《半导体物理》讲义

1晶体结构晶格§1晶格相关的基本概念1.晶体：原子周期排列，有周期性的物质。2.晶体结构：原子排列的具体形式。3.晶格：典型单元重复排列构成晶格。4.晶胞：重复性的周期单元。5.晶体学晶胞：反映晶格对称性质的最小单元。6.晶格常数：晶体学晶胞各个边的实际长度。7.简单晶格&复式晶格：原胞中包含一个原子的为简单晶格，两个或者两个以上的称为复式晶格。8.布拉伐格子：体现晶体周期性的格子称为布拉伐格子。（布拉伐格子的每个格点对应一个原胞，简单晶格的晶格本身和布拉伐格子完全相同；复式晶格每种等价原子都构成和布拉伐格子相同的格子。）9.基失：以原胞共顶点三个边做成三个矢量，α1，α2，α3，并以其中一个格点为原点，则布拉伐格子的格点可以表示为αL=L1α1+L2α2+L3α3。把α1，α2，α3称为基矢。10.平移对称性：整个晶体按9中定义的矢量αL平移，晶格与自身重合，这种特性称为平移对称性。（在晶体中，一般的物理量都具有平移对称性）11.晶向&晶向指数：参考教材。（要理解）12.晶面&晶面指数：参考教材。（要理解）立方晶系中，若晶向指数和晶面指数相同则互相垂直。§2金刚石结构，类金刚石结构（闪锌矿结构）金刚石结构：金刚石结构是一种由相同原子构成的复式晶格，它是由两个面心立方晶格沿立方对称晶胞的体对角线错开1/4长度套构而成。常见的半导体中Ge，Si，α-Sn（灰锡）都属于这种晶格。金刚石结构的特点：每个原子都有四个最邻近原子，它们总是处在一个正四面体的顶点上。（每个原子所具有的最邻近原子的数目称为配位数）每两个邻近原子都沿一个1,1,1,方向，处于四面体顶点的两个原子连线沿一个1,1,0方向，四面体不共顶点两个棱中点连线沿一个1,0,0,方向。2金刚石结构的密排面：{1，1，1}晶面的原子都按六方形的方式排列。每两层{1，1，1}原子层完全相同，ABCABC……在这种结构中，关于任何两个相邻原子连线中点具有反演对称性。类金刚石结构：GaAs，InSb，GaP等化合物晶体的晶格是由两种不同原子组成的面心立方晶格套构而成的，称为类金刚石结构或闪锌矿结构，显然闪锌矿不再具有反演中心。§3共价结合§3.1晶体结合的四种基本方式1.离子结合：原子间交换电子，形成正负离子，之间相互库仑作用结合成固体。2.共价结合：相邻原子共用电子对形成共价键。（半导体中晶体普遍是共价结合，因此本节重点是共价结合。）3.金属结合：价电子共有化形成负电子云，正离子浸泡在电子云中。4.范德瓦尔结合：发生在饱和电子结构中，相互作用靠很弱的瞬时偶极矩。§3.2成键态与反键态(以H2为例)A，B两原子相互靠近形成分子，两个价电子为A，B共有。成键态：ψ=C(ψA+ψB)反键态：ψ=C’(ψA-ψB)其中C和C’为归一常数ψAψB四面体结构示意图3成键态电子云集中在两原子核之间，同时受到两个原子核的库仑吸引作用，库仑能下降，故形成共价键。反键态使能量升高△1，成键态能量下降△2且有△1△2，只有未成对电子才能形成共价键。§3.3SP3杂化（以Si为例）Si的原子组态为：(1S)2(2S)2(2P)6(3S)2(3P)2稳定电子价电子由Si原子组态可知，若不改组的话只能形成2个共价键，但实际上有4个共价键，成四面体，这是因为发生了SP3杂化的缘故。即价电子的组态发生了如下改组：(3S)2(3P)2→(3S1)(3Px)(3Py)(3Pz)组成了新的4个轨道态，实际上四个共价键是以S态和P态波函数线形组合为基础的，这样使得系统能量最低。杂化的好处：①成键数增多，四个杂化态上全部是未成对电子。②成键能力增强，电子云集中在四面体方向，电子重叠大，使能量下降更多，抵消杂化的能量，使总能量减小。§4晶格缺陷晶格缺陷分3类：点缺陷：间隙原子和空位。线缺陷：位错。面缺陷：层错。点缺陷的类型：弗兰克尔缺陷：原子热运动，少量原子离开格点位置进入间隙形成空位间隙原子对。肖特基缺陷：单一空位的缺陷。反肖特基缺陷：单一缺陷原子的缺陷。ε0反键态成键态△1△24第一章半导体中的电子状态§1半导体基本能带§1.1布洛赫波在晶体的周期场中，电子波函数的形式为ψk(r)=eikrμk(r)，其中μk(r)=μk(r+αL)其中k称为简约波束，有波束的量纲，但要在一简约范围内取值。k与动量类似，在跃迁过程中守衡，且有外Fdtdk，故称为准动量。在晶体中k取值在一定范围内，这范围称为简约布里渊区，下面以一维为例加以证明。设晶格周期为α∵μk(x)=μk(x+nα)∴ψk(x+α)=eikα·eikx·μk(x+nα)=eikα[eikx·μk(x)]=eikαψk(x)其中eikα表示相邻原胞之间波函数位相差，因此-π≤kα≤π，三维情形，α1，α2，α3三个基矢有ψk(r+αn)=eikαnψk(r)，其中n=1，2，3。定义矢量b1，b2，b3分别等于321213321132321321222αααααbαααααbαααααb则有αibj=2πδij（δij函数表示，当i=j时为1，不等为0）故称b1，b2，b3为倒矢量，以b1，b2，b3为基矢组成晶格，称为倒格子。这样定义下有倒格子原胞的体积于原晶格原胞的体积相乘之积为常数(2π)3用Kn=n1b1+n2b2+n3b3表示倒格矢，则k和k+Kn表示相同状态。因此简约布里渊区也称作不相差任何倒矢量，位相变化单值完备的区域。对于金刚石结构的面心立方晶格，倒格子为体心立方，通常取倒格子中k=0原点做次近邻，近邻中垂面围成的区域，它称为维格纳—塞兹原胞。§1.2周期性边界条件由于实际晶体包含的原子是有限的，故每个能带所包含的状态数是有限的，又由于边界条件的差异对大块晶体性质并无本质影响，故引入周期性边界条件来计算k空间的取值密度。一维：设一维晶格总长度L=Nα（N为包含原胞总数）5周期性边界条件为：ψk(0)=ψk(L)=ψk(Nα)ψk(0)=μk(0)ψk(Nα)=eikNαμk(Nα)=eikNαμk(0)所以得到eikNα=1故有kNα=2nπ(n为整数)因此k的可取值为k=（2nπ）/Nα,取值密度gk=Nα/2π=L/2π对一维，简约布里渊区长度为2π/α，因此布里渊区内包含的状态数为（2π/α）·（L/2π）=L/α=N正好等于原胞数N所以k空间的取值密度也可以用原胞总数除以布里渊区长度来计算（对于二维则除以布里渊区面积，三维除以布里渊区体积）三维：对于三维可以类似地求得k空间的状态密度gk=(N1α1·N2α2·N3α3)/(2π)3（N1，N2，N3表示三个维度上的原胞数）显然，用倒格子原胞的体积(2π)3/Ω乘以k空间的密度gk得到k空间的状态数为N1·N2·N3，仍等于晶体所包含的原胞总数。*注：上面公式中Ω表示实际晶体原胞体积，有Ω=α1·α2·α3§2电子准经典运动§2.1电子准经典运动的两个基本公式①外FPkdtddtd②1V▽kE(k)§2.2加速度和有效质量三维：)()(1))(1(2kkkkkVEFEddddtt写成张量形式：222222222222211,)1(zyzxzzyyxyzxyxxtEEEEEEEEEmmddkkkkkkkkkkkkkkkFV其中1/m可对角化，因此可以写成mddtVF6222222222*000000zyxEEEmkkk称为有效质量张量对于能带底（Ek最小处）00kkE设k0=0在k=0处泰勒展开有：)(2)(21*2*2*2202222222220zzyyxxzzyyxxmmmEEEEEEkkkkkkkkkkkk∵最小值处0022kkE∴mx，my，mz均为正值，在满足上面抛物线性关系的能量范围内，有效质量各个分量可以看作常数，对立方对称性晶体mx=my=mz=m，可以写成：mEE2)()(220kkk同理对于能带顶有：mEE2)()(220kkk，此时m为负值。§3导带的电子和空穴§3.1基本原理1.满带中电子不导电，未填满能带在有外加场时产生电流。2.绝缘体和半导体只有一系列满带和一系列空带，不存在半满带，最上面的满带叫价带，最下面的空带叫导带。导带底与价带顶之间的能量间隙称为禁带(也叫能隙)，禁带宽度用Eg表示。可以用两条线代表导带底，和价带顶；能量值分别用EC和EV表示。带底的m为正值，故开口向上带顶的m为负值，故开口向下|m|大小决定曲线的弯曲程度，以左图为例可知，上面的曲线开口较小故|m|相应较小，而下面曲线的|m|较大E-k曲线导带底EC价带顶EV73.绝缘体，半导体和金属：Eg在1ev附近的称为半导体，热激发时满带不满，空带不空，有一定的导电性；Eg大于10ev的称为绝缘体，电子很少激发，因而几乎不导电，而金属中则存在半满带，因此具有良好的导电性能。4.近满带的空穴：假想的粒子，等价于2N-1个电子的总体运动。设空穴处有电子的时候，因为满带电流为0，有J(k)+(-e)V(k)=0其中J(k)表示2N-1个电子的总电流推出2N-1个电子的总电流J(k)=eV(k)说明2N-1个电子的总电流等效于带正电，速度为V(k)的粒子又因为*e*ee*2mmddmddttEEFkJv故而由于空穴出现在价带顶，m*0,故引入空穴有效质量mh*=|m*|为正，综上，把空穴等价成一个正电荷，正有效质量的粒子。§3.2常见半导体的能带结构，直接禁带与间接禁带半导体1.对于半导体材料来说，E(k)函数的不同决定了其许多重要物理性质的不同，E(k)函数一般有两种表示法：E-k图：由于是四维图像，无法直接画出，故选等价对称方向，做出E-k曲线。等能面：Ek=常数，k空间的曲面。2.直接禁带半导体和间接禁带半导体：对于半导体来说，我们最关心的是导带底和价带顶的性质，光照激发价带电子到导带形成电子空穴对，所吸收光子的要大于Eg，这被称作光吸收。有两种情况。价带顶和导带底有相同的k，（如图甲）此时可以吸收光子跃迁，电子能量差等于光子等量，忽略光子的动量，近似有跃迁前后的k相同，近似为竖直跃迁。这类半导体称为直接禁带半导体，常见的半导体中InSb，GaAs，InP等都属于直接禁带半导体。常用来做光学器件。价带顶和导带底不在相同的k，（如图乙）此时电子吸收光子跃迁要伴随着吸收一个声子，由光子提供能量变化，声子提供准动量变化，电子能量差=光子能量±声子能量，忽略声子能量近似有电子能量变化等于光子能量。而忽略光子动量，则有准动量变化等于声子准动量。此时跃迁不再是竖直跃迁。这类半导体称为间接禁带半导体，常见半导体中Ge，Si等都属于间接禁带半导体。由于跃迁需要光子，声子二维作用，所以跃迁几率大大减小，复合几率小，因此常用来做电子器件。3.轻重空穴带：Ge，Si中的价带结构比较复杂，由四个带组成，价带顶附近有三个带，EE导带底导带底kk价带顶价带顶图甲图乙8两个最高的带在k=0处简并，分别对应重空穴带和轻空穴带。（曲率大者为轻空穴带）4.导带底附近的等能面：Si中导带底附近的等能面：导带底1,0,0方向，位于（kx0，0，0）点，等能面是旋转椭球，共有6个等能面。Ge中导带附近等能面1,1,1的端点，旋转椭球，共有4个旋转椭球（8个半球）。价带的有效质量各向异性，等能面不是椭球。§4杂质能级1.施主：能向晶体提供电子，同时自身成为带正电的离子的杂质称为施主杂质。2.浅能级施主杂质：一般是V族元素，比Si多一个价电子，原子实多一个正电荷，当电子束缚于施主中心时，其能量低于导带底能量，能级在禁带之中，与导带之差（称为电离能）Ei≈(1/100)ev(在Si中)。杂质能级很接近导