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1、电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1半导体物理半导体物理第一章第一章 半导体中的电子状态半导体中的电子状态20132013年年9 9月月电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2第一章主要内容第一章主要内容 半导体的晶格结构和结合性质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半导体中的电子状态和能带 半导体中电子的运动半导体中电子的运动 有效质量有效质量 本
2、征半导体的导电机构本征半导体的导电机构 空穴空穴 Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带结构的能带结构电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3第一章第一章 半导体中的电子状态半导体中的电子状态&半导体的半导体的晶格结构晶格结构和结合性和结合性质质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结教学目标教学目标半导体单晶材料中的电子状态及其运动规律半导体单
3、晶材料中的电子状态及其运动规律教学重点与要求教学重点与要求掌握半导体中晶体结构；掌握半导体中晶体结构；理解半导体能带理论；理解半导体能带理论；掌握半导体中的电子运动、有效质量，掌握半导体中的电子运动、有效质量，本征半导体导电机构本征半导体导电机构: : 电子电子- -空穴；锗、空穴；锗、硅、砷化镓的能带结构硅、砷化镓的能带结构电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物&半导体的半导体的晶格结构晶格结构和结合性和结合性质质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&本征半导体本征
4、半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结半导体电阻率半导体电阻率独特的温度特独特的温度特性常被用来鉴性常被用来鉴别半导体材料。别半导体材料。半导体材料的主要特点半导体材料的主要特点Pt, Hg, SiSi半导体材料具有一定的导电能力，电阻率半导体材料具有一定的导电能力，电阻率介于导体和绝缘体之间。介于导体和绝缘体之间。纯净半导体材料中，电阻率随温度升高而纯净半导体材料中，电阻率随温度升高而指数减小；指数减小；杂质的种类和数量决定半导体的电阻率，杂质的种类和数量决定半导体的电阻率，且在掺杂情况下，温度对电阻率影响较弱；且在掺杂情况
5、下，温度对电阻率影响较弱；光的辐照等可以改变半导体的电阻率。光的辐照等可以改变半导体的电阻率。可以通过简单可控方法调制其性质可以通过简单可控方法调制其性质电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5&半导体的半导体的晶格结构晶格结构和结合性和结合性质质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结常见半导体材料常见半导体材料电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么
6、丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物6半导体材料的特性半导体材料的特性 - -单晶多晶非晶单晶多晶非晶大多数半导体材料是固体，固体中的原子在大多数半导体材料是固体，固体中的原子在结合形成固体时，排列的形式不同，其性质结合形成固体时，排列的形式不同，其性质也不同。也不同。单晶单晶(Crystal)(Crystal)：原子排列具有三维长程有序，：原子排列具有三维长程有序，原子完全原子完全规则排列规则排列，每个原子周围的情况相，每个原子周围的情况相同，典型材料如单晶同，典型材料如单晶Si Si。多晶多晶(Polycryst
7、alline)(Polycrystalline)：原子在局域空间内有序：原子在局域空间内有序排列，类似单晶，称为晶粒；但在不同区域排列，类似单晶，称为晶粒；但在不同区域（晶粒，（晶粒，GrainGrain）间又无序排列，如多晶硅等）间又无序排列，如多晶硅等（长无序短有序）。（长无序短有序）。非晶非晶(Amorphous)(Amorphous)：原子排列完全无序，如：原子排列完全无序，如SiO2SiO2等。等。&半导体的半导体的晶格结构晶格结构和结合性和结合性质质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAs
8、GaAs的能带的能带结构结构&小结小结电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物7非晶体非晶体单晶体单晶体多晶体多晶体&半导体的半导体的晶格结构晶格结构和结合性和结合性质质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结半导体材料的特性半导体材料的特性 - -单晶多晶非晶单晶多晶非晶电子工程系E&E我吓了一跳
9、，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物8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金刚石结构金刚石结构周期性周期性&半导体的半导体的晶格结构晶格结构和结合性和结合性质质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到
10、愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物9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四面体共价键：键角四面体共价键：键角109109 2828spsp3 3杂化轨道杂化轨道&半导体的半导体的晶格结构晶格结构和结合性和结合性质质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结金刚石结构：金刚石结构：Si Si、GeGe电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世
11、界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物10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&半导体的半导体的晶格结构晶格结构和结合性和结合性质质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结金刚石结构：金刚石结构：Si, GeSi, Ge位于不同位置的位于不同位置的Si Si原子的性质并不相原子的性质并不相同。同。周期性周期性 - - 晶胞：能够反映晶格对称性的最小晶晶胞：能够反映晶
12、格对称性的最小晶体结构单元，称为晶胞（体结构单元，称为晶胞（Unit CellUnit Cell）。）。闪锌矿结构：闪锌矿结构：III-V族化合物半导族化合物半导体材料，如体材料，如GaAs由两类异族原子各由两类异族原子各自组成的面心立方自组成的面心立方晶格套构而成。晶格套构而成。电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物11原子密度的计算：原子密度的计算：已知已知Si Si在在300K300K时的晶格常数：时的晶格常数： a = a = 0. 0.5 5431nm431nm求每立方厘
13、米体积中的求每立方厘米体积中的Si Si原子数目及常温下原子数目及常温下的的Si Si原子密度。原子密度。&半导体的半导体的晶格结构晶格结构和结合性和结合性质质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结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电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物周期性周
14、期性方向性方向性 晶体的性质具有方向性，沿不同方向、在不同晶体的性质具有方向性，沿不同方向、在不同 的晶面，晶体性质不同。的晶面，晶体性质不同。 通常采用指数来表征晶向和晶面。通常采用指数来表征晶向和晶面。 方括号方括号 表示晶向表示晶向 圆括号（）表示晶面：圆括号（）表示晶面：密勒密勒（MillerMiller）指数（）指数（hklhkl）&半导体的半导体的晶格结构晶格结构和结合性和结合性质质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能
15、带的能带结构结构&小结小结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电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物13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方向性方向性 - - 晶向晶向&半导体的半导体的晶格结构晶格结构和结合性和结合性质质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结
16、111 100 110电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物14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方向性方向性 晶面晶面&半导体的半导体的晶格结构晶格结构和结合性和结合性质质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结(100)(001)(010)金刚石结构金刚石结构在在(100)(
17、100)面上的投影面上的投影等效晶面等效晶面100100电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物15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方向性方向性 晶面晶面&半导体的半导体的晶格结构晶格结构和结合性和结合性质质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结（110）（111）电子工程系E
18、&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物16&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中半导体中的电子状的电子状态和能带态和能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结研究晶体的能带，是一个非常复杂的问题，应该从研究晶体的能带，是一个非常复杂的问题，应该从哪里入手？哪里入手？原子的能级和晶体的能带原子的能级和晶体的能带单原子：原子中的电子在
19、原子核的势场的作用下，单原子：原子中的电子在原子核的势场的作用下，分列在不同的能级上，形成所谓的电子壳层，不分列在不同的能级上，形成所谓的电子壳层，不同的壳层的电子分别用同的壳层的电子分别用1s,2s,2p,3s,3p,3d,.1s,2s,2p,3s,3p,3d,.等符号表等符号表示。示。孤立原子中的电子状态由下列量子数确定：孤立原子中的电子状态由下列量子数确定：n: n:主量子数，主量子数，1 1，2 2，3 3，l: l: 轨道轨道( (角角) )量子数，量子数，0 0，1 1，2 2，（，（n n1 1）m ml l: :磁量子数，磁量子数，0 0， 1 1， 2 2， 3 3， , ,
20、 l lm ms s: :自旋磁量子数，自旋磁量子数， 1/21/2单原子轨道图单原子轨道图孤立原子中的电子能级是孤立原子中的电子能级是量子化量子化的的能量最低原理能量最低原理泡利不相容原理泡利不相容原理原子的能级和晶体的能带原子的能级和晶体的能带电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物17原子的能级和晶体的能带原子的能级和晶体的能带孤立原子的能级孤立原子的能级原子的能级图原子的能级图每一支壳层对应于确定的能量。每一支壳层对应于确定的能量。&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合
21、性质合性质&半导体中半导体中的电子状的电子状态和能带态和能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结原子轨道原子轨道原子能级原子能级电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物18电子的共有化运动电子的共有化运动2p3s&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中半导体中的电子状的电子状态和能带态和能带&半导体中电半导体中电子的运动
22、子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结电子的共有化运动：电子电子的共有化运动：电子可以由一个原子转移到相可以由一个原子转移到相邻的原子上；邻的原子上；只能在相似壳层间转移；最外层电子只能在相似壳层间转移；最外层电子的共有化运动最显著的共有化运动最显著电子的共有化运动电子的共有化运动电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物19电子的共有化运动电子的共有化运动&半导体的晶半导体的
23、晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中半导体中的电子状的电子状态和能带态和能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物20能级分裂能级分裂：当原子周期性排列形成晶体互相靠近时，：当原子周期性排列形成晶体互相靠近时，每一个能级都分裂为很多彼此相距很近的能级，形每一个能级都分裂为很多彼此相距很近的能级，形成
24、成能带能带&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中半导体中的电子状的电子状态和能带态和能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结原子的能级和晶体的能带原子的能级和晶体的能带电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物21原子间距2sE原子间距2sEr02p2p2s2s2p孤立原子中的能级晶体中的能带N个能级3N个能级允带禁带能
25、级分裂形成能带能级分裂形成能带r0能带的形成能带的形成电子的共有化运动是能带理论的基础，能带的形成是电子的共有化运动是能带理论的基础，能带的形成是电子共有化运动的必然结果电子共有化运动的必然结果原子的能级和晶体的能带原子的能级和晶体的能带电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物22允带、禁带的形成允带、禁带的形成 允带禁带禁带dps电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2
26、3由于电子的共有化运动加剧由于电子的共有化运动加剧, , 原子的能级分裂亦加显著原子的能级分裂亦加显著: : s N s N个子带个子带 p 3N p 3N个子带个子带 出现准连续能级出现准连续能级单晶单晶Si Si的原子存在轨道杂化现的原子存在轨道杂化现象。何谓轨道杂化？象。何谓轨道杂化？轨道杂化：轨道杂化： 原子在成键时受到其他原子原子在成键时受到其他原子的作用，原有一些能量较近的的作用，原有一些能量较近的原子轨道重新组合成新的原子原子轨道重新组合成新的原子轨道，使轨道发挥更高的成键轨道，使轨道发挥更高的成键效能，这叫做轨道杂化。效能，这叫做轨道杂化。 &半导体的晶半导体的晶格结构和结格结
27、构和结合性质合性质&半导体中半导体中的电子状的电子状态和能带态和能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结原子的能级和晶体的能带原子的能级和晶体的能带电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物24分裂的能级数需要计入原子本身的简并度s能级 N个能级p能级 3N个能级d能级 5N个能级能带中能量不连续每个能带中的能级数目与晶体中的原子数有关能带的宽窄
28、由晶体的性质决定, 与所含的原子数无关电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物25金刚石结构半导体的能带形成金刚石结构半导体的能带形成Si 电子组态是1s22s22p63s23p2原子间距原子间距0r0r13N3p3sNEg2N2N4N满带即价带满带即价带空带即导带空带即导带spsp3 3杂化杂化&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中半导体中的电子状的电子状态和能带态和能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机
29、构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物26金刚石型结构价电子的能带金刚石型结构价电子的能带半导体半导体Si Si、Ge:Ge: 对于由对于由N N个原子组成的晶体个原子组成的晶体: : 共有共有4N4N个价电子，由于轨道杂化，价电子形成的能带如下个价电子，由于轨道杂化，价电子形成的能带如下&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中半导体中的电子状的电子状态和能带态和能带
30、&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结满带，即价带满带，即价带Valence BandValence Band 空带空带 ，即导带，即导带Conduction BandConduction Band 电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物27小小 结结单晶硅晶体的周期性和方向性单晶硅晶体的周期性和方向性电子的共有化运动电子的共有化运动轨道杂化轨
31、道杂化能带的形成能带的形成导带和价带导带和价带&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中半导体中的电子状的电子状态和能带态和能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物28量子力学量子力学( (Quantum Mechanics)：是研究微观粒子的：是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学
32、科，它主要研究原子、分运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子基本粒子的结构、的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。学的理论基础。量子：在微观领域中，某些物理量的变化是以最小量子：在微观领域中，某些物理量的变化是以最小的单位跳跃式进行，而不是连续的。这个最小的单的单位跳跃式进行，而不是连续的。这个最小的单位叫量子。（一份一份的）位叫量子。（一份一份的）&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中半导体中的电子状的电子状态和能带态和能带&
33、半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结研究半导体中的电子状态，是一个非常复杂的问题，研究半导体中的电子状态，是一个非常复杂的问题，应该从哪里入手？应该从哪里入手？单电子近似（单电子近似（Single electron approximation Single electron approximation ）半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到
34、愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物29半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中半导体中的电子状的电子状态和能带态和能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结微观粒子具有波粒二象性，表征波动性的量和表征粒微观粒子具有波粒二象性，表征波动性的量和表征粒子性的量之间有一定的联系。子性的量之间有一定的联系。对于一个质量为对于一个质量为M0M0，速度为，速度为V V的自由电子，的自由
35、电子，表征波动性的量：表征波动性的量：表征粒子性的量：表征粒子性的量：将表征波动性的量和粒子性的量联系将表征波动性的量和粒子性的量联系起来，则有：起来，则有：0mhk0222mkhEkPhhE P0m02202121E mpvm 自由电子的自由电子的E kE k关系关系电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物30求解一维条件下求解一维条件下晶体中晶体中电子的电子的薛定谔方程薛定谔方程，可以得到，可以得到下图所示的晶体中电子的下图所示的晶体中电子的E(k)-kE(k)-k关系：关系：
36、(a) E(k)-k/2(a) E(k)-k/2 关系关系 (b) (b) 能带能带 (c) (c) 第一布里渊区第一布里渊区 晶体中电子的晶体中电子的E(k)-kE(k)-k关系关系半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中半导体中的电子状的电子状态和能带态和能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世
37、界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物31kE0 /a-2 /a3 /a- /a2 /a-3 /a第1第2第2第3第3布里渊区允带允带允带禁带禁带kE简约布里渊区简约布里渊区 /a- /a0,.)2, 1, 0(nank布里渊区与能带布里渊区与能带半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物32半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中半导体中
38、的电子状的电子状态和能带态和能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结E(k)-kE(k)-k能量不连续，形成一系列相间的允带和禁带。能量不连续，形成一系列相间的允带和禁带。允带的允带的k k值位于下列几个称为布里渊区的区域中值位于下列几个称为布里渊区的区域中 第一布里渊区第一布里渊区 /ak/ak /a/a 第二布里渊区第二布里渊区 2 2 /ak-/ak- /a/a， /ak/ak2 2 /a/a 第三布里渊区第三布里渊区3 3 /ak-/ak-2 2
39、 /a /a ， 2 2 /ak3/ak0, 0, m m* *00。 0, 0, m m* *00;0;能带顶，能带顶，电子的电子的m m* *0;0;3.m3.m* *有正负之分有正负之分当当E(k)E(k)曲线开口向上时曲线开口向上时, ,当当E(k)E(k)曲线开口向下时曲线开口向下时, ,有效质量有效质量&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中半导体中电子的运电子的运动动 有效质有效质量量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结电
40、子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物47本征半导体的导电机构本征半导体的导电机构 空穴空穴&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导本征半导体的导电体的导电机构机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结1. 1.满带对电流无贡献满带对电流无贡献2. 2.不满带对电流有贡献不满带对电流有贡献不满带中不满带中的电子的电
41、子电流电流满带：电子数满带：电子数= =状态数状态数不满带：不满带：价带：产生空状态价带：产生空状态导带：存在电子导带：存在电子Si SiSi SiSi SiSi SiSi SiSi SiSi SiSi SiSi SiSi SiSi SiSi SiSi Si+ +导带导带价带价带EgEgEcEcEvEv+ + + + +激发激发电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半
42、导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导本征半导体的导电体的导电机构机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：
43、表里边有一个活的生物电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物半导体中的半导体中的载流子载流子：能够导电的自由粒子能够导电的自由粒子电子：电子：带负电的导电载流子，是价带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子子，对应于导带中占据的电子空穴：空穴：带正电的导电载流子，是
44、价带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位位，对应于价带中的电子空位电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物54电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物55*mqBc将一半导体样品放在一均匀恒定的磁场将一半导体样品放在一均匀恒定的磁场B B中中, ,电子在电子在磁场中作螺旋运动磁场中作螺旋运动, ,它的它
45、的回旋频率回旋频率 c c与有效质量与有效质量( (对对于球形等能面于球形等能面) )的关系为的关系为: :回旋共振回旋共振以电磁波通过半导体样品，当交变电磁场角频率以电磁波通过半导体样品，当交变电磁场角频率 等于回旋频率等于回旋频率 c c时，就发生共振吸收。测出共振吸时，就发生共振吸收。测出共振吸收时的电磁波角频率收时的电磁波角频率 和磁感应强度和磁感应强度B B，就可以算出，就可以算出有效质量。有效质量。&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导
46、电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能带的能带结构结构&小结小结电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物56电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物二二. 元素半导体元素半导体Si Si、GeGe金刚石结构金刚石结构Si: a=5.65754Ge: a=5.43089&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中的半导体中的
47、电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能的能带结构带结构&小结小结Si.Ge.GaAsSi.Ge.GaAs半导体的能带结构半导体的能带结构化合物半导体化合物半导体GaAsGaAs闪锌矿结构闪锌矿结构GaAs: a=5.65325电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物58导带导带价带价带100111LX硅的能带结构硅的能带结构Eg间接带隙间接带隙
48、元素半导体元素半导体Si Si&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能的能带结构带结构&小结小结Si.Ge.GaAsSi.Ge.GaAs半导体的能带结构半导体的能带结构电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物59硅导带等能面示意图硅导带等能面示意图极小值点极小值点k k0
49、 0在坐标在坐标轴轴100100上。上。共有共有6 6个形状一样的个形状一样的旋转椭球等能面旋转椭球等能面(1)(1)导带导带ABCD001001100100010010&半导体的晶半导体的晶格结构和结格结构和结合性质合性质&半导体中的半导体中的电子状态和电子状态和能带能带&半导体中电半导体中电子的运动子的运动 有有效质量效质量&本征半导体本征半导体的导电机构的导电机构 空穴空穴&Si Si、GeGe、GaAsGaAs的能的能带结构带结构&小结小结Si.Ge.GaAsSi.Ge.GaAs半导体的能带结构半导体的能带结构（2 2）价带）价带极大值点在坐标原点极大值点在坐标原点，k k0 0=0=
50、0，E(E() )为球为球形等能面，但有两个形等能面，但有两个曲率不同的面，即有曲率不同的面，即有两个价带两个价带外层：能量变化慢，外层：能量变化慢，m mp p* *大；大；重空穴重空穴内层：能量变化快，内层：能量变化快，m mp p* *小；小；轻空穴轻空穴电子工程系E&E我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物60元素半导体元素半导体GeGe锗的能带结构锗的能带结构导带导带价带价带100111LXEg间接带隙间接带隙Si.Ge.GaAsSi.Ge.GaAs半导体的能带结构半导体的能带结构&半导