《电子信息物理学》PPT课件.ppt

第一章绪论,一、信息,客观事物,状态的表露,随时间变化的反应,信息,依附于物质,认识客事物的中介物,信息技术：信息的产生、转换、处理、传输、探测、显示、存储信息产业：主要是3C(Communication，Computer，Control),社会发展,政治：原始社会,奴隶社会,技术：农业社会,工业社会,信息社会,主导经济：农业经济,工业经济,知识经济,信息高速公路：提供产生、传输与享用信息的快速通道,使人们,在任何时间、任何地点，可以通过声音、图像、数据、文表等方式相互传递信息,二、电子,基本粒子之一（电子、原子、中子、超子、介 子、无质量的粒子（光子、中微子等）。原子的重要组成部分基本电荷(1.60219*10-19C)自由电子静止质量(9.10956*10-31kg)电子学：研究电子运动规律及其应用的学科,电子在原子中的状态电子在物体中的状态电子与场的相互作用电子与粒子间的相互作用,许多电子学,低频高频微波光纳米信息,电子学,三、信息电子学,信息与电子是密不可分的，电子和光子是信息的主要载体,光子：基本粒子之一真空中光子速度c=2.998*108m/s 光子的能量h 光子的动量h/c=h/真空中光子的运动质量hv/c2 光子的静止质量0电子与光子的响应速度电子响应速度：10-9s 左右光子的响应速度：10-12 10-15s,信息电子学属于“弱电”范畴,主要材料,固体,半导体材料、光学材料、超导材料、磁性材料、电介质材料、,电子材料,材料、器件与物理的发展是相互交叉、相互渗透、相互促进的,四、信息电子学物理基础,固态电子学,信息电子器件、技术与工程,桥梁,信息电子学物理基础,理论基础（生长土壤）,应用领域（阳光雨露）,载流子的运动规律、固体基本物理过程、物理现象、物理性质,电、磁、声、光、热等效应及其相关的半导体、光电子、电介质、磁性、超导、纳米器件、技术、系统与工程,1.电子在固体中的形态与运动方式,金属：价电子在（晶格）孔隙中自由运动半导体：载流子（导带电子与价带空穴）的激发与 复合的迁移运动超导体：超导态电子无晶格散射、零电阻运动磁体：电子的旋转电介质（绝缘体）：正负电荷的相对位移,2.外界因素（场或粒子等）与电子的相互作用与影响,压电、热电、磁电、铁电、电光、磁光、声光、弹光、热光、声光电等物理效应,提供,反映客观物体的信息,对材料,通过信息进行各种处理,第一章固体的晶体结构简介,本书涉及到的信息电子固体器件，均与构制器件的固体材料所具有的电学性质、磁学性质、介电性质、光学性质相关。信息电子器件所用的固体材料，一般是单晶材料。单晶材料的光、电、磁学等性质不仅由化学组分，而且由固体中原子排列决定。因此有必要了解固体的晶体结构知识。,固体材料,电子学特性电介质特性超导体特性,光学特性磁学特性力学特性,信息电子固体器件,固体材料,化学组成（结构基元）,原子排列（空间点阵）,信息电子固体器件特性,晶体结构,1.1固体类型,固体,无定形：原子排列在数个原子尺度内有序,多晶：多晶体在许多个原子范围内短程有序单晶体：理想化的单晶体，在整个材料的 空间内应具有长程有序,各向同性,各向异性,三类晶体的二维示意图,1.2空间点阵,一、晶格、原包、元包,结构单元：原子、离子、分子或者络合离子,空间点阵,结构单元,晶体结构,单晶的二维点阵,任意四个不在同一平面上的相邻的阵点（格点）,三个方向的基矢a，b，c,一个平行六面体,晶体的元包,广义主元包,单晶二维点阵的几种元包,原包：最小的元包晶格中的任意格点的位置矢量：,二、基本的晶体结构,晶体结构,低级晶族,三斜单斜斜方,中级晶族,正方三方六方,高级晶族 立方,晶系,32晶类,立方晶系共有3种晶类：简单立方、体心立方、面心立方,（a）简单立方（b）体心立方（c）面心立方,晶面和密勒指数,规定晶体不同晶面的方法：密勒（W.H.Miller）指数,选定坐标系：原点与方向基矢a，b，c,需规定的晶面与坐标轴相交,截距（交点）：p，q，s,截距取倒数，并乘以适当系数,简单互质整数之比：h：k：l,该晶面的密勒指数（hkl）,a轴截距（交点）：p3b轴截距（交点）：q2c轴截距（交点）：s1,1/p:1/q:1/s=1/3:1/2:1/1=2:3:6=h:k:l,密勒指数（236）,p1，q，s1/1:1/:1/=1:0:0 密勒指数（100）,p1，q1，s11/1:1/1:1/1=1:1:1 密勒指数（111）,p1，q1，s 1/1:1/1:1/=1:1:0 密勒指数（110）,（a）（100）面,（b）（110）面,（c）（111）面,四、晶面间距晶面间距：相邻平行晶面之间的距离晶面间距是晶面的重要参数之一,晶面间距,相邻平行晶面原子之间作用力,解理该平面更容易,简单立方 晶格常数a1（100）晶面间距：a1（110）晶面间距：a1（111）晶面间距：a1,五、晶面的原子表面密度,体心立方（110）晶面:面积：a1*20.5*a1 20.5 a12 原子数：14*1/4=2,原子表面密度：2/20.5 a12=20.5/a12=,a1=5*10-8 cm,5.66*1014 原子/cm2,六、方向指数,晶格中任意格点的位置矢量：,格点直线的方向指数：直线上任意两格点坐标相减之比,化为三个互质的整数比即为此直线方向的方向指数u:v:w。且方向指数表示为u:v:w,例如简单立方：,(01):(01):(01),1:1:1,1:1:1,1.3金刚石结构,金刚石结构的元包,金刚石结构金刚石硅（Si）锗（Ge）,金刚石结构的特点结构单元：碳（C）原子结构：每个碳原子周围都有四个碳 原子形成正四面体结构,近邻原子之间的距离（键长）相等：30.5 a/4近邻原子连线之间的夹角（键角）相等,体心立方结构交替去掉四个顶角原子,正四面体点阵结构,正四面体点阵结构,（a）金刚石点阵的底半部份（b）金刚石点阵的底半部份,这种结构也可以看作是边长为a立方体的一个晶包：八个原子位于八个顶角上，六个原子位于六个面中心上，晶包内部有四个原子,砷化镓（GaAs）结构：每个镓原子周围都有四个最近邻的砷原子每个砷原子周围都有四个最近邻的镓原子,闪锌矿结构：与金刚石结构相似只是由两种不同的原子组成,1.4原子键,原子：正电原子核,负电绕核运动的电子,原子键：原子间相互作用的表现核外电子：在晶体结构基元键合时起到重要作用处于热平衡系统，其总能量总是趋于最小值,原子间相互作用描述方法,严格分析：量子力学定性分析：价电子或者最外层电子特性,一、离子键,电离能极小的金属原子（如碱金属合碱土金属）,电子亲和势很大的非金属原子（如卤族和氧族）,失去电子,获得电子,相互靠近,正离子,负离子,电子组态结构与上周期的惰性气体的原子相同,电子组态结构与上周期的惰性气体的原子相同,离子相吸电子云相斥,离子键NaCl,Na:Z=11,1S22S22P63S1Na+:1S22S22P6(Na+电子组态同Ne，Z=10，处于能量较低的稳定状态),Cl:Z=17,1S22S22P63S22P5Cl:1S22S22P63S22P6(Cl 电子组态同Ar，Z=18，处于能量较低的稳定状态),二、共价键,同种原子或者电负性相差很小的原子,相互接近,电子云重叠,自旋方向相反的成单电子结合,共价键,氢的共价键,氢的共价键的特点：氢分子形成后无多余的电子形成其他共价键而硅共价键的特点为：,硅原子与另一硅原子形成一对共价键后，还有三个电子多余，可以与另外三个硅原子形成共价键,四面体结构,金刚石点阵,硅晶体理论上可以不断生长变大,无限大硅晶体,硅的共价键,三、金属键,所有的金属原子都倾向于失去电子,正离子,释放电子,具有很大的活动范围,游离于正离子之间,自由电子气,将全部正离子“胶合”在一起,金属键,金属键与离子键的差异,正离子,自由电子,金属键：,正离子,负离子,离子键：,金属键与共价键的差异,金属键：自由电子属于整个晶体中的所有原子（只在某瞬间围绕某原子运动）共价键：共价电子仅仅属于相应的固定原子对,四、范德瓦斯（Van der Waals）键,弱键（键能较小）：比金属键、离子键、共价键 小12个数量级,键的形成,极性分子的取向力极性分子与非极性分子的诱导力非极性分子的瞬间（极化）色散力,范德瓦斯是气体分子能够凝聚为液体和固体的主要原因,1.5固体中的缺陷和杂质,一个理想的单晶结构,在一个实际晶体中，晶格并非完美的，而是包含许多缺陷的，完美的几何周期性在一定程度上以多种形式受到破坏。因为缺陷会改变材料的电学性质，在有些情形中，电学参量将由这些缺陷或杂质所左右。,晶体的缺陷：结构单元的点阵排列偏离严格周期的现象 空间延伸线度：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷一、点缺陷：热缺陷、杂质缺陷、色心,热缺陷,夫伦克耳肖特基,缺陷：热能（T 0K）,离子离开晶体表面,晶体内部产生离子空位和添隙离子,离子空位,空位缺陷 添隙缺陷,杂质缺陷：替代式、添隙式,空位缺陷 添隙缺陷,色心：点阵空位俘获一个自由电子或一个自由空穴时，形成的一个吸收光的基团,二、线缺陷（位错）原子点阵面一层一层地周期性堆积,某一层原子面在晶体内部中断,线缺陷,三、面缺陷,平移界面缺陷：界面两侧沿着 某一个点阵面平移,