2022-2023学年高二物理竞赛课件：立方晶系基本的晶体结构

立方晶系基本的晶体结构

2立方晶系基本的晶体结构简单的立方晶格体心立方晶格面心立方晶格金刚石晶格结构（硅、锗）闪锌矿晶格结构（GaAs）密勒指数：界定一晶体中不同平面的方法。由下列步骤确定：找出平面在三坐标轴上的截距值r、s、t（以晶格常数为单位）；取这三个截距的倒数，并将其化简成最简单整数比，；h、k、l为互质的整数，以（hkl）来表示单一平面的密勒指数。立方晶系基本的晶体结构3迄今大约有60种主要的器件以及100种与主要器件相关的变异器件。4种基本半导体器件结构。金属-半导体接触（1874）：整流接触，欧姆接触。金半场效应晶体管（MESFET）：整流接触，栅极；欧姆接触，漏极、源极。微波器件。p-n结：半导体器件的关键基础结构；p-n-p双极型晶体管（1947），p-n-p-n结构的可控硅器件。异质结（1957）：由两种不同材料的半导体组成；快速器件、光电器件的关键构成。金属-氧化物-半导体结构（MOS，1960）：MOS结构，栅极；p-n结，漏极、源极。可制作MOSFET。4下图为砷化镓的动量-能量关系曲线，其价带顶与导带底发生在相同动量处（p=0）。因此，电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。直接带隙半导体：能量/eV对Si、Ge而言，其动量-能量曲线中价带顶在p=0，导带最低处则在p=pC。因此，电子从价带顶转换到导带最低处时，不仅需要能量转换(≥Eg)，也需要动量转换(≥pC)。间接带隙半导体：能量/eV0pc5用能带理论解释金属、半导体及绝缘体的电导率之间的巨大差异：电子在最高能带或最高两能带的占有率决定此固体的导电性。价带导带填满的价带空导带部分填满的导带Eg

Eg≈9eV金属价带导带半导体绝缘体6本征半导体：半导体中的杂质远小于由热产生的电子空穴。热平衡状态：在恒温下的稳定状态，且并无任何外来干扰（如照光、压力或电场）。连续的热扰动造成电子从价带激发到导带，同时在价带留下等量的空穴。此状态下，载流子（导带电子和价带空穴）浓度不变。统计力学，费米分布函数表示为费米能级EF是电子占有率为1/2时的能量。F(E)在费米能量EF附近呈对称分布。对于能量为E的能态被电子占据的概率，可近似为：对于能量为E的能态被空穴占据的概率7导带的电子浓度为其中，NC是导带中的有效态密度。同理，价带中的空穴浓度为其中，NV是价带中的有效态密度。本征载流子浓度ni：本征半导体，导带中每单位体积的电子数与价带中每单位体积的空穴数相同，即n=p=ni，ni称为本征载流子浓度，本征费米能级Ei：本征半导体的费米能级EF。室温下，本征半导体的费米能级Ei相当靠近禁带的中央。8非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，半导体变成非本征的，而且引入杂质能级。施主、受主、杂质能级、n型半导体、p型半导体、多子、少子概念，以及施主、受主的实例，载流子（电子、空穴）。非简并半导体：电子或空穴的浓度分别远低于导带或价带中有效态密度，即费米能级EF至少比EV高3kT，或比EC低3kT的半导体。室温下，完全电离，非本征半导体中多子浓度为杂质浓度。施主浓度越高，费米能级往导带底部靠近。受主浓度越高，费米能级往价带顶端靠近近。9热平衡情况下，无论对于本征还是非本征半导体，该式都成立，称为质量作用定律。只要满足近似条件（EC-EF>3kT或EF-EV>3kT），下式即可成立只要满足近似条件，np的乘积为本征载流子浓度（和材料性质有关，与掺杂无关）的平方。热平衡状态半导体的基本公式。若施主与受主同时存在，则由较高浓度的杂质决定半导体传导类型。费米能级调整以保持电中性，即总负电荷（包括导带电子和受主离子）必须等于总正电荷（包括价带空穴和施主离子）。一般净杂质浓度|ND－NA|比本征载流子浓度ni大，因此10下图显示施主浓度ND为1015cm-3时，硅的电子浓度对温度的函数关系图。低温，晶体中热能不足以电离所有施主杂质。有些电子被冻结在施主能级，因此电子浓度小于施主浓度。温度上升，完全电离的情形即可达到（即nn=ND）。温度继续上升，电子浓度基本上在一段长的温度范围内维持定值，此为非本征区。温度进一步上升，达到某一值，此时本征载流子浓度可与施主浓度相比，超过此温度后，半导体便为本征的。半导体变成本征时的温度由杂质浓度及禁带宽度值决定。电子浓度n/cm-3

11最重要的两种散射机制：影响迁移率的因素：晶格散射：当晶体温度高于0K时，晶格原子的热振动随温度增加而增加；在高温下晶格散射变得显著，迁移率因此随着温度的增加而减少。杂质散射：是一个带电载流子经过一个电离杂质所引起的。由于库仑力的交互作用，带电载流子的路径会偏移。µI随着T3/2/NT而变化，其中NT为总杂质浓度。散射机制平均自由时间迁移率漂移运动：小电场E施加于半导体，每一个电子上受到-qE的作用力，且在各次碰撞之间，沿着电场的反向被加速。因此，一个额外的速度（漂移速度）成分将加到热运动的电子上。12n型半导体p型半导体电导率爱因斯坦关系式当浓度梯度与电场同时存在时，总电流密度即为漂移及扩散成分的总和，因此总传导电流密度为适用：低电场状态。高电场时，μnE及μpE应以饱和速度vs替代。13在热平衡下，pn=ni2。如果有超量载流子导入半导体中，pn>ni2，称此状态为非平衡状态。净复合率俄歇复合：电子-空穴对复合所释放出的能量及动量转换至第三个粒子而发生的，此第三个粒子可能为电子或空穴。半导体表面，假如载流子具有足够的能量，它们可能会被发射至真空能级，这称为热电子发射过程。