半导体物理笔记总结
合集下载
相关主题
- 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)。
3、光照可以明显改变半导体的导电能力
例如：淀积在绝缘体基片上（衬底）上的硫化镉（CdS）薄膜，无光照时电阻（暗电阻）约为几十欧姆，光照时电阻约为几十千欧姆。
另外，磁场、电场等外界因素也可显著改变半导体的导电能力。
综上：
半导体是一类性质可受光、热、磁、电，微量杂质等作用而改变其性质的材料。
二、课程内容
特点：原子之间排列尽可能紧密，是占有空间尽可能小。金属的配位数是所有晶体类型中最大的。
ⅳ）混合键和混合晶体
对于大多数晶体，不单纯存在某种化合键，而是同时具有几种化合键——称为混合键
例如：GaAs、InSb、InP，CdS，SiGe、SiC等都是共价键和离子键组成的混合键——混合晶体
特点：由于电负性的差别，电子会向电负性大的方向转移，因而具有极性（如：Ga带正电，As带负电），所以会具有一定离子键的性质。
ⅰ）离子晶体：(NaCl)由正负离子静电引力形成的结合力叫离子键，由离子键结合成的晶体叫离子晶体（极性警惕）
离子晶体的结构特点：任何一个离子的最近邻必是带相反电荷的离子。
配位数：晶体中的一个离子（原子）最近邻的原子数或离子数，反映了原子排列的紧密程度。配位数越大，原子排列越紧密。
NaCl的配位数为6——两个面心立方相互套构而成（套构结构）
半导体物理
绪 论
一、什么是半导体
导体半导体绝缘体
电导率ρ<
此外，半导体还有以下重要特性
1、温度可以显著改变半导体导电能力
例如：纯硅（Si） 若温度从 C变为 时，ρ增大一倍
2、微量杂质含量可以显著改变半导体导电能力
例如：若有100万硅掺入1个杂质（P . Be）此时纯度99.9999% ，室温（ 300K）时，电阻率由214000Ω降至0.2Ω
2、共价晶体：依靠共价键结合形成的晶体（金刚石C、Si、Ga）
特点，①饱和性：每个原子和周围原子的共价键数目有一定限制（Si周围4个未配对价电子→只能形成4个共价键→配位数为4）
②方向性：原子之间形成共价键时电子云的重叠在空间的确定方向上具有很高密度。（C、Si、Ga晶体中原子价电子不再与单个原子价电子状态相似←简单球对称的s态和直角坐标xyz轴对称的p态线性组合—— 杂化轨道）
亲和能：最外层得到一个价电子成为负离子释放的能量。(ⅡA族和氧除外)
原子负电性=（亲和能+电离能） （Li定义为1）
负电性反映了两个原子之间键合时最外层得失电子的难易程度。
价电子向负电性大的原子转移
ⅠA到ⅦA，负电性增大，非金属性增强
同族元素从上到下，负电性减弱，金属性增强
2、化学键的类型和晶体结构的规律性
*GaAs等半导体的混合键具有一定极性，可以看作偶极子。
小结：①晶体中化学键性质是决定晶体结构的重要因素，且对晶体的物理性质有很大影响。
②化学键性质有组成晶体的原子价电子分布情况决定。
共价键方向具有四面体对称的特点，键角
共价半径：共价四面体中可以粗略的将原子看作圆球并且最近邻的原子间彼此相切，
则圆球半径为半导体四面体半径，简称共价半价或四面体半径。
金刚石C Si Ge
最近邻原子间距 Å Å Å
共价半径 Å Å Å
同族内原子序数↗，共价半径↗
共价四面体不是晶胞
金刚石结构的晶胞特点：①正立方体②八个顶角上各有一个原子，六个面上各有一个原子，体对角线上距最近邻顶角1/4处各有一个原子③原子密度= = (图见P6 1-1)
NaCl的导电性： 的价电子转移到 的外层轨道上形成 和 ，最外层都形成8电子稳定结构，因此电子被紧束缚在
晶胞：是晶体结构的基本单元，它充分反映了整个晶体的结构特点，既反映了周期，又反映了各种对称性，即整块晶体是由许多这样的基本单元重复排列而成的。
面心立方：正方体的顶角和面心上各有一个原子的结构。
的导电性： 的价电子转移到 的外层轨道上形成 和 ，最外层都形成8电子稳定结构，因此电子被紧束缚在各离子上不能自由运动，因此不参与导电，因此离子晶体一般是绝缘体。
Ge的a= Å,原子密度 Si的a= Å,原子密度
金刚石结构是两个面心立方延空间对角线方向相互平移1/4对角线长度套构而成。
ⅦA族元素导电性从绝缘体C→半导体Si、Ge、（13℃以下的Sn）→导体Sn(常温)、Pb
ⅲ）金属键和金属晶体
电子气：电子为全晶体所有，波函数有相同组成形式
金属键：ⅠA、ⅡA、ⅢA族元素具有较低的电负性，对电子束缚力弱，原来属于个原子的价电子不再局限于某个原子上，而为所有原子共有，电子可以在整个晶体中自由运动，其波函数遍布整个晶体（电子气），电子气和原子实之间的库仑引力所形成的结合力称为金属键。
本课程主要解决外界光、热、磁、电，微量杂质等因素如何影响半导体性质的微观机制。
预备知识——化学键的性质及其相应的具体结构
晶体：常用半导体材料Si Ge GaAs等都是晶体
固体
非晶体：非晶硅（太阳能电池主要材料）
晶体的基本性质：固定外形、固定熔点、更重要的是组成晶体的原子（离子）在较大范围里（ m）按一定方式规则排列——称为长程有序。
对GaAs等化合物半导体，与Si相比只是共价四面由两种不同原子构成而已
。对混合晶体，其共价半径是指最近邻的两类原子中心距的一半。
原子密度：以GaAs为例，Ga原子密度=As原子密度= 4/ ， Å
晶胞特点：两类不同原子的面心立方相互延空间对角线方向平移1/4对角线长度套构而成，对角线上为不同原子。
此类晶胞称为闪锌矿(ZnS)结构(图见P8 1-2)
ⅱ)共价键（半导体键）和共价晶体
C、Si、Ga的晶体是由同一种原子构成的晶体，原子之间没有电负性差，价电子不能在原子间转移，两Baidu Nhomakorabea原子共用一对自旋相反的配对价电子→它们的电子云相互重叠而具有较高的密度→带正电的原子实和带负电的电子云之间相互吸引→将原子结合成晶体。
1、共价键：依靠共有自旋相反的配对的价电子所形成的结合力
单晶：主要分子、原子、离子延一种规则摆列贯穿始终。
多晶：由子晶粒杂乱无章的排列而成。
非晶体：没有固定外形、固定熔点、内部结构不存在长程有序，仅在较小范围（几个原子距）存在结构有序——短程有序。
§1 化学键和晶体结构
1、原子的负电性
化学键的形成取决于原子对其核外电子的束缚力强弱。
电离能：失去一个价电子所需的能量。
例如：淀积在绝缘体基片上（衬底）上的硫化镉（CdS）薄膜，无光照时电阻（暗电阻）约为几十欧姆，光照时电阻约为几十千欧姆。
另外，磁场、电场等外界因素也可显著改变半导体的导电能力。
综上：
半导体是一类性质可受光、热、磁、电，微量杂质等作用而改变其性质的材料。
二、课程内容
特点：原子之间排列尽可能紧密，是占有空间尽可能小。金属的配位数是所有晶体类型中最大的。
ⅳ）混合键和混合晶体
对于大多数晶体，不单纯存在某种化合键，而是同时具有几种化合键——称为混合键
例如：GaAs、InSb、InP，CdS，SiGe、SiC等都是共价键和离子键组成的混合键——混合晶体
特点：由于电负性的差别，电子会向电负性大的方向转移，因而具有极性（如：Ga带正电，As带负电），所以会具有一定离子键的性质。
ⅰ）离子晶体：(NaCl)由正负离子静电引力形成的结合力叫离子键，由离子键结合成的晶体叫离子晶体（极性警惕）
离子晶体的结构特点：任何一个离子的最近邻必是带相反电荷的离子。
配位数：晶体中的一个离子（原子）最近邻的原子数或离子数，反映了原子排列的紧密程度。配位数越大，原子排列越紧密。
NaCl的配位数为6——两个面心立方相互套构而成（套构结构）
半导体物理
绪 论
一、什么是半导体
导体半导体绝缘体
电导率ρ<
此外，半导体还有以下重要特性
1、温度可以显著改变半导体导电能力
例如：纯硅（Si） 若温度从 C变为 时，ρ增大一倍
2、微量杂质含量可以显著改变半导体导电能力
例如：若有100万硅掺入1个杂质（P . Be）此时纯度99.9999% ，室温（ 300K）时，电阻率由214000Ω降至0.2Ω
2、共价晶体：依靠共价键结合形成的晶体（金刚石C、Si、Ga）
特点，①饱和性：每个原子和周围原子的共价键数目有一定限制（Si周围4个未配对价电子→只能形成4个共价键→配位数为4）
②方向性：原子之间形成共价键时电子云的重叠在空间的确定方向上具有很高密度。（C、Si、Ga晶体中原子价电子不再与单个原子价电子状态相似←简单球对称的s态和直角坐标xyz轴对称的p态线性组合—— 杂化轨道）
亲和能：最外层得到一个价电子成为负离子释放的能量。(ⅡA族和氧除外)
原子负电性=（亲和能+电离能） （Li定义为1）
负电性反映了两个原子之间键合时最外层得失电子的难易程度。
价电子向负电性大的原子转移
ⅠA到ⅦA，负电性增大，非金属性增强
同族元素从上到下，负电性减弱，金属性增强
2、化学键的类型和晶体结构的规律性
*GaAs等半导体的混合键具有一定极性，可以看作偶极子。
小结：①晶体中化学键性质是决定晶体结构的重要因素，且对晶体的物理性质有很大影响。
②化学键性质有组成晶体的原子价电子分布情况决定。
共价键方向具有四面体对称的特点，键角
共价半径：共价四面体中可以粗略的将原子看作圆球并且最近邻的原子间彼此相切，
则圆球半径为半导体四面体半径，简称共价半价或四面体半径。
金刚石C Si Ge
最近邻原子间距 Å Å Å
共价半径 Å Å Å
同族内原子序数↗，共价半径↗
共价四面体不是晶胞
金刚石结构的晶胞特点：①正立方体②八个顶角上各有一个原子，六个面上各有一个原子，体对角线上距最近邻顶角1/4处各有一个原子③原子密度= = (图见P6 1-1)
NaCl的导电性： 的价电子转移到 的外层轨道上形成 和 ，最外层都形成8电子稳定结构，因此电子被紧束缚在
晶胞：是晶体结构的基本单元，它充分反映了整个晶体的结构特点，既反映了周期，又反映了各种对称性，即整块晶体是由许多这样的基本单元重复排列而成的。
面心立方：正方体的顶角和面心上各有一个原子的结构。
的导电性： 的价电子转移到 的外层轨道上形成 和 ，最外层都形成8电子稳定结构，因此电子被紧束缚在各离子上不能自由运动，因此不参与导电，因此离子晶体一般是绝缘体。
Ge的a= Å,原子密度 Si的a= Å,原子密度
金刚石结构是两个面心立方延空间对角线方向相互平移1/4对角线长度套构而成。
ⅦA族元素导电性从绝缘体C→半导体Si、Ge、（13℃以下的Sn）→导体Sn(常温)、Pb
ⅲ）金属键和金属晶体
电子气：电子为全晶体所有，波函数有相同组成形式
金属键：ⅠA、ⅡA、ⅢA族元素具有较低的电负性，对电子束缚力弱，原来属于个原子的价电子不再局限于某个原子上，而为所有原子共有，电子可以在整个晶体中自由运动，其波函数遍布整个晶体（电子气），电子气和原子实之间的库仑引力所形成的结合力称为金属键。
本课程主要解决外界光、热、磁、电，微量杂质等因素如何影响半导体性质的微观机制。
预备知识——化学键的性质及其相应的具体结构
晶体：常用半导体材料Si Ge GaAs等都是晶体
固体
非晶体：非晶硅（太阳能电池主要材料）
晶体的基本性质：固定外形、固定熔点、更重要的是组成晶体的原子（离子）在较大范围里（ m）按一定方式规则排列——称为长程有序。
对GaAs等化合物半导体，与Si相比只是共价四面由两种不同原子构成而已
。对混合晶体，其共价半径是指最近邻的两类原子中心距的一半。
原子密度：以GaAs为例，Ga原子密度=As原子密度= 4/ ， Å
晶胞特点：两类不同原子的面心立方相互延空间对角线方向平移1/4对角线长度套构而成，对角线上为不同原子。
此类晶胞称为闪锌矿(ZnS)结构(图见P8 1-2)
ⅱ)共价键（半导体键）和共价晶体
C、Si、Ga的晶体是由同一种原子构成的晶体，原子之间没有电负性差，价电子不能在原子间转移，两Baidu Nhomakorabea原子共用一对自旋相反的配对价电子→它们的电子云相互重叠而具有较高的密度→带正电的原子实和带负电的电子云之间相互吸引→将原子结合成晶体。
1、共价键：依靠共有自旋相反的配对的价电子所形成的结合力
单晶：主要分子、原子、离子延一种规则摆列贯穿始终。
多晶：由子晶粒杂乱无章的排列而成。
非晶体：没有固定外形、固定熔点、内部结构不存在长程有序，仅在较小范围（几个原子距）存在结构有序——短程有序。
§1 化学键和晶体结构
1、原子的负电性
化学键的形成取决于原子对其核外电子的束缚力强弱。
电离能：失去一个价电子所需的能量。