1第一章半导体中的电子状态.ppt

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。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”。第一章半导体中电子状态1.1.1金刚石结构和共价键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。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。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。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。2、闪锌矿结构和混合键3、钎锌矿结构第一章半导体中电子状态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1.2.1原子的能级和晶体的能带1.2.1原子的能级和晶体的能带1.2.2半导体中电子的状态和能带1.2.2半导体中电子的状态和能带1.2.2半导体中电子的状态和能带1.2.2半导体中电子的状态和能带1.2.2半导体中电子的状态和能带1.2.2半导体中电子的状态和能带1.2.2半导体中电子的状态和能带一维单晶材料中的电子（b）近距原子交叠的势函数（c）一维单晶的最终势函数感兴趣的：在一维单晶材料中电子的能量状态及特征系数A、B、C、D可由边界条件建立关系式：其结果为：进一步理解薛定谔方程的本质*V0=定值1.2.2半导体中电子的状态和能带1.2.2半导体中电子的状态和能带1.2.3导体、半导体、绝缘体的能带思考题1、原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同？原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同？2、晶体体积的大小对能级和能带有什么影响？3、在N个原子组成的晶体中，若由原来的一个原子能级分裂的能级数大于N或小于N，是否与泡里不相容原理矛盾？4、一般来说，对应于高能级的能带较宽，而禁带较窄，是否如此？为什么？第一章半导体中电子状态1.3半导体中电子运动有效质量1.3半导体中电子运动有效质量1.3半导体中电子运动有效质量1.3半导体中电子运动有效质量1.3半导体中电子运动有效质量1.3半导体中电子运动有效质量1.3半导体中电子运动有效质量第一章半导体中电子状态1.4本征半导体的导电机构空穴1.4本征半导体的导电机构空穴1.4本征半导体的导电机构空穴1.4本征半导体的导电机构空穴思考题1、有两种晶体其能量与波矢的关系如图所示，试问，哪一种晶体电子的有效质量大一些？为什么？2、有效质量对能带的宽度有什么影响？有人说：“有效质量越大，态密度也越大，因而能带越窄。”是否如此？为什么？3、从能带底到能带顶，晶体中电子的有效质量将如何变化？外场对电子的作用效果有什么不同？4、以硅的本征激发为例，说明半导体能带图的物理意义及其与硅晶体结构的联系？为什么电子从其价键上挣脱出来所需的最小能量就是半导体的禁带宽度？第一章半导体中电子状态1.5回旋共振1.5回旋共振1.5回旋共振1.5回旋共振1.5回旋共振1.5回旋共振1.5回旋共振1.5回旋共振第一章半导体中电子状态1.6硅和锗的能带结构1.6硅和锗的能带结构1.6硅和锗的能带结构1.6硅和锗的能带结构1.6硅和锗的能带结构1.6硅和锗的能带结构1.6硅和锗的能带结构作业