第7章 固体物理2_555803503.ppt

世界上第一支晶体管 肖克利 巴丁 布拉顿 1956年诺贝尔物理学奖获得者。 后来，晶体管又从点接触型发展到面接触型。 晶体管比真空电子管体积小，重量轻， 成本低，可靠性高，寿命长，很快成为 第二代电子器件。 P n P C e b 做成集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路 下图为INMOS T900 微处理器: 每一个集成块（图中一个长方形部分） 约为手指甲大小， 它有300多万个三极管。 2000年诺贝尔物理学奖获得者 提出异质结结构理论， 发明异质结激光器 发明集成电路 1970年，贝尔实验室的 江崎和朱兆祥设想 用两种晶格的半导体材料交替生长成周期结构， 人工制作新的晶态。 每层材料的厚度 ≤100 nm， 1972年已实现 称为超晶格。 超晶格量子阱与纳米器件 超晶格使电子在生长方向的运动受到限制 例如: 只能在垂直于生长方向的平面层内运动，该平面层称为 量子阱 导带 禁带 价带 A B A A B A 量子阱 ? 二维 量子点 ? 零维 量子线 ? 一维 低维电子系统 纳米尺度 量子尺度效应 表面效应 量子隧道效应 性能优越的新型电子器件 人工实践量子力学，自行设计材料的能隙与能带结构， 按照自己的意愿根据特殊用途来剪裁材料的性能， 设计、研制新的器件。 能级分裂，间距增大 宏观的准连续能带消失，表现为分裂的能级， 使纳米体系的光、热、电、磁等物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。 纳米材料尺寸小 电子被局限在一个体积十分微小的纳米空间 电子平均自由程短 电子的局域性和相干性增强 纳米体系包含的原子数大大降低 纳米体系的特殊物理性质——量子尺寸效应 例：量子阱激光器 异质结激光二极管阱宽减小到与半导体中电子的德布罗依波长相当时， 称此异质结激光二极管为量子阱 量子阱中的载流子沿垂直阱壁方向运动的波函数为： d x n Sin d x n p y 2 / 1 2 ) ( ? ? ? è ? = 能量为: … ， ， 3 2 1 = n ， 2 2 2 2 2 = n md E n p h d: 阱宽 ? 波长向短波方向变化 阱越窄，兰移越大，可达蓝光波段； ? 阈值电流密度 jt 小 随温度变化的特性也得到改善； ? 光谱线宽变窄 阱中电子和空穴的能级都变成分立的 量子阱激光器的特点： 称为“兰移” d 价带 导带 共振隧道晶体管的原型 1,000个原子组成的固体 表面原子数占原子总数的 48.8% 1,000,000,000个原子组成的固体 表面原子数占原子总数的 0.6% 200nm(0.2μm) 2nm 1,000个原子 1,000,000,000个原子 材料的尺寸对材料表面性质的影响 纳米体系的特殊物理性质——表面与界面效应 欧姆定律 U=IR 弹道输运 材料的尺寸对材料导电性质的影响 物质粒径的减小 比表面积大大增加 键态严重失配 出现许多活性中心 极强的吸附能力 极强的抓俘能力 防腐 抗菌 催化剂 单根碳纳米管构成的场效应管 §7.5 半导体(Semiconductor) 一. 本征半导体 纯净的半导体 没有杂质、缺陷。例如： 空 带 满 带 Eg Si Si Si Si Si Si Si Si原子 4个价电子，与另4个原子形成共价结合 热激发 · 电子导电 . . . . . . 半导体的载流子是电子 · 空穴导电. . . . . . 半导体的载流子是空穴 电子和空穴是成对出现的. T=0 k 导带中无电子，满带中无空穴， T = 300 k 室温 有电子、空穴，两者浓度相等： Si Eg= 1.10 eV ni = pi =1.5×1010 cm-3 Ge Eg= 0.67 eV ni = pi =2.4×1013 cm-3 导带中的电子和满带中的空穴都可以导电。 本征半导体既有电子导电也有空穴导电。 二. 杂质半导体 1. n 型半导体 四价的本征半导体Si, Ge等，掺入少量五价的杂质元素 (如 P, As 等)，形成电子型半导体，称 n 型半导体。 杂质原子的能级可分布在禁带中不同位置处。 导 带 价 带 Ge 0.0120 P 0.0127 As 0.0096 Sb B 0.0104 In 0.0112 Ga 0.0108 Co 0.25 Au