1第一章半导体中的电子状态

合集下载
  1. 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. 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. 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)。
• 方向性:指原子间形成共 价键时,电子云的重叠在 空间一定方向上具有最高 密度,这个方向就是共价 键方向。
2021/3/11
四个共价键并不是以孤立原子的电 子波函数为基础形成的,而是以S态 和P态波函数的线性组合为基础,构 成了所谓“杂化轨道”,之间的夹 角为109°28´。
8
2、闪锌矿结构和混合键
2021/3/11
1
第一章 半导体中电子状态
• 基本要求: 理解能带形成的原因及电子共有化运动的特点;半导 体中电子的加速度与外力及有效质量的关系;正确理 解空穴的导电机理。
• 重 点: 概念:电子状态、能带和有效质量。
• 难 点: 晶体中能量与波矢的关系,假想粒子-“空穴”。
2021/3/11
2
同时具有共价键和离子键特征
2021/3/11
化合物半导体,砷化镓Eg=1.42ev
9
3、钎锌矿结构
钎锌矿结构(ZnS,SiC)
2021/3/11 化合物半导体,Eg=3.78ev(ZnS)
10
K
Eg
Material (eV)
Si
1.1
GaAs 1.4
InN 1.86
GaN 3.39
AlN
6.1
ni
元素半导体,硅的Eg=1.12ev
5
2021/3/11
6
共价键的形成及性质
• 这种依靠共有自旋相反配对的价 电子所形成的原子间的结合力, 称为共价键。
本征硅共价键示意图
• 由共价键结合而成的晶体称为共 价晶体。Si、Ge都是典型的共价 晶体。
2021/3/11
7
• 饱和性:指每个原子与周 围原子之间的共价键数目 有一定的限制。
➢ 孤立原子中的电子是在该原子核和其它电子的势场中运动 ➢ 自由电子(不受外力作用自由运动的)是在恒定为零的势场中运动 ➢ 晶体中的电子是在与晶体同周期的周期性势场中运动,与自由电子
和孤立原子中电子运动都不同。 ➢ 但研究发现,电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电子的运
动很相似。
2021/3/11
(cm-3)
1.5 x 1010 1.8 x 106
~ 103 1.9 x 10-10
~ 10-31
er
11.8 12.8 9.6 9.0 8.7
mn
(cm2/V sec)
1350 8500 3000 900 1100
Ec
vsat
k
direct or
MV/cm (107 m/sec) (W/cm K) indirect
0.3
1.0
1.5 indirect
0.4
2.0
0.5
direct
1.0
2.5
-
direct
3.3
2.5
1.3
direct
11.7
1.8
2.5
direct
3C-SiC 2.2
6.9
9.6
900
1.2
2.0
4.5 indirect
720 (a-axis)
4H-SiC 3.26 8.2 x 10-9 10 650 (c-axis) 2.0
17
1.2半导体中的电子状态和能带
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2.2 半导体中电子的状态和能带
1.2.2.1、自由电子的运动状态
粒子性
p m 0v E 1 p2
2 m0
p k
德布罗意
E h
2021/3/11
v k m0 2k 2
E 2m 0
k-平面波的波矢,等于2π/λ,其方 向为波的传播方向。
18
1.2半导体中的电子状态和能带
2.0
4.5 indirect
370 (a-axis)
6H-SiC 3.0 2.3 x 10-6 9.7 50 (c-axis) 2.4
2.0
4.5 indirect
2021/3/11
11
第一章 半导体中电子状态
1.1晶体结构和结合性质
1.2半导体中的电子状态和能带
1.3半导体中电子的运动 有效质量
1.2.2 半导体中电子的状态和能带
1.2.2.1、自由电子的运动状态
1.一个确定的波矢k,有确定的 能量E、动量P以及速度V。 2.波矢k是连续变化,所以能量 E也是连续变化。
2021/3/11
13
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.1 原子的能级和晶体的能带
孤立原子
壳层,n=1,2,3…
支壳层, 1s;2s,2p;3s,3p,3d;4s… .
孤立原子能级图
2021/3/11
14
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.1 原子的能级和晶体的能带
多原子
准连续
电子的共有化运动
第一章 半导体中电子状态
➢半导体独特的物理性质与半导体中电子状态和运动特点密切相关。所以, 为了研究和利用半导体的这些物理性质,本章简要介绍半导体单晶材料中 电子状态和运动规律。 ➢半导体单晶材料由大量原子周期性重复排列而成,而每个原子又包含原子 核和许多电子。如果能写出半导体中所有相互作用着的原子核和电子系统 的薛定谔方程,并求出其解,就能了解半导体的许多物理性质。但是,这 是一个非常复杂的多体问题,不可能求出其严格解,只能用近似的处理方 法-----单电子近似来研究固态晶体中电子的能量状态。 ➢单电子近似---即假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场 及其他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。 ➢用单电子近似法研究晶体中电子状态的理论称为能带论。
第一章 半导体中电子状态
1.1晶体结构和结合性质(重要半导体)
1.2半导体中的电子状态和能带
1.3半导体中电子的运动 有效质量
1.4本征半导体的导电机构 空穴
1.5回旋共振
1.6硅和锗的能带结构
2021/3/11
3
2021/3/11
4
1.1晶体结构和结合性质
1.1.1 金刚石结构和共价键
2021/3/11
四个原子相互靠近时 能级分裂情况
N个原子的能级分裂
2021/3/11 电子的共有化运动形成能带。 15
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.1 原子的能级和晶体的能带
导带 禁带 价带
硅、锗、金刚石结构价电子能带示意图
2021/3/11
16
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.2 半导体中电子的状态和能带
1.4本征半导体的导电机构 空穴
1.5回旋共振
1.6硅和锗的能带结构
2021/3/11
12
1.2半导体中的电子状态和能带
制造半导体器件所用的材料大多是单晶体。单晶体是由靠 得很紧密的原子周期性重复排列而成的,相邻原子间距只有零 点几纳米的数量级。因此,半导体中的电子状态肯定和原子中 的不同,特别是外层电子会有显著的变化。但是,晶体是由分 立的原子凝聚而成,两者的电子状态有必定存在着某种联系。 我们将以原子结合成晶体的过程定性地说明半导体中的电子状 态。
相关文档
最新文档