2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体中的电子状态

半导体中的电子状态 2023/3/9 2 半导体中的电子状态 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 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 1.4 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 1.7 Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构 1.8 Ⅱ-Ⅵ族化合物的能带结构 2023/3/9 3 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 1. 预备知识 晶体 由周期排列的原子构成的固体 2023/3/9 4 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 格点:空间(一维或多维)点阵中的点(结点) 晶列:通过任意两格点所作的(晶列上有一系列格点) 晶向:在坐标系中晶列的方向(确定晶向的方法待定)用晶向指数表示;如[110]。 晶面:通过格点作的平面。一组平行的晶面是等效的,其中任意两晶面上的格点排列是相同的,且面间距相等。晶面用晶面指数(密勒指数)表示,如(111),(100)…… 2023/3/9 5 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 晶胞 反映晶体周期性的重复单元,有两种选取方法: 在固体物理学中——选取周期最小的重复单元,即原胞(固体学原胞) 在晶体学中——由对称性取选最小的重复单元,即晶胞(结晶学原胞) 2023/3/9 6 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 基矢:确定原胞(晶胞)大小的矢量。原胞(晶胞)以基矢为周期排列,因此,基矢的大小又成为晶格常数。 晶轴:以(布拉菲)原胞(或晶胞)的基矢为坐标轴——晶轴 格矢:选某一格点为原点O,任一格点A的格矢为 为晶轴上的投影,取整数, 为晶轴上的单位矢量。 2023/3/9 7 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 晶向指数及晶向:格矢在相应晶轴上投影的称作晶列指数,并用以表示晶向,即格矢所在的晶列方向。 表示为[l1 l2 l3],投影为负值时,l的数字上部冠负号。等效晶向用< >表示。 晶面与晶面指数:通过格点作的平面,取与各晶轴的截距的倒数来表示。 表示为(hkl),等效晶面用{ }表示。 晶向与晶面的关系:在正交坐标系中,晶面指数与晶向指数相同时,晶向垂直于晶面。 2023/3/9 8 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 2. 几种晶格结构 简立方 体心立方 面心立方 2023/3/9 9 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 3. 金刚石结构和共价键 硅、锗:共价半导体 硅、锗晶体结构:金刚石结构 夹角:109˚28’ 2023/3/9 10 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 金刚石结构 每个原子周围有四个最邻近的原子,这四个原子处于正四面体的顶角上,任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有,并形成稳定的共价键结构。 共价键: 由同种晶体组成的元素半导体,其原子间无负电性差,它们通过共用一对自旋相反而配对的价电子结合在一起。 共价键的特点:方向性和饱和性 2023/3/9 11 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 饱和性:每个原子与周围原子之间的共价键数目有一定的限制 Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子,每个原子只能与周围4个原子结合,使每个原子的最外层都成为8个电子的满壳层,因此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是4。 方向性: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。 Si、Ge共价键方向是四面体对称的,即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子,共价键之间的夹角为109°28´,这种正四面体称为共价四面体。 2023/3/9 12 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 金刚石结构 两套面心立方沿体对角线互相位移1/4套构而成。 与面心立方相同,但是复式结构,包含两个原子。 金刚石结构中,原子的排列情况 顶角八个,贡献1个原子; 面心六个,贡献3个原子; 晶胞内部4个; 共计8个原子。 2023/3/9 13 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 $