体晶格结构和结合基本性质
共价键理论
共价键上的电子 挣脱共价键的电子 脱离共价键所需的最小能量 定性理论
1.2.2 半导体中电子的状态和能带
重点 E(k)～k关系 波函数：描述微观粒子（如电子）的运动 薛定谔方程：揭示粒子运动的基本规律
(x)Aei2kx
（1）自由电子的E与k关系
一维恒定势场的自由电子，遵守薛定谔方程：
V=0时，2方m 2 d 程2 dx m 22 2 解0d 为V 2 dψ x ：x( 2 x )( ( xxk)V )x (xA )Aψ eeE (ii2x 2)x kkx xE kψ x (x )
硅、锗基本物理参数
晶格常数
n 硅：5.43089埃 n 锗：5.65754nm埃
原子密度
n 硅：5.00×1022/cm-3 n 锗：4.42×1022/cm-3
共价半径
n 硅：0.117nm n 锗：0.122nm
数量级
1.1.2 闪锌矿型结构和混合键
材料： Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料以及部分 Ⅱ-Ⅵ族化合物 如 GaAs, InP, AlAs ·····
Ge
Si
硅和锗的共价键结构
+4
+4表示
除去价电
子后的原
+4
+4
子
共价键共 用电子对
形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个， 构成稳定结构。
+ 4
++ 44
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
其中，Ψ(x)为自由电子波函数，k为波矢。上式
代表一个沿x方向传播的平面波。
半导体物理_第2讲
导带
禁带
价带
严谨严格求实求是
原子能级和晶体的能带
(5) 能带的特点 1. 允带的宽窄由晶体的晶格常数决定(原子间距) 外层能带宽，内层能带窄。晶格常数越小，能级 分裂程度越大，共有化运动显著。 2. 带宽与原子数目N无关，N只决定了能级的密集程度。 3. 原子能级与能带不全是一一对应的。若能级分裂程度 较大，能带有可能交叠，且发生轨道杂化。
严谨严格求实求是
严谨严格求实求是
电子的近似 • 单电子近似：
设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场 及其它电子的平均势场中运动。该势场是具有与晶格 同周期的周期性势场，则多电子可近似为单个电子。
近似地把其它电子对某一电子的相互作用简单看成是叠 加在原子核的周期势场上的等效平均势场。也就是说， 把电子的运动看作是相互独立的，所有其它的电子对某 一电子的作用只归结为产生一个固定的电荷分布和与之 相联系的附加势场。
严谨严格求实求是
电子的近似
从两个角度来研究电子的状态
孤立原子的能级：晶体的能带及电子的共有化运动。 能带论：电子在固定势场V0中运动，周期性势场为微扰， 简化真实能带情况。
严谨严格求实求是
原子的能级和晶体的能带
孤立原子的能级
也就是相应的电子壳层：1s;2s,2p等。如Si原子轨道： 1s22s22p63s23p2
严谨严格求实求是
半导体中的电子状态
3.能带论 (1)布洛赫定理
– 自由电子薛定谔方程： 2 d ( x)2 . E ( x) 2
2m0 dx
– 单电子近似薛定谔方程：
2 d ( x)2 . V ( x) ( x) E ( x) 2 2m0 dx
V(x)=V(x+Sa) S为整数。V(x)是晶格位置为X的势能， 反映了周期性势场的特性。
第一章-半导体中的电子态
36
1、自由电子波函数和能量
E 2k2 2m0
自由电子能量与波矢的关系图
37
2、晶体中电子的波函数和能量
2、晶体中电子的波函数和能量
3、布里渊区和能带
E-k关系 晶体中电子处在不同的k状态,具有不同的能量E(k) 由于周期势场的微扰,在布里渊区边界处,能量出现不连
续,形成能带.
1.1.2 闪锌矿型结构与混合键
思考: 左图的一个晶胞包含几个原子?几个第III族原子?几个第V族原子?
14
1.1.3 纤锌矿结构 （Wurtzite structure）
II-VI族化合物、电负性差异较大的III-V化合物通常属于纤锌矿结构。 属六方晶系，AB型共价键晶体，其中A原子作六方密堆积（堆
d＝内d找xd到yd粒z子
的概率，则：
dW x, y, z,t CΨ x, y, z,t2 d
32
薛定谔方程
薛定谔方程
i
(r,t) [
2
2 V (r )] (r ,t)
t
2
拉普拉斯算符
2＝ 2 2 2 x2 y 2 z 2
薛定谔方程描述在势场 U(r)中粒子状态随时间的变化，也称微观粒子 波动方程。只要知道势场的具体形式就可求解该方程得到粒子波函数的 具体形式，从而得出粒子的运动状态和能量状态。
m m 由于价带顶的 * 0,因此 * 0
n
p
61
未满导带
对于不满带，只有部 分电子状态电子占据， 电子可以在电场的作 用跃迁到能量较高的 空状态，导致电子在 布里渊区状态中的分 布不再对称，形成宏 观电流。
62
有电场时导带电子能量和速度分布
导体
有未被填满的价带。
半导体物理第一章
➢ 化学键：构成晶体的结合力 共价键：由同种晶体构成的元素半导体，其原子间无负电 性差，它们通过共用两个自旋相反而配对的价电 子结合在一起。
半导体物理第一章
7
➢ 金刚石型结构特点： 每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面
体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角 上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共 有，组成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键角） 109°28′。
z
z
B
C
A D
y
x
Hale Waihona Puke 半导体物理第一章x5
➢面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在 六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。 很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper) 、金(gold)及铂(platinum)。
z
半导体物理第一章
6
1.1 半导体的晶体结构和结合性质
此位移四分之一空间对角线长度套构而成。每个原子被四个 异族原子所包围。例如，如果角顶上和面心上的原子是Ⅲ族 原子，则晶胞内部四个原子就是Ⅴ族原子，反之亦然。角顶 上八个原子和面心上六个原子可以认为共有四个原子而隶属 于某个晶胞，因而每一晶胞中有四 个Ⅲ族原子和四个Ⅴ族原子，共有 八个原子。它们也是依靠共价键结 合，但有一定的离子键成分。
➢ 晶格常数 Si：a=5.65754Å Ge：a=5.43089Å
半导体物理第一章
9
1.1.2 闪锌矿型结构和混合键(GaAs)
➢ 化学键：共价键+离子键
➢ 闪锌矿型结构特点： 与金刚石型结构类似，不同的是该结构由两类不同的
第一章能带理论
1 dE(k) V= h dk
设导带底或价带顶位于 k=0, 则
dE = 0,V = 0 dk
以一维情况为例： 设 E(k)在 k=0 处取得极值，在 极值附近按泰勒级数展开： 展开： 展开
dE E(k) = E(0) + ( )k=0 K dk
1 dE 2 + ( 2 )k=0 k +...... 2 dk
2、闪锌矿结构和混合键
材料: 材料 Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体
例: ZnS、ZnSe、GaAs、GaP
化学键: 共价键+ 化学键: 共价键+离子键
(共价键占优势）
极性半导体
闪锌矿结构的结晶学原胞
立方对称性
沿着[111]方向看，（111）面以双原子 方向看，（ 沿着 方向看，（ ） 层的形式按ABCABCA…顺序堆积起来。 顺序堆积起来。 层的形式按 顺序堆积起来
dE = F = F ds Vdt
dE 1 dE = FV = F dt h dk
dE dE dk = dt dk dt
dk dk F =h ∝ dt dt d(hk) d(moV) F= = = moa dt dt F a= mo
二、半导体中的电子： 半导体中的电子：
1.速度 V 速度 晶体中作共有化运动的电子平均速度: 晶体中作共有化运动的电子平均速度
能带图可简化成:
Ec 电 子 能 量 Eg Ev
禁带宽度
Eg = EC − EV
半满带
导带 导带 禁带 禁带 价带 绝缘体 价带 半导体 满带 导体
绝缘体、 绝缘体、半导体和导体的能带示意图
绝缘体的能带宽度：6~7ev 半导体的能带宽度：1~3ev
半导体的晶格结构和结合性质优秀文档
金刚石型结构{100}面上的投影 金刚石结构的结晶学原胞• (G埃即e晶: 胞a=)5.43图08１9－１ 混闪与闪结但例闪 与有(化化（闪 与14例③1§混(C结闪与有金金1①闪结例 C§①但有（化金11但§第化闪与(222/个/、、/rr888)))合锌面锌晶具如锌面4学学2锌面如是1合晶锌面4刚刚具锌晶如1具具42学刚具1一学锌面yy***混闪混ss个 ） 异 ·个 金·个 ） 金 ·888111tt键 矿 心 矿 学 离 ： 矿心 键 键 矿心 ： 复 键 学 矿 心 石 石 六 矿 学 ：六 离 键 石 离 章 键 矿 心aa+++合锌合原材类原刚 原材刚ll半半半111:结立结原子结 立::结 立式:原结立结结方结原方子:结子:结立SSGGG///键矿键子料原子石 子料石共构构共构构222tt导导导aaarr构方构胞性构 方构 方晶胞构方构构对构胞对性构性半构方***uuAAA：型：以：子以型 以：型价成成价成成666cc体体体的取的；的 取的 取格的取的的称的称；的；导的取+++ssstt：共以共结 共结ⅡⅡ、、、键晶晶键晶晶uuGG444的的的物法物 法物 法，物法物物性性物体物法rr===eeaa价共价构 价构--GGG但体体但体体G888晶晶晶ⅥⅥAA理同理 同理 同可理同理理；；理中理同aaaaaa键价键和 键和nn具的的具的的ssPPP体体体族族A学学 学 看学学学学的学,,,,,dd、、、但但但但但结结共 结共有结有结结sBB结结结二二原原 原 作原原原原电原SSS原原原原原oo合合价合价离合离合合iii构构构元 元nn胞胞胞胞胞胞胞子胞4CCC胞胞胞胞胞dd。。键 。键个子力力子力力、、、和和和化化ss与与与状内内内内内简性性,,,,iiSSS有有有有结结结合合nn面面面态有有有有有iii单GGGSS共共共共合合合物物心心心（ee22222eee六mm个、个个、个、 个价价价价性性性中中立立立单ii角cc不I不不I不I不键键键键质质质的的方方方晶nnnoo子PPPnn同同同同同和和和和一一取取取）dd、、、晶uu种种种种种离离离离小小法法法ccIIInnn格tt原原原原原子子子子oo部部AAA同同同rr穿ssss子子子子子键键键键分分,,,、、、但但但套两 两 两 两III原原原nnn而种种种种SSS胞胞胞bbb成………内内内1111………有有有………222个个个同同同种种种原原原子子子
半导体的晶体结构和结合性质
半导体的晶体结构和结合性质半导体是一种电子导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。
它的导电性取决于温度和材料的性质。
与金属相比，半导体的导电性较差，但较绝缘体好。
半导体具有广泛的应用，包括电子器件、太阳能电池、光电器件等。
在晶体结构方面，半导体具有特殊的结构。
大部分半导体由三种主要类型的晶体结构组成，即晶体、多晶和非晶。
晶体结构是半导体中最常见的结构，由原子或分子密集排列而成，并具有长程有序性。
晶体结构分为两种类型：立方晶体和非立方晶体。
立方晶体：立方晶体是最简单的晶体结构，其中原子沿三个轴线等分排列。
最常见的是面心立方和体心立方晶体结构。
-面心立方：在面心立方结构中，原子在每个顶点和每个面心都有一个原子。
这种结构具有高度的对称性和密堆积性。
钙钛矿结构的半导体如硅和锗常采用这种结构。
-体心立方：在体心立方结构中，原子在每个面心和一个体心位置上有一个原子。
这种结构具有较低的对称性和密堆积性。
常见的体心立方结构的半导体包括镓砷化物和铟锡化物。
非立方晶体：非立方晶体结构是指那些无法归类为立方晶体的结构。
通常由非对称的原子排列而成。
锗和六方晶胺是一些常见的非立方晶体结构的半导体。
除了晶体结构外，半导体的结合性质也是其重要的特点之一、半导体的结合性质决定了它的导电性和电子行为。
半导体的结合性质可以通过价带和导带的概念来解释。
价带是半导体中价电子能够填充的能级区域，导带是半导体中可用于传导电流的能级区域。
在半导体中，价带和导带之间存在一个带隙（能隙），其中没有可用的能级。
-导带：半导体中，在绝对零度处，所有束缚态的电子都填满了价带。
当半导体获得足够的能量，例如热能或光能，一些电子可以从价带跃迁到导带，形成自由电子。
这些自由电子在导带中移动，导致电流的产生。
-价带：价带中的电子具有较低的能量，并在晶格中被束缚。
价带中的电子不能传导电流，除非它们获得足够的能量以跃迁到导带。
在绝缘体和绝大多数半导体中，价带和导带之间的能隙较大，因此较少的电子会跃迁到导带。
半导体材料结构
半导体材料结构半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，在现代电子技术中起到关键作用。
它的结构对于其电学性质和应用能力具有重要影响。
本文将介绍半导体材料的结构特点和相关性质。
一、晶体结构半导体材料的基本结构是晶体结构，晶体是由原子或分子按照一定的规则排列而成的固态物质。
晶体的结构决定了半导体材料的电学特性。
半导体材料晶体结构通常可以分为两类：共价结构和离子结构。
1. 共价结构共价结构的半导体材料，如硅和锗，原子之间通过共用电子形成共价键。
这种结构中，每个原子都与它周围的四个原子共享电子，形成一个稳定的晶格。
共价结构的半导体材料通常具有较高的电阻率和较小的载流子浓度。
2. 离子结构离子结构的半导体材料，如化合物半导体，由正负离子组成。
这些正负离子通过离子键相互结合，形成晶体结构。
离子结构的半导体材料通常具有较低的电阻率和较大的载流子浓度。
二、能带结构半导体材料的能带结构是指在宏观尺度下，电子能级如何分布的情况。
能带结构决定了半导体材料的导电性质。
1. 价带和导带半导体材料中的电子能级被分为两个主要部分：价带和导带。
价带是指靠近原子核的能级，电子填充满时半满的能级。
导带是指离原子核较远的能级，当电子填充时，半满或未满的能级。
2. 禁带宽度价带和导带之间存在一个能量较大的空隙，称为禁带。
禁带宽度是指价带和导带之间的能量差。
半导体材料的禁带宽度决定了其导电性质。
禁带宽度较小的半导体材料易于导电，而禁带宽度较大的半导体材料难以导电。
三、掺杂通过掺杂可以改变半导体材料的导电性质。
掺杂是指在晶体中引入少量杂质，以改变其电子结构和导电性质。
1. N型半导体N型半导体是指通过掺入少量五价元素，如磷或砷，将半导体材料中的部分硅原子取代为五价元素原子。
五价元素原子比四价硅原子多一个电子，这个多出来的电子被称为自由电子，能够在晶体中自由移动，增加了半导体材料的导电性能。
2. P型半导体P型半导体是指通过掺入少量三价元素，如硼或铝，将半导体材料中的部分硅原子取代为三价元素原子。
半导体物理第一章
2、闪锌矿结构和混合键
III-V族化合物半导体绝大 多数具有闪锌矿型结构。闪 锌矿结构由两类原子各自组 成的面心立方晶胞沿立方体 的空间对角线滑移了1/4空 间对角线长度套构成的。每 个原子被四个异族原子包围。 例: GaAs、GaP、ZnO
2、闪锌矿结构和混合键
两类原子间除了依靠共价键结合外，还有一定 的离子键成分，但共价键结合占优势。 以离子为结合单元，由正、负离子组成的、靠 库仑力而形成的晶体。此种结合力称为离子键。 由碱金属元素与卤族元素所组成的化合物晶体 是典型的离子晶体，如NaCl、CsCl等。II-VI族 化合物晶体也可以看成是离子晶体，如CdS、 ZnS等。
⑴ 每一个BZ 内包含了所有能带中的全部电子状态。或者说，每一个区 域所包含的波矢数（即 k 的取值个数）等于晶体所包含的原胞数（ N）。 因此，电子的运动状态可以在一个 BZ内进行讨论，注意，在同一个BZ内， 电子的能量是准连续的。
布里渊区有如下若干主要特点：
布里渊区与能带：
求解一维条件下晶体中电子的薛定谔方程，可以得到如图所 示的晶体中电子的E(k)~k关系，虚线是自由电子 E(k)~k关 系。
1.自由电子的运动状态
（1）孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中 运动 （2）自由电子是在恒定势场中运动 （3）晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动
单电子近似——晶体中的某一个电子是在周期性排列且固 定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运 动，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周 期相同。
原子间通过共价键结合。
共价键的特点：饱和性、方向性。
⑴ 饱和性：共价键的饱和性是指，一个原子只能形成一定数目的共价 键。由于共价键是两个原子通过共用各自未配对的电子而形成的，而原 子的电子结构是确定的，某一原子在与其它原子化合时，能够形成共价 键的数目就完全取决于原子外层电子中未配对的电子数。此乃饱和性的 实质。 ⑵ 方向性：共价键的方向性是指，原子只能在某些特定的方向上形成 共价键。按量子理论，共价键实际上是由于相邻原子的电子云交叠而形 成的，电子云交叠程度的大小决定了共价键的强弱。因此，原子形成共 价键时，总是取电子云密度最大的方向。这就是方向性的根源。
半导体物理与器件
半导体物理与器件半导体物理与器件是研究半导体材料和器件特性的学科领域，这是电子科学与工程的重要分支之一。
在现代科技的发展过程中，半导体物理与器件起到了至关重要的作用，推动了信息技术、通信技术、能源技术等领域的发展与创新。
一、半导体物理的基本概念半导体是介于导体和绝缘体之间的一种材料。
这类材料的导电性能介于金属和非金属之间，可以通过控制掺杂来调节其电导率。
半导体物理主要研究半导体的物理性质及其在器件中的应用。
1.1 半导体的晶体结构半导体通常采用晶格结构，其中最常见的是硅(Si)和锗(Ge)。
晶格结构决定了半导体的物理特性和电学性能。
1.2 半导体的能带结构能带结构是描述半导体的重要概念，半导体中的能带分为价带和导带。
当半导体被采取适当的掺杂和加压等方法后，会出现禁带宽度，电子能够充满价带或从导带跃迁到价带，形成导电能力。
1.3 半导体的载流子半导体中的载流子是指带电粒子，有正负两种。
在掺杂过程中，掺杂原子注入到半导体晶格中，会引入自由电子或空穴，从而影响半导体的导电性能。
二、半导体器件的应用半导体物理的研究成果被广泛应用于各种半导体器件中，这些器件在现代社会中扮演着重要的角色。
2.1 二极管二极管是最简单的半导体器件之一，具有单向导电特性。
它由正负两种半导体材料构成，在正向偏置时导通，在反向偏置时截止。
二极管广泛应用于电源、通信等领域。
2.2 三极管三极管是一种具有放大作用的半导体器件。
它由三个半导体区域组成，包括基极、发射极和集电极。
通过对基极电流的控制，可以实现对集电极电流的放大，被广泛应用于电子设备中。
2.3 场效应晶体管场效应晶体管（FET）是一种控制电流的半导体器件，具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点。
它可作为电压控制器件，广泛应用于放大、开关、模拟和数字电路等领域。
2.4 光电二极管光电二极管是将光信号转换为电信号的设备。
通过光敏材料和PN结的结合，光电二极管可以检测和转换光信号，被广泛应用于通信、光学传感器、光通信等领域。
半导体物理(第一章)
3、布里渊区与能带
求解薛定谔方程可得出在晶格周期势场中运动的电子的 能量-动量（E～k)关系曲线。
当 k n ，(n=0, ±1, ±2…) 时，能量出现不连续——形成允带和
a 禁带。
允带出现的区域称为布里渊区。从k=0处向k>0和k<0延伸，分别有 第一布里渊区、第二布里渊区……，每一个布里渊区对应一个能带。
体的V(x)是很困难的。
研究发现，电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电 子的运动十分相似。
1、自由电子的运动状态
V(x)=0。求解薛定谔方程可以得出：
( x) Ae-ikx
2k 2 E
k为波矢，k的大小为
k
2
2m0
（第六版以前的教材中的定义与此不同）
根据德布罗意关系，电子的能量、动量与频率、波矢之间 的关系为
1.2 半导体中的电子状态和能带
1.2.1 原子能级和晶体能带
单晶半导体是由按确定规律周期排列的原子构成，相邻原 子之间的间距只有几个埃，原子密度非常大。对于c-Si，原 子密度高达5×1022cm-3。所以，单晶半导体中电子的能量状 态与孤立原子中的一定不同，但可以想象，一定存在着某种 联系。
单个原子中电子的壳层排布为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10……， 但多个原子密集排布在一起时，相似壳层对应的能级会发生 交叠——电子变为在整个晶体中运动——电子的共有化运动。 最外壳层电子的共有化最显著！
电子状态用波函数x描述， x满足薛定谔方程（假设
为一维单个电子）：
2 2m0
d2 dx 2
V (x) (x)
E (x)
安徽大学物理与材料科学学院半导体物理学2MK_第一章第一节半导体的晶格结构和结合性质
理论体系半导体物理学是固体物理学的一个分支固体物理学的理论基础：(1) 晶体学: 晶体周期结构的确定1669: 晶面角守恒律(Steno)1784: 有理指数定律和晶胞学说(Hauy)1848: 空间点阵学说(Bravais)1889-1891: 空间群理论(Federov和Schvenflies) 1912: 晶体X射线衍射实验(Laue)(2) 固体比热的理论: 初步的晶格动力学理论1907: 独立振子的量子理论(Einstein)1912: 连续介质中的弹性波的量子理论(Debye)1912: 周期结构中的弹性波(Born 和von Karman)(3) 金属导电的自由电子理论: Fermi 统计1897: 电子的发现(Thomson)1900: 金属电导和热传导的经典自由电子理论(Drude) 1924: 基于Fermi统计的自由电子理论(Pauli和Sommerfield) (4) 铁磁性研究:自旋量子理论1894: 测定铁磁--顺磁转变的临界温度(Curie)1907: 铁磁性相变的分子场理论(Weiss)1928: 基于局域电子自旋相互作用的铁磁性量子理论另外:电子衍射的动力学理论(Bethe)金属导电的能带理论(Bloch)基于能带理论的半导体物理(Wilson)标志: 1940年Seitz “固体的现代理论”凝聚态物理学凝聚态物理从微观角度出发,研究相互作用多粒子系统组成的凝聚态物质(固体和液体)的结构和动力学过程, 及其与宏观物理性质之间关系的一门科学.和固体物理相比, 凝聚态物理:(1) 研究对象日益扩大和复杂；(2) 基本概念和理论工具已大为丰富；(3) 作为固体物理学分支的金属物理, 半导体物理, 磁学, 低温物理, 电介质物理之间交叉日益密切；(4) 一些新的分支如无序系统物理学, 准晶物理学, 介观系统物理学, 团簇物理学被开拓和建立起来。
要讲授的内容：半导体的晶格结构和电子状态(第一章)杂质和缺陷能级(第二章)载流子的统计分布(第三章)载流子的散射及电导问题(第四章)非平衡载流子产生、复合及其运动规律(第五章)半导体的表面和界面-包括p-n结、金属和半导体的接触、半导体表面及MIS结构、异质结(第六~九章)第一章半导体中的电子状态§1.1 半导体的晶体结构和结合性质一、金刚石型结构和共价键硅和锗属于Ⅳ族元素(元素周期表)。
半导体材料化学高考知识点
半导体材料化学高考知识点在当今科技发展迅猛的时代，半导体材料作为现代电子行业的核心材料之一，扮演着重要的角色。
半导体材料化学作为高中化学的一个重要内容，常常成为考生备考高考的重点。
那么，让我们来系统了解一下半导体材料化学的相关知识点吧。
1. 半导体的概念和特性半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料。
它的电导率介于导体和绝缘体之间，并且电导率可以通过外界因素（如温度、电场等）进行调控。
半导体材料通常是由硅（Si）和锗（Ge）等组成，具有电子迁移率高、带隙较小等特点。
2. 半导体材料的晶体结构半导体材料的晶体结构对其性能有着重要影响。
常见的晶体结构有菱面体、立方体和六方密排等。
在半导体材料中，常见的硅材料采用的是菱面体结构，而第三周期元素的砷化镓等复合材料则采用六方密排结构。
3. 硅材料的制备和掺杂硅材料通常通过炉法制备。
炉法制备是指将硅石经过还原剂还原，生成纯净的硅，并将硅加热熔融后进行晶体生长。
硅材料的掺杂是为了改变其电导性能。
常用掺杂元素有砷、磷等。
掺杂后的硅材料分为n 型半导体和p型半导体，其中n型为电子型半导体，p型为空穴型半导体。
4. 半导体的能带结构半导体的能带结构决定了其导电性能。
半导体的能带结构一般分为导带和禁带，禁带中间还有价带。
能带中的电子可以在外加能量的作用下跃迁，从价带跃迁到导带形成电流。
而禁带内无电子存在，因此表现出较高的电阻。
5. 能带跃迁和半导体器件在半导体器件中，能带跃迁是实现电流流动的基础。
半导体器件通常由n型半导体和p型半导体组成，形成一个pn结。
在正向偏置下，p 区向n区注入多余的空穴，同时n区向p区注入多余的电子，形成电子和空穴的复合。
这种复合产生的正负电荷运动形成电流，实现了器件的工作。
6. 半导体材料的应用领域半导体材料作为电子行业的重要材料，被广泛应用于电子器件制造、光电子技术、集成电路、太阳能电池、半导体激光器等领域。
半导体材料的特性使其成为现代电子行业不可或缺的基础。
半导体物理 半导体的晶格结构和结合性质
• 3、电场下未满带中的电子 • 未满带中的空状态为电子在外加电场下的能量升高 提供了条件，使其按能量分布的对称性消失。
• 双原子层的不同堆垛顺序导致闪锌矿和纤锌矿晶格结构的 不同，并导致SiC的200余种同质异晶型。
金刚石结构
• 元素半导体金刚石、硅（Si）、锗（Ge） 和灰锡（-Sn）的晶体结构。
闪锌矿结构
III-V族和II-VI族化合物、-SiC
纤锌矿结构
• III-V族中的氮化物、II-VI族化合物和 2H-SiC
PbS、PbSe和PbTe为氯化钠型；
• Se和Te为螺旋链型。
§1.2半导体中的电子状态和能带
• 一、原子中的电子能级与固体中的电子能带
• 1、分立原子的凝聚使其孤立能级分裂成带，消除简并 因此，由N个原子构成的晶体，由其价电子的s能级分
裂而成的能带有N条能级，p能级分裂而成的能带应有3N条 能级。s电子填s带，p电子填p带。惰性气体结晶的两个能 带都会被电子填满，其他元素的结晶体似乎都应有未满带。
外加电场不能改变满带电子的能量分布状态，其中的所有 电子必是两两的速度大小相等，方向相反。
• 1、电场下的满带电子
1) 由于E(k)函数的对称性，满带电子不导电：
N
j qvi 0 i 1
• 2) 满带中出现少许空状态的情形
N
当满带中出现一个空状态时 ：j q vi (q)vn qvn i 1
3、一维周期势场中电子的能量状态
1）受周期势场的扰动，电子的E（k）曲线在 k n
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
半导体的晶体结构和结合性质
半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料。
它的晶体结构和
结合性质对其电导率和其他电学特性具有重要影响。
在本文中，我们将详
细讨论半导体的晶体结构和结合性质。
1.离子结晶：
离子结晶的晶体结构中含有正负电荷相互吸引的离子。
常见的半导体
材料包括硅（Si）和锗（Ge）。
在硅晶体中，每个硅原子有四个共价键，
其中每个键与邻近的四个硅原子相连。
因此，硅晶体是由三维网络结构组
成的。
离子结晶体的特征之一是带电粒子的排列方式决定了晶体的性能。
晶体中的正负离子排列的有序性决定了晶体的稳定性和电导率。
2.共价结晶：
共价结晶的晶体结构由共享电子形成的共价键连接的原子组成。
常见
的半导体材料包括碳（C）和硒化锌（ZnSe）。
在碳晶体中，每个碳原子
通过三个共价键与邻近的三个碳原子相连，形成六角形的晶体结构。
共价
结晶的晶体结构决定了半导体的能带结构和电子能级的分布。
半导体的结合性质是指半导体材料中原子之间相互结合的方式和性质。
结合性质对于半导体材料的导电性和其他电学特性具有重要影响。
1.禁带：
半导体材料的结合性质决定了其中电子的能级和能带结构。
在半导体中，能带可以分为导带和价带。
导带是允许电子自由运动的能级，而价带
则是被电子占据的能级。
它们之间的能量间隔称为禁带宽度。
对于绝缘体
来说，禁带宽度很大，电子无法跃迁到导带中。
而对于导体来说，禁带宽
度几乎为零，电子可以自由地在导带和价带之间跃迁。
而半导体的禁带宽
度较小，处于介于导体和绝缘体之间的状态。
2.杂质和掺杂：
通过向半导体材料中引入少量的杂质可以改变其导电性能。
这个过程
称为掺杂。
掺杂材料可以根据其电子能级被掺杂到半导体材料中的方式分
成两类：施主和受主。
施主杂质会提供额外的自由电子，从而增加半导体
的导电性能。
受主杂质会吸引电子形成空位，从而增加半导体的导电性能。
通过控制杂质的浓度和类型，可以调节半导体材料的导电性能。
总之，半导体的晶体结构和结合性质对其电导率和其他电学特性具有
重要影响。
离子结晶和共价结晶是两种常见的晶体结构类型。
半导体材料
的结合性质决定了其中电子的能级和能带结构，包括禁带宽度和掺杂效应。
通过调节晶体结构和掺杂材料，可以改变半导体材料的导电性能，使其在
电子器件中发挥重要作用。