半导体物理学刘恩科第七版第1章半导体中的电子态讲述.ppt
文本预览下载声明
半 导 体 物 理 教材:刘恩科、朱秉升、罗晋生等 1.2 半导体中的电子状态和能带 本质上,半导体晶体是由一系列孤立的原子按周期性排列组合而成,因而它的电子状态也与孤立原子有所相同之处。要了解半导体内的电子状态,有必要先了解孤立原子内的电子状态。 A、孤立原子中的能级 能级状态由四个量子数描述: (1)主量子数n (2)角量子数l (3) 磁量子数m (4)自旋量子数ms。 玻耳的氢原子理论 两个公式还可用于类氢原子 更精确求解表明:孤立原子的电子能量不但与主量子数n,也与角量子数l有关,n、l相同的电子,能量相同,形成所谓电子壳层。 ?不同支壳层的电子分别用1s;2s,2p;3s,3p,3d; 4s…等符号表示,每一壳层对应于确定的能量。 当原子相互接近: ?电子壳层间发生交叠(外壳层交叠最多,内壳层交叠较少) ?电子不再完全局限在某一个原子上,可以由一个原于转移到相邻的原子上去,因而,电子将可以在整个晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。 注意:各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量,电子只能在相似壳层间转移。 八个原子互相靠近时能级分裂的情况:每个能级分裂为八个相距很近的能级(间距不同、原子壳层不同,原子能级分裂情况均不一样)。 C、能带的形成(能级分裂) 半导体(硅、锗)能带的特点 ?当原子数很大时,导带、价带内能级密度很大,可以认为能级准连续。 上述分析优点: 注意到孤立原子和晶体内原子的相同之处,可用于定性分析能带的形成原因。 §1.2.2 半导体中的电子状态和能带 晶体中运动的电子:在周期性势场中运动自由电子:处于零势场中运动。 运动具有相似之处。差别:自由电子的势场为零。 一、自由电子的能带 自由电子具有波粒二象性。假设某电子质量为m0,速度为v,则: 1. 粒子性的描述 (经典物理学): 2. 波动性的描述 特点:能量不连续变化 将方程(6)代入(1)、(2)得 v = hk /m0 (5) E = h2k2/2m0 (6) 二、晶体中的电子状态 1.晶体中电子的薛定谔方程 a、晶体中存在有周期性势场: V(x)=V(x+na) (8) b、边界条件有限制 2.布洛赫定理和布洛赫函数 布洛赫函数的意义 a.晶体中电子的波函数与自由电子的波函数形式相似。反映出了晶体中电子的波函数实际上相当于一被调幅的自由电子波。 且uk(x)= uk(x+a) 3.求解薛定谔方程:布里渊区与能带 通过求解薛定谔方程,可定性得E(k)~k关系图如下。 d. E是K的多值函数,采取En(k)来标识第n个能带。 e. 每个能带有N个能态,若计入自旋,每个能带可容纳2N个电子。 1.受原子间的相互作用强弱、方式(如共价键、离子键、轨道杂化情况),晶体内存在一系列分裂的能级(带内准连续,带间存禁带)。 2. 晶体中电子只能按照这些能级来进行分布。(即外层电子运动“准自由”,但能量“不太自由”) 三、导体、半导体、绝缘体的能带 固体导电过程实际上是电子与外电场的能量交换的过程。固体材料如果要导电,须具备一定的条件: a. 固体内有可“准自由”运动的外层电子; b. 固体内有“未被占据”的“连续能级”(即能带)存在。 a)金属能带:部分占满 b) 能带交叠 c) 半导体:大部分占满; d) 绝缘体:满带 §1.3 半导体中的电子运动-有效质量 理论解决能带理论:半导体中由于E(k)~k关系较复杂,上述的分析均是定性分析,定量关系需能带理论解决(纯理论) 。 1、有效质量的定义 对极值附近(能带底)附近的电子,设能带底位于k=0处,将E(k)在k=0处按泰勒级数展开,取至k2项,可得: 2、有效质量在各参量中的表达 1.3.4 有效质量 有效质量虽是数学上的一种处理方式,但在物理意义上,它涵括了原子内部对电子的各种作用(势场、力)。 4. 有效质量的大小 有效质量在相当宽K值范围内 均能保持为常量。这也是其能有效应用的原因之一。 对某能带,能带越宽,有效质量越小。能带越窄,有效值量越大。 hk、mn*V、mV各代表什么。 5. 有效质量的意义 a. 使得E-k关系式、其它运动参量的变化情况变得简单、直观。类似经典物理变化规律,易于理解并避免了复杂的理论计算问题。 推导过程需要记住的几个公式: 问题与讨论: 1.为什么有效质量与电子的惯性质量不同? (本质上体现的是势场的作用,或与晶体内各粒子的相互作用情况(以动量和能量情况
显示全部