《电子信息物理学》PPT课件.ppt

第一章绪论,一、信息,客观事物,状态的表露,随时间变化的反应,信息,依附于物质,认识客事物的中介物,信息技术：信息的产生、转换、处理、传输、探测、 显示、存储 信息产业：主要是3C(Communication，Computer， Control),社会发展,政治：原始社会,奴隶社会,技术：农业社会,工业社会,信息社会,主导经济：农业经济,工业经济,知识经济,信息高速公路：提供产生、传输与享用信息的快速通道,使人们,在任何时间、任何地点，可以通过声音、图像、数据、文表等方式相互传递信息,二、电子,基本粒子之一（电子、原子、中子、超子、介 子、无质量的粒子（光子、中微子等）。 原子的重要组成部分 基本电荷(1.60219*10-19C ) 自由电子静止质量(9.10956*10-31kg ) 电子学：研究电子运动规律及其应用的学科,电子在原子中的状态 电子在物体中的状态 电子与场的相互作用 电子与粒子间的相互作用,许多电子学,低频 高频 微波 光 纳米 信息,电子学,三、信息电子学,信息与电子是密不可分的，电子和光子是信息的主要载体,光子：基本粒子之一 真空中光子速度c=2.998*108m/s 光子的能量h 光子的动量h /c=h/ 真空中光子的运动质量hv/c2 光子的静止质量0 电子与光子的响应速度 电子响应速度：10-9s 左右 光子的响应速度： 10-12 10-15s,信息电子学属于“弱电”范畴,主要材料,固体,半导体材料、光学材料、超导材料、磁性材料、电介质材料、 ,电子材料,材料、器件与物理的发展是相互交叉、相互渗透、相互促进的,四、信息电子学物理基础,固态电子学,信息电子器件、技术与工程,桥梁,信息电子学物理基础,理论基础 （生长土壤）,应用领域 （阳光雨露）,载流子的运动规律、 固体基本物理过程、 物理现象、物理性质,电、磁、声、光、热等效应及其相关的半导体、光电子、电介质、磁性、超导、纳米器件、技术、系统与工程,1. 电子在固体中的形态与运动方式,金属：价电子在（晶格）孔隙中自由运动 半导体：载流子（导带电子与价带空穴）的激发与 复合的迁移运动 超导体：超导态电子无晶格散射、零电阻运动 磁体：电子的旋转 电介质（绝缘体）：正负电荷的相对位移,2.外界因素（场或粒子等）与电子的相互作用与影响,压电、热电、磁电、铁电、电光、磁光、声光、弹光、热光、声光电等物理效应,提供,反映客观物体的信息,对材料,通过信息进行各种处理,第一章固体的晶体结构简介,本书涉及到的信息电子固体器件，均与构制器件的固体材料所具有的电学性质、磁学性质、介电性质、光学性质相关。 信息电子器件所用的固体材料，一般是单晶材料。单晶材料的光、电、磁学等性质不仅由化学组分，而且由固体中原子排列决定。因此有必要了解固体的晶体结构知识。,固体材料,电子学特性 电介质特性 超导体特性,光学特性 磁学特性 力学特性,信息电子固体器件,固体材料,化学组成 （结构基元）,原子排列 （空间点阵）,信息电子固体器件特性,晶体结构,1.1固体类型,固体,无定形：原子排列在数个原子尺度内有序,多晶：多晶体在许多个原子范围内短程有序 单晶体：理想化的单晶体，在整个材料的 空间内应具有长程有序,各向同性,各向异性,三类晶体的二维示意图,1.2空间点阵,一、晶格、原包、元包,结构单元：原子、离子、分子或者络合离子,空间点阵,结构单元,晶体结构,单晶的二维点阵,任意四个不在同一平面上的相邻的阵点（格点）,三个方向的基矢a，b，c,一个平行六面体,晶体的元包,广义主元包,单晶二维点阵的几种元包,原包：最小的元包 晶格中的任意格点的位置矢量：,二、基本的晶体结构,晶体结构,低级晶族,三斜 单斜 斜方,中级晶族,正方 三方 六方,高级晶族 立方,晶系,32晶类,立方晶系共有3种晶类： 简单立方、体心立方、面心立方,（a）简单立方 （b）体心立方 （c）面心立方,晶面和密勒指数,规定晶体不同晶面的方法：密勒（W.H.Miller）指数,选定坐标系：原点与方向基矢a，b，c,需规定的晶面与坐标轴相交,截距（交点）：p，q，s,截距取倒数，并乘以适当系数,简单互质整数之比： h：k：l,该晶面的密勒指数（hkl）,a轴截距（交点）：p3 b轴截距（交点）：q2 c轴截距（交点）：s1,1/p:1/q:1/s= 1/3:1/2:1/1= 2:3:6=h:k:l,密勒指数（236）,p1，q ，s 1/1 :1/:1/ = 1:0 :0 密勒指数（100）,p1，q1 ，s1 1/1 :1/ 1:1/1 = 1:1:1 密勒指数（111）,p1，q1 ，s 1/1 :1/ 1:1/ = 1:1:0 密勒指数（110）,（a）（100）面,（b）（110）面,（c）（111）面,四、晶面间距 晶面间距：相邻平行晶面之间的距离 晶面间距是晶面的重要参数之一,晶面间距,相邻平行晶面原子之间作用力,解理该平面更容易,简单立方 晶格常数a1 （100）晶面间距：a1 （110）晶面间距：a1 （111）晶面间距：a1,五、晶面的原子表面密度,体心立方（110）晶面: 面积：a1*20.5 *a1 20.5 a12 原子数：14 *1/4=2,原子表面密度：2/ 20.5 a12 = 20.5 / a12 =,a1=5 * 10-8 cm,5.66 * 1014 原子/ cm2,六、方向指数,晶格中任意格点的位置矢量：,格点直线的方向指数：直线上任意两格点坐标相减之比,化为三个互质的整数比即为此直线方向的方向指数u : v : w。且方向指数表示为u:v:w,例如简单立方：,(01):(01): (01),1:1:1,1:1:1,1.3金刚石结构,金刚石结构的元包,金刚石结构 金刚石 硅（Si） 锗（Ge）,金刚石结构的特点 结构单元：碳（C）原子 结构：每个碳原子周围都有四个碳 原子形成正四面体结构,近邻原子之间的距离（键长） 相等： 30.5 a/4 近邻原子连线之间的夹角（键角）相等,体心立方结构 交替去掉四个顶角原子,正四面体点阵结构,正四面体点阵结构,（a）金刚石点阵的底半部份 （b）金刚石点阵的底半部份,这种结构也可以看作是边长为a立方体的一个晶包：八个原子位于八个顶角上，六个原子位于六个面中心上，晶包内部有四个原子,砷化镓（GaAs）结构： 每个镓原子周围都有四个最近邻的砷原子 每个砷原子周围都有四个最近邻的镓原子,闪锌矿结构： 与金刚石结构相似 只是由两种不同的原子组成,1.4原子键,原子：正电原子核,负电绕核运动的电子,原子键：原子间相互作用的表现 核外电子：在晶体结构基元键合时起到重要作用 处于热平衡系统，其总能量总是趋于最小值,原子间相互作用描述方法,严格分析：量子力学 定性分析：价电子或者最外层电子特性,一、离子键,电离能极小的金属原子 （如碱金属合碱土金属）,电子亲和势很大的非金属原子 （如卤族和氧族）,失去电子,获得电子,相互靠近,正离子,负离子,电子组态结构与上周期的惰性气体的原子相同,电子组态结构与上周期的惰性气体的原子相同,离子相吸 电子云相斥,离子键 NaCl,Na: Z=11, 1S22S22P63S1 Na+: 1S22S22P6 (Na+电子组态同Ne， Z=10，处于能量较低的稳定状态),Cl: Z=17, 1S22S22P63S22P5 Cl : 1S22S22P63S22P6 (Cl 电子组态同Ar， Z=18，处于能量较低的稳定状态),二、共价键,同种原子或者电负性相差很小的原子,相互接近,电子云重叠,自旋方向相反的成单电子结合,共价键,氢的共价键,氢的共价键的特点：氢分子形成后无多余的电子形成其他共价键 而硅共价键的特点为：,硅原子与另一硅原子形成一对共价键后，还有三个电子多余，可以与另外三个硅原子形成共价键,四面体结构,金刚石点阵,硅晶体理论上可以不断生长变大,无限大硅晶体,硅的共价键,三、金属键,所有的金属原子都倾向于失去电子,正离子,释放电子,具有很大的活动范围,游离于正离子之间,自由电子气,将全部正离子“胶合”在一起,金属键,金属键与离子键的差异,正离子,自由电子,金属键：,正离子,负离子,离子键：,金属键与共价键的差异,金属键：自由电子属于整个晶体中的所有原子 （只在某瞬间围绕某原子运动） 共价键： 共价电子仅仅属于相应的固定原子对,四、范德瓦斯（Van der Waals）键,弱键（键能较小）：比金属键、离子键、共价键 小12个数量级,键的形成,极性分子的取向力 极性分子与非极性分子的诱导力 非极性分子的瞬间（极化）色散力,范德瓦斯是气体分子能够凝聚为液体和固体的主要原因,1.5固体中的缺陷和杂质,一个理想的单晶结构,在一个实际晶体中，晶格并非完美的，而是包含许多缺陷的，完美的几何周期性在一定程度上以多种形式受到破坏。 因为缺陷会改变材料的电学性质，在有些情形中，电学参量将由这些缺陷或杂质所左右。,晶体的缺陷：结构单元的点阵排列偏离严格周期的现象 空间延伸线度：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷 一、点缺陷：热缺陷、杂质缺陷、色心,热