2022-2023学年高二物理竞赛 半导体中的电子状态 课件(共12张PPT)

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2022-2023学年高二物理竞赛 半导体中的电子状态 课件(共12张PPT)

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半导体中的电子状态
本章主要讨论半导体中电子的运动状态。
定性介绍能带理论,利用Schrodinger方程
和Kroning-Penney模型近似推导关于半导体
中电子的状态和能带特点。阐述本征半导体
的导电机构,引入了空穴的概念。最后简单
介绍几种半导体材料的能带结构。
半导体中的电子状态
重点和难点:
半导体硅、锗的晶体结构(金刚石结构)及其特点
半导体的闪锌矿结构及其特点
本征半导体及其导电结构、空穴
晶体结构 化学键
Si,Ge 金刚石型 共价键
GaAs 闪锌矿型 混合键 (共价键 +
离子键)
§1.1 半导体的晶格结构和结合性质
能带结构决定材料的性质
1.1.1 金刚石型结构和共价键
现代电子学中,重要的半导体材料:硅 和 锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个,它们组合成晶体靠共价键结合。
Ge
Si
硅和锗的共价键结构
共价键共
用电子对
+4
+4
+4
+4表示除去价电子后的原子
形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构。
共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。
+4
+4
+4
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以本征半导体的导电能力很弱。
在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,而四个其它原子位于四面体的顶点,每个原子与其相临的原子之间形成共价键,共用一对价电子。
硅和锗的晶体结构
可看成是两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线互相位移了1/4的空间对角线长度套构而成的
金刚石型结构的晶胞
将许多正四面体累积起来就得到金刚石结构
硅、锗基本物理参数
晶格常数
硅:5.43089埃
锗:5.65754nm埃
原子密度
硅:5.00×1022/cm-3
锗:4.42×1022/cm-3
共价半径
硅:0.117nm
锗:0.122nm
数量级
1.1.2 闪锌矿型结构和混合键
材料: Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料以及部分
Ⅱ-Ⅵ族化合物
如 GaAs, InP, AlAs ·····
化学键:共价键具有一定的极性(两类原子的
电负性不同) 共价键+离子键
晶胞特点:两类原子各自组成面心立方晶格,
沿空间对角线方向彼此位移1/4空
间对角线长度套构而成
闪锌矿型结构的晶胞

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