电子信息物理学1

1、第一章绪论第一章绪论一、信息一、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：信息技术：信息的产生、转换、处理、传输、探测、 显示、存储信息产业信息产业：主要是3c(communication，computer， control)社会发展社会发展 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

2、（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v光子：基本粒子之一光子：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0v电子与光子的响应速度电子与光子的响应速度 电子

3、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电子在固体中的形态与运动方式金属：金属：价电子在（

4、晶格）孔隙中自由运动半导体：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：超导体：超导态电子无晶格散射、零电阻运动磁体：磁体：电子的旋转电介质（绝缘体）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

5、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固体类型固体类型固体固体n无定形无定形：原子排列在数个原子尺度内有序n多晶多晶：多晶体在许多个原子范围内短程有序n单晶体单晶体：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空间点阵空间点阵一、晶格、原包、元包一、晶格、原包、元包结构单元：结构单元：原子、离子、分子

6、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

7、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）：p3b轴截距（交点）：q2c轴截距（交点）：s11/p:1/q:1/s=1/3:1/2:1/1=2:3:6=h:k:l密勒指数（236）p1，q ，s1/1 :1/:1/ = 1:0 :0 密勒指数（100）p1，q1 ，s11/1 :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、晶面间距四、晶面间距晶面间距：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

8、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 cm5.66 * 1014 原子/ cm2六、方向指数六、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

9、方向指数表示为u:v:w例如简单立方：(01):(01): (01)1:1:11:1:11.3金刚石结构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）v金刚石结构的特点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

10、（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原子键原子键原子原子：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v原子间相互作用描述方法原子间相互作用描述方法严格分析严格分析：量子力学定性分析定性分析：价电子或者最外层电子特性一、离子键一、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

11、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naclna: z=11, 1s22s22p63s1na+: 1s22s22p6 (na+电子组态同ne， z=10，处于能量较低的稳定状态)cl: z=17, 1s22s22p63s22p5cl : 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

12、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金属键与离子键的差异正离子自由电子金属键：金属键：正离子负离子离子键：离子键：金属键与共价键的差异金属键与共价键的差异金属键：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：共价键： 共价电子仅仅属于相应的固定原子对四、范德瓦斯（四、范德瓦斯（van der waals）键）键弱键弱键（键能较

13、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：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：一、点缺陷：热缺陷、杂质缺陷、色心热缺陷热缺陷夫伦克耳肖特基缺陷：热