半导体物理 吉林大学 半物第一章

半导体物理学SemiconductorPhysics----------TheSpiritofHonest张宝林教授[e-mail]致谢PPTby张教授李贤斌[e-mail]203《半导体物理学》是面向电子科学与技术方向微电子技术、集成电路与集成系统、微电子学、光电子学、材料学以及相关专业本科生所开设的一门专业基础课，是专业核心课程之一。开设目的：揭示半导体主要性质，探讨半导体材料在热平衡态和非平衡态下所发生的物理过程、规律以及相关应用，并通过实验加深对半导体物理理论的理解，掌握半导体的测量技术和基本原理，以适应后续专业课程的学习和将来工作的需要。CMOS-ICp-SemiconductorLEDDifferentBandGapSolarCellSilicon1stGenerationsince19822ndGenerationsince19953rdGenerationsince2002Matsushita,Sony,NEC,Ricoh……MemoryM.Wuttig&N.Yamada,“PhaseChangeMaterialforrewritabledatastorage”,Nat.Mater.(2007).Device=SemiconductorPCMePCMoPCMMemoryNarrowGap:HgCdTe,InSb,InAs,IRDetectorLASERAl-Ga-In-P(红)In-Ga-N(蓝)OpticalFiberCommunication选用教材：半导体物理学，孟宪章，康昌鹤，（吉林大学校内讲义）主要参考书目：1、刘恩科，朱秉升，罗晋生等，半导体物理学，国防工业出版社。2、叶良修，半导体物理学（上、下册），上海科学技术出版社，1984。3、黄昆，谢希德，半导体物理学，科学出版社，1958。4、S.M.Sze(施敏),PhysicsofSemiconductorDevices,2nd,Wiley,1981.5、DonaldA.Meamen,半导体物理与器件-基本原理（第三版）（英文版），清华大学出版社，2003。以及教材所列出的其他参考书目。本课内容安排：第一章晶体结构：预备知识，简单介绍第二章晶格振动：预备知识，自学第三章半导体中的电子状态：重点中的重点第四章电子和空穴的统计分布：重点第五章电荷输运现象：重点第六章半导体中的热效应：非重点第七章非平衡载流子：重点第八章半导体的接触现象：部分讲授，重点第九章半导体表面：部分讲授第十章半导体的光学性质：重点课程之骨：课件内容要求与期望1.重在理解；2.作业重要；3.鼓励提问；“(1)Persistence.Anythingyoudo,bigorsmall,getitconcluded.(2)Carefulness.(3)Outgoingandnevershyofspeakingout.Ibetifyoulookaround,mostgreatscientistsarealsogreatspeakers.”------ShengbaiZhang学习捷径AskWhy?第一章晶体结构•固体分为晶体和非晶体。•非晶体也称为玻璃态物质或无定型固体，非晶体中原子的排列是短程有序的。(参看第十三章非晶态半导体)•晶体中的原子排列是长程有序的。第一章的学习内容§1.1晶体内部结构的周期性§1.3倒格子§1.1晶体内部结构的周期性晶体中的原子是按照一定规则排列的，形成一个有序结构。图1.1(a)表示ABCD的基本单位。如果它的基矢为a,b时，则可用平移矢量R表示所有点的位置，即：在三维情况下，平移矢量为R又称为格矢)1.1(q,p(bqapR为整数）)2.1(s,q,p(csbqapR为整数）晶格：由平移矢量R形成的有规则排列的空间点阵;格点：以R指定的点，称为格点；即空间（一维或多维）点阵中的点（结点）。晶胞：图1.1(a)中，以a，b定义的ABCD区域称为晶胞；原胞：只含有一个格点的晶胞称为原胞；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，基矢的大小为晶格常数。格矢：平移矢量R。晶胞的选择方法，在某种程度上是任意的。根据晶胞的平移操作，就可以填满整个晶格空间，即，在晶格中的格点是周期性排列的，所以说晶体内部结构具有周期性。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，即原胞在晶体学中，由对称性选取最小的重复单元，即晶胞（单胞）。原胞和晶胞都是用来描述晶体中晶格周期性的最小重复单元，但二者有所不同。在固体物理学中，原胞只强调晶格的周期性；而在结晶学中，晶胞还要强调晶格中原子分布的对称性。SimpleCubicFaceCenterCubic晶胞与原胞关系对比§1.3倒格子（VIP）正格子：实空间中，晶体中的原子排列成的晶格点阵，称为正格子。倒格子：为了方便描述、讨论晶体中传播的晶格振动或电子的运动及其状态等，引入的一个与正格子相关联的空间关系。描述倒格子所存在的空间也称为倒空间或k空间。(为后面讨论波矢量k做准备)。假设倒格子的基矢为,它们与正格子基矢的关系为：(1.3)或写为：其中：(1.4)0ababababab2ababab1312323121332211)3,2,1j,i(2abijji321b,b,b321a,a,a321213321132321321222aaaaabaaaaabaaaaabV=a·(b×c)方向：右手定则模量：面积大小叉乘由上述的三个基矢b1,b2,b3平移而形成的晶格称为倒格子。当倒格子中的任意格点作为原点时，从原点到其他倒格子点之间的矢量称为倒格矢。用Kn表示，则相应的晶格矢Rm可表示为：通常用a1,a2,a3表示正格子原胞的三个基矢，而用a,b,c表示晶胞的三个基矢。)n,n,n(bnbnbnK321332211n为任意整数)m,m,m(amamamR321332211m为任意整数倒格矢Kn和晶格矢Rm之间有如下关系：)7.1(1)RKiexp()6.1()(2)mnmnmn(2RKmn332211mn整数思考题：推演面心立方格子对应的三个倒空间基矢量。第二章（晶格振动）格波、声子、光学支、声学支、横模、纵模…（自学）