最新材料的输运性质能带理论课件PPT.ppt 58页

'材料的输运性质能带理论 3.1能带理论3.2半导体3.3超导体3.4快离子导体本章内容2 +原子的能级（电子壳层）++1共有化运动：3.1能带理论3 原子彼此接近时的能级图并说明1.原子间距较大时，原子中的电子处于分立的能级；2.随着原子间距变小，每个分立的能级分裂成N个彼此相隔小的能级，形成能带；3.随着原子间距变小,能级分裂首先从外壳层电子开始（高能级），内壳层电子只有原子非常接近时才发生能级分裂；7 4.内壳层电子处于低能级，电子共有化运动弱，分裂成的能级窄；外壳层电子处于高能级，共有化运动显著，能级分裂的能带很宽；5.能带的宽度由晶体性质决定，与晶体大小（晶体包含的原子数N）无关，N越大，能带中的能级数增加，但能带宽度不会增加，只是能级的密集程度增加；6.能带的交叠程度与原子间距有关，原子间越小，交叠程度越大；7.在平衡间距处，能带没有交叠。8 自由电子孤立原子中的电子晶体中的电子不受任何电荷作用（势场为零）本身原子核及其他电子的作用严格周期性势场（周期排列的原子核势场及大量电子的平均势场）单电子近似理论：为了研究晶体中电子的运动状态，首先假定固体中的原子实固定不动，并按一定规律作周期性排列，然后进一步认为每个电子都是在固定的原子实周期势场及其他电子的平均势场中运动，这就把整个问题简化成单电子问题。2半导体中的电子与空穴9 电子具有波粒二象性，运动的电子看做物质波，就是电子波电子运动遵循电子的的波动方程——是薛定谔方程。定态薛定谔方程的一般式：动能势能电子运动的波函数10 一维晶格0EE与k的关系能带简约布里渊区允带允带允带允带禁带0求解薛定谔方程：V(x)=V(x+na)其中：n=0n=1n=211 k的取值范围都是（n=整数）第一布里渊区：以原点为中心的第一能带所处的k值范围。第二、第三能带所处的k值范围称为第二、第三布里渊区，并以此类推。12 有关能带被占据情况的几个名词：价带（满带）：填满电子的最高允带。导带：价带以上能量最低的允带。导带中的电子是自由的，在外电场作用下可以导电。13 硅和锗沿[100]和[111]方向的能带结构Γ点：布里渊区中心X点：[100]轴与该方向布里渊区边界的交点L点：[111]轴与该方向布里渊区边界的交点Eg:禁带宽度1.1ev0.66ev3实际能带结构14 硅和锗价带极大值位于k=0处，三维晶体中为一球形等能面硅和锗导带多能谷结构，三维晶体中分别存6和8个能量最小值硅和锗导带底和价带顶在k空间处于不同的k值，为间接带系半导体15 砷化镓[100]和[111]方向的能带1.42evΓ点：布里渊区中心X点：[100]轴与该方向布里渊区边界的交点L点：[111]轴与该方向布里渊区边界的交点Eg:禁带宽度16 砷化镓价带极大值位于k=0处，导带极小值也在k=0处，为直接带系型。和硅的间接带系相比光电转换效率更高。砷化镓的禁带宽度比硅大，晶体管的工作温度上限与Eg有关，因此砷化镓工作温度上限比硅高，而且大的禁带宽度是晶体管击穿电压大。1.42ev1.1ev17 画能带时只需画能量最高的价带和能量最低的导带。价带顶和导带底都称为带边，分别用Ev和Ec表示它们的能量，带隙宽度Eg＝Ec-Ev。导带价带EgECEV18 半导体：导电性能介于金属和绝缘体之间；（σ＝10-7～104）具有负的电阻温度系数。（导体具有正的电阻温度系数）3.2半导体19 半导体材料的构成元素(元素、化合物半导体）20 一、半导体的晶体结构1.金刚石型结构2.闪锌矿型结构3.纤锌矿型结构21 类型：IV族元素C（金刚石）、Si、Ge、Sn(灰锡）的晶体。结合力：共价键力。特征：立方对称晶胞。1.金刚石型结构（D）共价四面体面心立方22 面心立方结构的八个顶角和六个面心各有一个原子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子。金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互平移1/4对角线长度套构而成的。整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成。23 2.-ZnS（闪锌矿）型结构（Z）类型：III-V和II-VI族形成的化合物GaAs。结合力：共价键力部分离子键力成分。特征：立方对称晶胞。24 GaAs的闪锌矿结构GaAs晶体中每个Ga原子和As原子共有一对价电子，形成四个共价键，组成共价四面体。闪锌矿结构和金刚石结构的不同之处在于套构成晶胞的两个面心立方分别是由两种不同原子组成的。共价四面体25 3.-ZnS（纤锌矿）型结构（W）类型：III-V和II-VI族形成的化合物GaN。结合力：共价键力部分离子键力成分。特征：六方对称晶胞。26 半导体晶体结构IVSiGeDDIII-VGaNGaPGaAsGaSbWZZZII-VIZnSeZnTeCdSeZZZ一些重要半导体的晶体结构27 1本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%二、半导体的分类价带导带ECEvEF28 2杂质半导体n型半导体——本征半导体中加入施主杂质p型半导体——本征半导体中加入施主杂质导带价带施主能级EDEgECEV导带EA价带受主能级EgECEVn型半导体p型半导体29 1半导体光导电性三半导体的性能导带价带能隙（禁带）光辐射hv半导体受到光辐射时，如果辐射光子的能量足以使电子由价带跃迁至导带，那么就会发生对光的吸收。导带中的电子在电场作用下可参与导电。30 导带价带杂质能级光辐射杂质半导体中，缺陷的能级在价带和导带之间的能隙之中。当材料受到光照时，缺陷能级上的电子空穴发生跃迁。从而使导带中出现电子，来参与导电。31 2半导体的光致发光：是指在外来激发光作用下，物体将吸收的能量以光子形式再发射而产生发光的现象。在半导体的光致发光现象中，存在着三个过程，1光吸收，半导体中的电子吸收一定能量的光子后，由基态跃迁至激发态，从而在一定能级上产生非平衡载流子；能量传递过程，既上述非平衡载流子通过晶格弛豫的方式到达较低能级进行电子一空穴对复合；发光，通过复合辐射的光子一部分从样品表面辐射出来，发出一定颜色的光。32 33 长期以来将固体分为：晶体和非晶体。晶体的基本特点：具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子（或离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是按一定的方式有规则的排列而成——长程有序。四非晶半导体34 晶体又可分为：单晶和多晶单晶：指整个晶体主要由原子(或离子)的一种规则排列方式所贯穿。常用的半导体材料锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)都是单晶。多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成的整块材料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。35 非晶：无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列——短程有序（如非晶硅：a-Si）非晶、多晶单晶36 多晶单晶37 非晶半导体材料与晶态半导体材料相比，非晶态材料的原子在空间排列上失去了长程有序性，但其组成原子也不是杂乱无章排布的，由于受到化学键，特别是共价键的约束，有几个原子在为小范围内小区域内有着与晶体相似的结构特征。所以对非晶材料的结构描述：长程无序，短程有序。38 在非晶硅材料中包含大量的悬挂键、空位键等缺陷，因而又很高的缺陷态密度，他们提供了电子和空穴的复合场所，所以一般非晶硅是不适合作电子器件的。39 1975年斯皮尔等人用硅烷分解沉积法制得非晶态硅薄膜。由于在该膜中含有大量的氢，使许多悬挂键被氢化。致使缺陷态密度降低。并且成功地实现对非晶硅材料的n型和p型掺杂40 12坐井观天说课稿大寺上小学张红花 各位领导、各位老师大家好！我今天说课的题目是《坐井观天》。一、说教材：《坐井观天》是人教版二年级上册第五单元的第一篇课文。本单元的主题是“怎样看问题、想问题”。本课通过生动有趣的对话，阐明了一个深刻的道理：看问题、认识事物，站得要高，看得要全面，不能像青蛙那样犯了错误还自以为是。二、说教学目标：1、巩固已学生字，着重理解“坐井观天”、“大话”、“无边无际”等词的意思。2、，练习有感情的，分角色朗读课文。3、通过学习青蛙和小鸟的对话，理解课文内容，懂得看问题，认识事物站得高，才能看得全面，不要自以为是。 三、说教学重难点：课文第二至七自然段青蛙和小鸟的对话是教学的重点。理解“坐井观天”的寓意是教学的难点。为突破教学难点，让学生创造性地学习，我采用以下方式来培养学生自主探究的能力：（1）图文结合，理解词意；（2）做实验，体验“观天”从而揭示寓意；（3）设计“跳出井口”，启迪学生创造性地想象，深化认识。四、学生情况：低年级的小朋友，有意注意的时间非常短，我创设情境让孩子参与其中，来激发他们学习兴趣 五、说教法、学法：我运用了谈话法、对比法、、实践法等教学方法，激励学生全面参与，主动学习，培养创新能力和实践能力教学本课时，指导学生自由选用“读、说、演”等学习方法，结合比较朗读、想象情境、直观理解、做实验等手段学会自学，学会积累的良好习惯。 12坐井观天大寺上小学张红花 我会读：井沿抬头无边无际口渴喝水坐井观天回答弄错 回顾课文：青蛙住在什么地方？小鸟从哪儿来？落在哪里？ 自主学习，合作探究一1、读课文，用“——”划出青蛙的话，用“﹏”划出小鸟的话。2、读第一次对话，读懂了什么？ 自主学习，合作探究二1、青蛙听了小鸟的话又说了什么呢？2、这里的“说大话”是什么意思？青蛙为什么说小鸟在“说大话”？3、理解“天不过井口那么大，还用飞那么远吗？”这句话意思 天不过井口那么大，还用飞那么远吗？天不过井口那么大，不用飞那么远。 公交车都走了，不用跑那么快了。公交车都走了，还用___________? 无边无际 5、青蛙和小鸟为什么对天的大小有不同看法呢？ 自主学习，合作探究三青蛙和小鸟都笑了，为什么？有什么不同吗？ 拓展训练：假如那只青蛙跳出了井口，它会看到些什么？听到些什么？想到些什么呢？ 小结：学习本课后的收获是什么？看问题、认识事物要像小鸟那样站得高，看得全面，不能像青蛙那样犯了错误还自以为是。 作业：续编故事：青蛙跳出来后…… 课堂检测：(一)、选择正确的字，打上“√”。1、青蛙（坐座）在井里说，天和井口一样大。2、小明把（坐座）位让给了老奶奶。(二)、对号入座。呀了吗哪吧1、你跳出井口来看一看（）。2、天无边无际，大得很（）！3、你从哪儿来（）？4、别说大话（）！天不过井口那么大，还用飞那么远（）？'