1、半导体物理基础,绪论意义：半导体物理是现代微电子科学与技术发展的基础，也是当代信息技术 (IT)光电子技术的基础，同时也是当代的纳米科学与技术的研究前沿半导体材料： 2 inch 3” 4” 6” 8” 12”硅单晶，GaAs单晶，GaN单晶工程：1948年巴丁(Basdeen)布拉顿 (Bratain)肖克莱 (Schockley) 发明晶体管 电子学革命1958年集成电路 68年硅MOS器件及大规模IC产业化超大规模IC (45 nm)1962年半导体激光器，70年代室温连续发光激光产业 (CDVCDDVD)1970年江崎和朱兆祥提出超晶格概念，71年MBE制成AlGaAs/GaAs超晶格
2、人工设计半导体和光电子产业（80年Klitzing和82崔崎分别在超晶格异质结中发现整数和分数量子霍尔效应），分获诺贝尔物理学奖1990年英国Canhan发现多孔硅的室温光段可见光发光全光硅电子集成技术2000年后纳米微粒纳米固体纳米薄膜量子点量子线新型光电器件,理论：1954年提出半导体有效质量理论（kittel Luttinger等）研究带边能带结构浅能级杂质（施主和受主）激子能级磁能级的理论1930年代量子力学金属导电能带论导带价带1940年代导体半导体杂质能级施主受主掺杂 1959年膺势概念极大简化固体能带计算得较精确的半导体能带论1970年提出超晶格概念90年代后量子点方法：回旋共振
3、法磁光吸收激子光谱自由载流子光谱的实验研究,分析：1970年超高真空表面能谱分析技术； 1982年扫描 隧道STM技术等对象：元素半导体为主，兼及化合物半导体内容和教材：西安交大刘恩科等编，第一至第五章，第七八章合讲，其余自学不做要求要求： 1）上课做笔记2）按时完成作业,第一章：半导体中的电子状态,1.1 半导体的晶格结构和结合特性一.半导体材料：1，元素半导体：Si Ge ，金刚石C（高温半导体），灰锡；a-Sn 2，化合物半导体： - 族：GaAs InP GaN;- 族：InZnSe; ZnO3，多元化合物：HgCdTe(红外探测)；AlxGa1-xAs；InGaAsP等4，新兴半导体
4、：有机半导体(由导电高分子)；量子点线阱等二.半导体晶体结构和结合特性：1，金刚石结构：金刚石C Si Ge a-Sn ;（1）结构：两个相同原子组成的面心立方沿体对角线方向位移1/4后套构而成的复式晶格； (如右图）,特征：1， 配位数（最近邻原子数）为4；分别位于正四面体的四个顶点上, 如F1.1（a） 2，堆垛方式：以双原子层的形式按ABCABCA顺序堆垛 3，不等价原子：正八面体顶点和正四面体中心的原子分属不同的f.c.c , 但任两个最近邻原子的连线均沿方向 （2）结合特性： 共价键：原子间形成自旋反平行共有电子对(负电)与离子实(正电)相互吸引形成的结合键特点1，饱和性：N族元素共
5、价键配位数为(8N)2，方向性：位于电子云重叠密度大的方向；3，既可是非极性键（同种元素如H2 F2 Si ），也可是极性键HCl, HFGaAs,（3）杂化轨道：以Be为例;孤立的Be原子基态结构为1S22S2 所有电子已配对，无法成键但蒸汽状态下实验观测到Be2 分子！可能过程：1，一个2S电子激发到2P态，形成1S22S12P1 2，未配对2S1电子和2P1电子形成SP杂化原子轨道3，两个原子的SP杂化原子轨道形成SP2杂化分子轨道 若1个2S电子激发到2P态消耗的能量 杂化原子轨道结合成杂化分子轨道时释放的能量，则过程在能量上是有利的。要求1，激活能不大； 2，同一主壳层的S和P杂化（
6、最好）；（4）SP3 杂化：以金刚石为例，基态1S22S22P2 一个原子耀迁1S22S12Px12Py12Pz1 SP3杂化轨道(原子的)，即一个S态和3个P态波函数相结合相邻原子的SP3 杂化轨道形成共价键。（非极性键）,每个碳原子的4个SP3 杂化轨道分别和4个最近邻碳原子的各一个SP3 轨道 形成共价键， 构成键角10928的四面体形共价键结合，能量最低，最稳定。Si： 1S22S22P63S23P2 和 Ge：1S22S22P63S23P64S24P2 成键也是SP3 杂化,由量子力学的膺势理论可计算出4个S和P态电子形成SP3 杂化轨道的波函数为：,2.闪锌矿结构（立方结构）二元化
7、合物半导体 如III- 族：GaAs InSbGaP，GaN- 族：CdTe HgTe1) 结构：两个分别由III()族原子和()族原子组成的面心立方沿体对角线方向位移1/4 距离后套构而成的复式晶格双原子层按ABCABC方式重复堆垛。特点： 1，每个原子与四个异类原子为最近邻，构成正四面体体心原子与顶点原子不同；2，交错结构：沿方向由相邻原子(不同)连接的两组(各3个)原子在空间错开60角 2) 结合特性：极化共价键以GaAs为例As对 电子吸引大于Ga，负电性较强 SP3 杂化的重叠电子云更靠近As；即结合键具有 一定密度的离子性所以称为极性半导体。,3. 纤锌矿结构（六角密堆） A8-NBN 构成四面体1) 结构：密排六方结构，异类原子构成的双原子面按ABABA沿密排六方结构的方向重复堆垛；如P8叶图Fig1.3特点： 1，每个原子与四个异类原子(最近邻)以共价键结合构成四面体2，重叠构型：沿六方对称轴 上相邻的两个异类原子连接的两组(各 三个)不同原子沿方向是相互对 准、重叠的，如右图所示,（2）结合特性：强极性共价键化合物；离子性比闪锌矿强形成闪锌矿结构，包括III- 族的AlN,InN等 - 族的ZnS,ZnC,ZnSe,CdS等4，NaCl结构：异类原子组成的两个面心相互位移1/2后套构而成右图：NaCl晶胞,
