【正文】 子,參與導(dǎo)電.⑵共價(jià)鍵理論應(yīng)用 解釋半導(dǎo)體摻雜的敏感性例:摻入替位式五價(jià)元素,可提供導(dǎo)電電子。摻入替位式三價(jià)元素,光敏性等.⑶兩者理論的比較(能帶理論與共價(jià)鍵理論的對(duì)應(yīng)關(guān)系)能帶理論 共價(jià)鍵理論 價(jià)帶中電子 共價(jià)鍵上的電子導(dǎo)帶中電子 掙脫共價(jià)鍵的電子(變?yōu)樽杂呻娮?禁帶寬度 鍵上電子掙脫鍵束縛所需的能量 定量理論 定性理論(4)本征激發(fā): 共價(jià)鍵上的電子激發(fā)成為準(zhǔn)自由電子,亦即價(jià)帶電子吸收能量被激發(fā)到導(dǎo)帶成為導(dǎo)帶電子的過程,.167。 半導(dǎo)體中電子(在外力下)的運(yùn)動(dòng),有效質(zhì)量,空穴 ◆本節(jié)內(nèi)容: 導(dǎo)帶中e(k)與k的關(guān)系 價(jià)帶頂附近電子的運(yùn)動(dòng) 有效質(zhì)量的意義 ◆課程重點(diǎn): 掌握半導(dǎo)體中求e(k)與k的關(guān)系的方法:晶體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要比自由電子復(fù)雜得多,要得到它的e(k),可采用級(jí)數(shù)展開的方法研究帶底或帶頂e(k)=/(一維情況),注意,在能帶底是正值,=,注意v可以是正值,也可以是負(fù)值,半導(dǎo)體中電子所受的外力與加速度的關(guān)系具有牛頓第二定律的形式,即a=f/.:在牛頓第二定律中要求有效質(zhì)量為正值, 價(jià)帶頂附近空穴有效質(zhì)量 0 數(shù)值上與該處的電子有效質(zhì)量相同,即=0 ,空穴帶電荷+q(共價(jià)鍵上少一個(gè)電子,破壞局部電中性,顯正電).③空穴的能量坐標(biāo)與電子的相反,:在經(jīng)典牛頓第二定律中a=,式中f是外合力,描述電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方程中出現(xiàn)的是有效質(zhì)量,半導(dǎo)體中的電子即使在沒有外加電場(chǎng)作用時(shí),它一方面受到外電場(chǎng)力f的作用,同時(shí)還和半導(dǎo)體內(nèi)部原子,電子相互作用著,要找出內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的具體形式并且求得加速度遇到一定的困難,引進(jìn)有效質(zhì)量后可使問題變得簡(jiǎn)單,直接把外力f和電子的加速度聯(lián)系起來,引進(jìn)有效質(zhì)量的意義在于它概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用,使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),e/d0,電子的有效質(zhì)量是正值。在能帶頂附近,e/d導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(電子導(dǎo)電,空穴導(dǎo)電)◆課程重點(diǎn): 滿帶中的電子不導(dǎo)電:電子可以在晶體中作共有化運(yùn)動(dòng),但是,這些電子能否導(dǎo)電,還必須考慮電子填充能帶的情況,如果一個(gè)能帶中所有的狀態(tài)都被電子占滿,那么,即使有外加電場(chǎng),晶體中也沒有電流,純凈半導(dǎo)體的價(jià)帶被價(jià)電子填滿,價(jià)帶頂部附近有少量電子被激發(fā)到導(dǎo)帶底部附近,在外電場(chǎng)作用下,所以,價(jià)帶缺少了一些電子后也呈不滿的狀態(tài),因而價(jià)帶電子也表現(xiàn)出具有導(dǎo)電的特性,:對(duì)本征半導(dǎo)體,導(dǎo)帶中出現(xiàn)多少電子,價(jià)帶中就對(duì)應(yīng)出現(xiàn)多少空穴,導(dǎo)帶上電子參與導(dǎo)電,價(jià)帶上空穴也參與導(dǎo)電,金屬中只有電子一種荷載電流的粒子(稱為載流子),使半導(dǎo)體表現(xiàn)出許多奇異的特性,可用來制造形形色色的器件.◆課程難點(diǎn):,如何理解空穴導(dǎo)電 設(shè)想價(jià)帶中一個(gè)電子被激發(fā)到價(jià)帶,此時(shí)價(jià)帶為不滿帶,則 j=價(jià)帶(k狀態(tài)空出)電子總電流,這個(gè)電子的電流等于電子電荷q乘以k狀態(tài)電子的速度v(k),即 k狀態(tài)電子電流=(q)v(k)填入這個(gè)電子后,價(jià)帶又被填滿,總電流應(yīng)為零,即 j+(q)v(k)=0 因而得到 j=(+q)v(k)這就是說,當(dāng)價(jià)帶k狀態(tài)空出時(shí),價(jià)帶電子的總電流,就如同一個(gè)正電荷的粒子以k狀態(tài)電子速度v(k),通常把價(jià)帶中空著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子,――空穴后,便可以很簡(jiǎn)便地描述價(jià)帶(未填滿)的電流.◆基本概念: 載流子:晶體中荷載電流(或傳導(dǎo)電流),半導(dǎo)體中有兩種載流子即電子和空穴.◆基本要求:掌握半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu),正確理解空穴的導(dǎo)電機(jī)理.167。 回旋共振 ◆本節(jié)內(nèi)容: k空間等能面 回旋共振◆課程重點(diǎn): 利用回旋共振實(shí)驗(yàn)測(cè)量有效質(zhì)量.◆課程難點(diǎn):回旋共振原理及條件.◆基本概念:回旋共振實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)量電子的有效質(zhì)量,就要求樣品純度要高,而且實(shí)驗(yàn)一般在低溫下進(jìn)行,對(duì)于球形等能面,有效質(zhì)量各向同性,即只有一個(gè)有效質(zhì)量。對(duì)于橢球等能面,有效質(zhì)量各向異性,即在不同的波矢方向?qū)?yīng)不同的有效質(zhì)量(可參考下節(jié)內(nèi)容).◆基本要求:掌握等能面的研究方法:不同的半導(dǎo)體材料,其能帶結(jié)構(gòu)不同,而且往往是各向異性的,即沿不同的波矢方向,e～～k關(guān)系可用等能面表示,.167。 硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu) ◆本節(jié)內(nèi)容: 硅和鍺的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu) 硅和鍺的價(jià)帶結(jié)構(gòu) ◆課程重點(diǎn): 回旋共振的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),硅,鍺電子有效質(zhì)量各向異性,硅有六個(gè)橢球等能面,分別分布在晶向的六個(gè)等效晶軸上,電子主要分布在這六個(gè)橢球的中心(極值)(橢球中心),每個(gè)橢球面有半個(gè)在布里淵區(qū),因此,:有三條價(jià)帶,其中有兩條價(jià)帶的極值在k=0處重合,有兩種空穴有效質(zhì)量與之對(duì)應(yīng),分別為重空穴和輕空穴,還有第三個(gè)價(jià)帶,其帶頂比前兩個(gè)價(jià)帶降低了,對(duì)于硅,=,對(duì)于鍺=,鍺的能帶圖中指出導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)奈恢眉敖麕挾?◆課程難點(diǎn):對(duì)e(k),以為坐標(biāo)原點(diǎn),取，為三個(gè)直角坐標(biāo)軸,分別與橢球主軸重合,并使軸沿橢球長軸方向(即沿方向),(k)表達(dá)式簡(jiǎn)化為e(k)=。如果,軸選取恰當(dāng),計(jì)算可簡(jiǎn)單,選取使磁感應(yīng)強(qiáng)度b位于軸和軸所組成的平面內(nèi),且同軸交角,則在這個(gè)坐標(biāo)系里,b的方向余弦，分別為=sin,=0,=cos ◆基本概念:橫向有效質(zhì)量沿橢球短軸方向,縱向有效質(zhì)量沿橢球長軸方向.◆基本要求: 掌握硅,鍺的能帶結(jié)構(gòu),注意它們導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂所處的位置.167。 化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) ◆本節(jié)內(nèi)容: 化合物半導(dǎo)體的種類 化合物半導(dǎo)體的共同特性 化合物半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的一般特征 銻化銦的能帶結(jié)構(gòu) 砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu) 磷化鎵和磷化銦的能帶結(jié)構(gòu) 混合晶體的能帶結(jié)構(gòu)◆課程重點(diǎn):砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu):導(dǎo)帶極小值位于布里淵區(qū)中心k=0處,等能面為球面,極值附近的曲線的曲率比較小,所以此處電子有效質(zhì)量比較大,使砷化鎵具有特殊的性能(見第四章).價(jià)帶結(jié)構(gòu)與硅,.◆課程難點(diǎn):無說明:半導(dǎo)體的禁帶寬度隨溫度變化,有兩種計(jì)算方法,即 和均為經(jīng)驗(yàn)公式.◆基本概念:直接帶隙半導(dǎo)體是指導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值對(duì)應(yīng)同一波矢。間接帶隙半導(dǎo)體是指導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值對(duì)應(yīng)不同的波矢.◆基本要求:掌握砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu),: 原子中內(nèi)層電子和外層電子參與共有化運(yùn)動(dòng)有何不同 有效質(zhì)量的概念 用電子的慣性質(zhì)量描述能帶中電子運(yùn)動(dòng)有何局限性,對(duì)應(yīng)于高能級(jí)的能帶較寬,而禁帶較窄,是否如此 為什么 有人說:有效質(zhì)量愈大,能量密度也愈大,因而能帶愈窄.是否如此 為什么 ,加速反向與外力作用反向一致,這個(gè)結(jié)論是否適用于布洛赫電子 ,晶體中電子的有效質(zhì)量將如何變化 外場(chǎng)對(duì)電子的作用效果有什么不同 ,說明半導(dǎo)體能帶圖的物理意義及其與硅晶格結(jié)構(gòu)的聯(lián)系 為什么電子從其價(jià)鍵上掙脫出來所需的最小能量就是半導(dǎo)體的禁帶寬度 , 彼此有何聯(lián)系,當(dāng)改變存儲(chǔ)反向時(shí)只能觀察到一個(gè)共振吸收峰第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)（光4學(xué)時(shí) 微5學(xué)時(shí)）引言: 理想半導(dǎo)體:1,原子嚴(yán)格地周期性排列,晶體中無雜質(zhì),形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級(jí)上,晶體具有完整的(完美的)晶格結(jié)構(gòu),無任何雜質(zhì)和缺陷——本征半導(dǎo)體.(純凈半導(dǎo)體中,的位置和載流子的濃度只是由材料本身的本征性質(zhì)決定的)實(shí)際材料中,1,總是有雜質(zhì),缺陷,使周期場(chǎng)破壞,在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)——對(duì)應(yīng)的能級(jí)常常處在禁帶中,雜質(zhì)電離提供載流子.167。 硅 鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) ◆本節(jié)內(nèi)容: 晶體中雜質(zhì)基本情況 雜質(zhì)來源 人為摻雜的目的 摻雜的方法 雜質(zhì)在晶體中的位置(替位和間隙) 雜質(zhì)濃度硅,鍺晶體中的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)及其電離能 施主雜質(zhì)及其電離能 受主雜質(zhì)及其電離能淺能級(jí)雜質(zhì)電離能計(jì)算——類氫模型 施主雜質(zhì)電離能計(jì)算 受主雜質(zhì)電離能計(jì)算 雜質(zhì)補(bǔ)償作用 深能級(jí)雜質(zhì) 深能級(jí)雜質(zhì)特點(diǎn) ◆課程重點(diǎn): 在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì),同時(shí)向?qū)峁╇娮?同時(shí)向價(jià)帶提供空穴,由于在晶格勢(shì)場(chǎng)中引入微擾,使能帶極值附近出現(xiàn)分立的能級(jí)——,ⅲ,施主雜質(zhì)的電離能和軌道半徑可以表示為: ，受主雜質(zhì)的電離能可以表示為:式中,為氫原子的基態(tài)電離能。,通常稱為雜質(zhì)補(bǔ)償.雜質(zhì)補(bǔ)償ⅲ,ⅴ:金au在硅中電離后產(chǎn)生兩個(gè)能級(jí),深能級(jí)雜質(zhì)和晶體缺陷形成的能級(jí)一般作為復(fù)合中心.◆課程難點(diǎn):用類氫模型計(jì)算淺能級(jí)雜質(zhì)的電離能。解釋金在鍺中產(chǎn)生多重能級(jí)的原因:金是ⅰ族元素,中性金原子(記為)只有一個(gè)價(jià)電子,中性金原子的這一個(gè)價(jià)電子,可以電離而躍遷入導(dǎo)帶,這一施主能級(jí)為,因此,電離能為().因?yàn)榻鸬倪@個(gè)價(jià)電子被共價(jià)鍵所束縛,電離能很大,略小于鍺的禁帶寬度,所以,另一方面,中性金原子還可以和周圍的四個(gè)鍺原子形成共價(jià)鍵,在形成共價(jià)鍵時(shí),它可以從價(jià)帶接受三個(gè)電子,形成，,相應(yīng)的受主能級(jí)為,其電離能為().接受第二個(gè)電子后,變?yōu)?相應(yīng)的受主能級(jí)為,其電離能為().接受第三個(gè)電子后,變?yōu)?相應(yīng)的受主能級(jí)為,其電離能為().上述的，分別表示成為帶一個(gè),兩個(gè),金從價(jià)帶接受第二個(gè)電子所需要的電離能比接受第一個(gè)電子時(shí)的大,接受第三個(gè)電子時(shí)的電離能又比接受第二個(gè)電子時(shí)的大,所以,.離價(jià)帶頂相對(duì)近一些,但是比ⅲ族雜質(zhì)引入的淺能級(jí)還是深得多,更深,，五種荷電狀態(tài),相應(yīng)地存在著，,四個(gè)孤立能級(jí),也可以用來說明其它一些在硅,鍺中形成深能級(jí)的雜質(zhì),基本上與實(shí)驗(yàn)情況相一致.◆基本概念: 施主雜質(zhì)(n型雜質(zhì)):雜質(zhì)電離后能夠施放電子而產(chǎn)生自由電子并形成正電中心的雜質(zhì)——:雜質(zhì)價(jià)電子掙脫雜質(zhì)原子的束縛成為自由電子所需要的能量——雜質(zhì)電離能,:施主電離后的正離子——正電中心施主能級(jí)::能夠向(晶體)半導(dǎo)體提供空穴并形成負(fù)電中心底雜質(zhì)——受主雜質(zhì) 受主雜質(zhì)電離能:::,是指施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底,摻雜濃度不很高底情況下,(p),銻()在硅,鍺中是淺受主雜質(zhì),三價(jià)元素硼(b),鋁(),鎵(),銦()在硅,:半導(dǎo)體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí),它們底共同作用會(huì)使載流子減少,:若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差不大或二者相等,則不能提供電子或空穴,實(shí)際上含雜質(zhì)很多,性能很差,:雜質(zhì)電離能大,施主能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底,:一是不容易電離,對(duì)載流子濃度影響不大。二是一般會(huì)產(chǎn)生多重