半導體物理第一章第二章(已修改)

　

【正文】 《 半導體物理 》 重慶郵電學院 光電工程學院 楊虹 幾點說明： ? 基本內(nèi)容：包括課程的課程重點、課程難點、基本概念、基本要求、參考資料、思考題和習題 . ? 計劃學時： 72學時（ 60+12）。 ? 教學內(nèi)容：根據(jù)專業(yè)方向后續(xù)課程的需要及參加研究生入學資格考試應(yīng)掌握的基本知識安排教學內(nèi)容。 ? 教材：采用高等學校工科電子類（電子信息類）規(guī)劃教材《 半導體物理學 》 ，由劉思科、朱秉升、羅晉生等編寫。本教材多次獲獎，如全國高等學校優(yōu)秀教材獎、電子類專業(yè)優(yōu)秀教材特等獎、普通高等學校教材全國特等獎。 參考資料（書目） ? 葉良修 （ 北大 ） 《 半導體物理學 》 ? 劉文明 （ 吉大 ） 《 半導體物理學 》 ? 顧祖毅 （ 清華 ） 《 半導體物理學 》 ? 格羅夫 （ 美 ） 《 半導體器件物理與工藝 》 ? 王家驊 （ 南開 ） 《 半導體器件物理 》 ? 施敏 （ ） 《 半導體器件物理 》 ? 施敏 （ ） 《 現(xiàn)代半導體器件物理 》 第 1章 半導體中的電子狀態(tài) ( 習題 :1,2 ) 167。 半導體中的電子狀態(tài) 本節(jié)內(nèi)容 ： ? （有關(guān)的名詞） ? 格點 ：空間（一維或多維）點陣中的點（結(jié)點） ? 晶列 ：通過任意兩格點所作的（晶列上有一系列格點） ? 晶向 ：在坐標系中晶列的方向（確定晶向的方法待定）用晶向指數(shù)表示；如 [110]。 ? 晶面 ：通過格點作的平面。一組平行的晶面是等效的，其中任意兩晶面上的格點排列是相同的，且面間距相等。晶面用晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）表示，如（ 111），（ 100） …… 反映晶體周期性的重復(fù)單元，有兩種選取方法 : 在固體物理學中 —— 選取周期最小的重復(fù)單元，即原胞 (初基原胞 )。 在晶體學中 —— 由對稱性取選最小的重復(fù)單元，即晶胞（單胞 ,慣用原胞） 基矢 ：確定原胞（晶胞）大小的矢量。原胞（晶胞）以基矢為周期排列，因此，基矢的大小又成為晶格常數(shù)。 晶軸 ：以（布拉菲）原胞（或晶胞）的基矢為坐標軸 —— 晶軸 格矢 ：在固體物理學中，選某一格點為原點 O，任一格點 A的格矢 ? R=a1l1+a2l2+a3l3 , l1 、 l l3為晶軸上的投影 ，取整數(shù) ， a a a3為晶軸上的單位矢量 。 ? 在結(jié)晶學中（用的較多），選某一格點為原點 O，任一格點 A的格矢 : R=al1+bl2+cl3 , l1 、 l l3為晶軸上的投影，取有理數(shù) a,b,c為晶軸上的單位矢量 。 ? 晶列指數(shù)及晶向：格矢在相應(yīng)晶軸上投影稱作晶列指數(shù)，并用以表示晶向，即格矢所在的晶列方向。 固體物理學中，表示為 [ l1l2l3 ]，投影為負值時， l的數(shù)字上部冠負號。等效晶向用 lnm 表示。 ? 晶面：通過格點作的平面 ， 用晶面指數(shù)表示 。 ? 晶面指數(shù)：表示晶面的一組數(shù) 。 ? 晶向與晶面的關(guān)系：在正交坐標系中，晶面指數(shù)與晶面指數(shù)相同時，晶向垂直于晶面。 ? 結(jié)晶學晶胞： ? 1） 簡立方 :立方體的八個頂角各有一個原子 。 ? 2） 體心立方：簡立方的中心加進一個原子 。 ? 3） 面心立方：簡立方的六個面的中心各有一個原子 。 ? 4) 金剛石結(jié)構(gòu) :同種原子構(gòu)成的兩個面心立方沿體對角線相對位移體對角線的 1/4套構(gòu)而成。 每個晶胞含原子數(shù)： 8*1/8（頂角）＋ 6*1/2（面心）＋ 4（體心）＝ 8個 如果只考慮晶格的周期性，可用固體物理學原胞表示： ? 簡立方原胞：與晶胞相同 ， 含一個原子 。 ? 體心立方原胞：為棱長 的簡立方 ， 含一個原子 。 ? 面心立方原胞：為棱長 的菱立方，由面心立方體對角線的；兩個原子和六個面心原子構(gòu)成，含一個原子。 a23a22? ：為棱長 的菱立方 ， 由體對角線的兩個原子和六個面心原子構(gòu)成棱立方 ，其內(nèi)包含一個距頂角 1/4體對角線的原子 ， 因此 ，原胞共含有 2個原子 。 ? 、 鍺的晶體結(jié)構(gòu) （ 金剛石型結(jié)構(gòu) ） ? ( GaAs) a22課程重點 ： ?半導體硅、鍺的晶體結(jié)構(gòu)（金剛石型結(jié)構(gòu)） 及其特點；半導體的閃鋅礦型結(jié)構(gòu) (GaAs)及其特點。 課程難點 ： ? 描述晶體的周期性可用 原胞 (初基原胞 )和晶胞 (慣用原胞 )，要把原胞和晶胞區(qū)分開。在固體物理學中，只強調(diào)晶格的周期性，其最小重復(fù)單元為原胞，例如金剛石型結(jié)構(gòu)的原胞為棱長 的菱立方，含有兩個原子；在結(jié)晶學中除強調(diào)晶格的周期性外，還要強調(diào)原子分布的對稱性，例如同為金剛石型結(jié)構(gòu)，其晶胞為棱長為 a的正立方體，含有 8個原子。 a22? 閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的 Ⅲ － Ⅴ 族化合物和金剛石 型結(jié)構(gòu)一樣，都是由兩個面心立方晶格套構(gòu) 而成，稱這種晶格為雙原子復(fù)式格子。如果 選取只反映晶格周期性的原胞時，則每個原 胞中只包含兩個原子，一個是 Ⅲ 族原子，另 一個是 Ⅴ 族原子。 基本概念 ： ?原胞和晶胞都是用來描述晶體中晶格周期性的最小重復(fù)單元，但二者有所不同。在固體物理學中，原胞只強調(diào)晶格的周期性；而在結(jié)晶學中，晶胞還要強調(diào)晶格中原子分布的的對稱性。 基本要求 ： ?記住晶向與晶面的關(guān)系；熟悉金剛石型結(jié)構(gòu)與閃鋅礦型結(jié)構(gòu)晶胞原子的空間立體分布及硅、鍺、砷化鎵晶體結(jié)構(gòu)特點，晶格常數(shù) (約)，原子密度數(shù)量級（ 1022個原子 /立方厘米）。 167。 ?本節(jié)內(nèi)容 ： 原子中的電子狀態(tài) 1玻耳的氫原子理論 ? 2玻耳氫原子理論的意義 ? 3氫原子能級公式及玻耳氫原子軌道半徑 ? 4索末菲對玻耳理論的發(fā)展 ? 5量子力學對半經(jīng)典理論的修正 ? 6原子能級的簡并度 ? 晶體中的電子狀態(tài) ? 1電子共有化運動 ? 2電子共有化運動使能級分裂為能帶 ? 半導體硅 、 鍺晶體的能帶 ? 1硅 、 鍺原子的電子結(jié)構(gòu) ? 2硅 、 鍺晶體能帶的形成 ? 3半導體（硅、鍺）的能帶特點 課程重點 ： ? 氫原子能級公式 ，氫原 ?子第一玻耳軌道半徑 ,這兩個公式還 ?可用于類氫原子（今后用到） . 222048 hnmqEn???2201 qmhr???? 量子力學認為微觀粒子 （ 如電子 ） 的運動須用波函數(shù)來描述 ， 經(jīng)典意義上的軌道實質(zhì)上是電子出現(xiàn)幾率最大的地方 。 電子的狀態(tài)可用四個量子數(shù)表示 。 ? 晶體形成能帶的原因是由于電子共有化運動 （硅、鍺）能帶的特點： ? ① 存在軌道雜化 ， 失去能級與能帶的對應(yīng)關(guān)系 p10.。雜化后能帶重新分開為上能帶和下能帶 ， 上能帶稱為導帶 ， 下能帶稱為價帶 ? ② 低溫下 ， 價帶填滿電子 ， 導帶全空 ， 高溫下價帶中的一部分電子躍遷到導帶 ， 使晶體呈現(xiàn)弱導電性 。 ? ③ 導帶與價帶間的能隙 （ Energy gap） 稱為禁帶（ forbidden band） .禁帶寬度取決于晶體種類 、 晶體結(jié)構(gòu)及溫度 。 ? ④ 當原子數(shù)很大時 ， 導帶 、 價帶內(nèi)能級密度很大 ，可以認為能級準連續(xù) 課程難點： ?一個原子能級的簡并度為 : ?（ 2n＋ 1） ,n=(s)0,(p)1,(d)2等，若記入自旋，簡并度為 2（ 2n＋ 1）；不計原子本身的簡并 . ?當 N個原子結(jié)合成晶體 ,則能級形成能帶 . ? P9~10,圖 16,圖 17。 基本概念 ： ?電子共有化運動：原子組成晶體后 ， 由于原子殼層的交疊 ， 電子不再局限在某一個原子上 ， 可以由一個原子轉(zhuǎn)移到另一個原子上去 ，因而 ， 電子將可以在整個晶體中運動 ， 這種運動稱為電子的共有化運動 。 但須注意 ， 因為各原子中相似殼層上的電子才有相同的能量 ， 電子只能在相似殼層中轉(zhuǎn)移 。 ? p9. 圖 15 基本要求 ： ?掌握氫原子能級公式和氫原子軌道半徑公式； ?掌握能帶形成的原因及電子共有化運動的特點； ?掌握硅、鍺能帶的特點。 167。 電子在周期場中的運動 ——能帶論 ?本節(jié)內(nèi)容 ： ? ? ? 課程重點 ： ? 熟悉晶體中電子的運動與孤立原子的電子和自由電子的運動有何不同：孤立原子中的電子是在該原子的核和其它電子的勢場中運動 ， 自由電子是在恒定為零的勢場中運動 ，而晶體中的電子是在嚴格周期性重復(fù)排列的原子間運動 ， 單電子近似認為 ， 晶體中的某一個電子是在周期性排列且固定不動的原子核的勢場以及其它大量電子的平均勢場中運動 ， 這個勢場也是周期性變化的 ， 而且它的周期與晶格周期相同 。 ? ：對于波矢為 k的運動狀態(tài)，自由電子的能量 E，動量 p，速度 v均有確定的數(shù)值。因此，波矢 k可用以描述自由電子的運動狀態(tài)，不同的 k值標志自由電子的不同狀態(tài)，自由電子的 E和 k的關(guān)系曲線，呈拋物線形狀 E=h2k2/2m。由于波矢 k的連續(xù)變化，自由電子的能量是連續(xù)能譜，從零到無限大的所有能量值都是允許的。 ? ：晶體中的電子是以調(diào)幅平面波在晶體中傳播。這個波函數(shù)稱