第一章-半导体的物质结构和能带结构

第一章半导体的物质结构和能带结构1、参照元素周期表的格式列出可直接构成或作为化合物组元构成半导体的各主要元素，并按共价键由强到弱的顺序写出两种元素半导体和八种化合物半导体，并熟记之。IBIIBIIIAIVAVAVIAVII12BCNO3AlSiPS4CuZnGaGeAsSe5AgCdInSnSbTe6HgPb共价键由强到弱的两种元素半导体，例如：Si，Ge共价键由强到弱的八种化合物半导体：例如：SiC，BN，AlN，GaN，GaAs，ZnS，CdS，HgS2、何谓同质异晶型？举出4种有同质异晶型的半导体，并列举其至少两种异晶型体的名称和双原子层的堆垛顺序。答：化学组成完全相同的不同晶体结构称为同质异晶型。SiC，其多种同质异型体中，3C-SiC为立方结构的闪锌矿型晶格结构，其碳硅双原子层的堆垛顺序为ABCABC×××；而2H-SiC为六方结构的纤锌矿型晶格结构，其碳硅双原子层的堆垛顺序为ABAB×××；4H-SiC为立方与六方相混合的晶格结构，其碳硅双原子层的堆垛顺序为ABACABAC×××GaN，有闪锌矿结构和纤锌矿结构两种同质异型体，闪锌矿结构的Ga-N双原子层的堆垛顺序为ABCABC×××；而纤锌矿结构的Ga-N双原子层的堆垛顺序为ABAB×××；ZnS，有闪锌矿结构和纤锌矿结构两种同质异型体，闪锌矿结构的Zn-S双原子层堆垛顺序为ABCABC×××；而纤锌矿结构的Zn-S双原子层堆垛顺序为ABAB×××；ZnSe，有闪锌矿结构和纤锌矿结构两种同质异型体，闪锌矿结构的Zn-Se双原子层堆垛顺序为ABCABC×××；而纤锌矿结构的Zn-Se双原子层堆垛顺序为ABAB×××；3、室温下自由电子的热速度大约是105m/s，试求其德布洛意波长。解：该自由电子的动量为：由德布洛意关系，可知其德布洛意波长对波矢为k的作一维运动的电子，试证明其速度解：能量E和动量P波频率和波矢k之间的关系分别是：；P=k根据能量和动量的经典关系：由以上两个公式可得：对这个结论求导可得：，进一步得：根据动量的关系：可得：5、对导带底电子，试证明其平均速度和受到外力f作用时的加速度可分别表示为和解：将E（k）在k=0出按泰勒级数展开取至k2项，得到因为，k=0时能量取极小值，所以，因而令代入上式得根据量子力学概念，波包中心的运动速度为式中，k为对应的波矢。由波粒二象性，角频率为的波，其离子的能量为，代入上式，得到半导体中电子的速度与能量的关系为根据式求导得代入上式得当有场强为ε的外电场时，电子受到f=-qε的力，电子有一段位移ds外力对电子做的又因为一个金刚石晶胞中有8个原子。因此可得：占空比==34.01%因为金刚石晶体的原子占空比只有34.01%，还有近2/3的空隙，这就说明半导体中可以存在填隙式掺杂。半导体中还有另一种掺杂方式即替位式掺杂。硅杂质浓度（cm-硅杂质浓度（cm-3）电子密度（cm-3）答：由于III－V族化合物半导体的两种构成元素的价电子数分别为3和5，因而价电子数为4的IV族杂质占据III族原子位置时多余一个电子而具有施主行为，占据V族原子位置时则欠缺一个电子而具有受主行为。以硅为例，当Si替代Ga原子时起施主作用，替代As原子时起受主作用。图中之所以出现非线性关系，是因为双性掺杂行为导致的。当硅杂质充当施主杂质时，会施舍一个电子从而使电子密度增加，而当硅杂质充当受主杂质时，会接受一个电子，从而使电子密度降低。由于硅杂质是充当施主杂质还是受主杂质不确定，因此硅杂质可能会施舍电子，也可能接受电子，这样就会呈现砷化镓中电子密度与硅杂质浓度的非线性关系。11、InSb的相对介电常数r=17，电子有效质量mn*=0.015m0（m0为电子惯性质量）求①施主杂质电离能；②施主的弱束缚电子基态轨道半径。解：①利用氢原子基态电子的电离能eV可将计算浅施主杂质电离能的类氢模型表示为带入InSb的相关数据mn*=0.015m0和r=17，即得②利用氢原子基态电子的轨道半径可将浅施主杂质弱束缚电子的基态轨道半径表示为12、GaN中常见杂质及缺陷的电离能如下表所示。详阅此表并回答后列各问题。杂质或空位SiCMgZnHgCdBeLiGaVNVGa电离能(eV)施主0.012－0.020.11－0.140.26,0.600.03,0.10受主0.190.890.14－0.120.21－0.340.410.550.70.750.59－1.090.141）表中哪些杂质属于双性杂质？2）表中还有哪些杂质可能跟这些杂质一样起双重作用，未发现其双重作用的可能原因是什么？3）Mg在GaN中起施主作用的电离能为什么比Si、C施主的电离能大，且有两个不同值？4）Ga取N位属何种缺陷，有可能产生几条何种能级，其他能级观察不到的可能原因是什么？5）试针对此表再提出两个问题并解答之。答：1）按表中所列，Si、C、Mg皆既为施主亦为受主，因而是双性杂质。2）既然II族元素Mg在N位时能以不同电离能0.26eV和0.6eV先后释放其两个价电子，那么表中与Mg同属II族元素的Be、Zn、Cd、Hg似也有可能具有类似能力，I族元素Li更有可能在N位上释放其唯一的外层电子而起施主作用。现未发现这些杂质的施主能级，原因可能是这些元素释放一个电子的电离能过大，相应的能级已进入价带之中。3）Mg在GaN中起施主作用时占据的是N位，因其外层电子数2比被其置换的N原子少很多，因此它有可能释放其它价电子，但这些电子已为它与最近邻Ga原子所共有，所受之约束比Si、C原子取代Ga原子后多余的一个电子所受之约束大得多，因此其电离能较大。当其释放了第一个电子之后就成为带正电的Mg离子，其第二个价电子不仅受共价环境的约束，还受Mg离子的约束，其电离能更大，因此Mg代N位产生两条深施主能级。4）Ga取N位属反位缺陷，因比其替代的N原子少两个电子，所以有可能产生两条受主能级，目前只观察到一条范围在价带顶以上0.59eV1.09eV的受主能级，另一能级观察不到的原因可能是其二重电离（接受第二个共价电子）的电离能太大，相应的能级已进入导带之中。（不过，表中所列数据变化范围太大，不合情理，怀疑符号有误，待查。）5）其他问题例如：为什么C比Si的电离能高？答：因为C比Si的电负性强。Li代Ga位应该有几条受主能级？答：Li比Ga少两个价电子，应该有两条受主能级。同样是与GaP形成固溶体，为什么用禁带较窄的InP构成的GaInP所能达到的最宽直接禁带反而比用禁带较宽的GaAs构成的GaAsP所能达到的最宽直接禁带更宽？答：这是由于禁带极值的位置造成的，虽然InP禁带较窄，但是其与GaP都是间接带隙，固溶体能带并非随组分线性变化，更多是连续的非线性变化，所以并不能单单凭借组分禁带的宽窄来判断固溶体禁带的宽窄度。为什么固溶体禁带宽度随组分比变化的曲线往往具有不圆滑的转折特征？答：由于固溶体组分的禁带在X和L处极值之差造成的。例如Ge和Si的导带在X处的极小值能量相差不大，而在L处的极小值能量相差很大。随着Ge组分比的增加，GexSil-x固溶体的X极值下降不多，L极值下降却比较多，一直到x≈0.85左右才下降到与X极值齐平，所以会呈现不光滑的转折特性。参照图1-25和表1-6，分别用窄禁带化合物和窄禁带固溶体设计两种超晶格答：1)GaAs禁带宽度为Eg=1.424eV，晶格常数为0.56535nm，选择晶格常数接近的AlAs有较小的失配数，AlAs晶格常数为0.56614nm，固溶体AlxGa1-xAs的禁带宽度为Eg=1.424+1.247x2)同样的道理可选择:InAs和GaSb或GaxIn1-xAs和GaAsySb1-y1