半导体02在线视频

我们从下面的一系列照片

来了解一下谢先生的生平事迹

这是谢先生中学时期的一张照片

谢先生中学毕业的时候

以优异的成绩考入了湖南大学

但不幸的是

由于患骨关节

结核病被迫休学

当时的结合并被认为是绝症

就像现在我们提到癌症一样这么可怕

但是谢先生凭着顽强的毅力

四年之后他站了起来

遗憾的是留下了终身的残疾

导致他的膝关节是不能弯曲的

尽管如此

他在卧床四年之中自学了大学的英语

和高等数学

同时以优异的成绩考入厦门大学

这是他在大学毕业的时候的合影

最左侧这位是谢先生

本科毕业之后

谢先生到美国攻读硕士和博士学位

这是一九五一年谢先生博士毕业时的照片

中间这位是谢先生

他博士毕业之后计划回国

但是由于当时赶上了抗美援朝战争

中国解放军获得了胜利

美国就开始限制中国

美国开始限制中国的留学生回国

而谢先生也在被限制之列

为了回国

谢先生1952年以结婚为由

绕到英国

经香港返回中国

这张照片拍于1956年

是谢先生被调到北京

创建我国第一个半导体专门化时的照片

当时他的儿子只有五个月

他与黄先生两个人一起创建了我国的

半导体专业

这是后期的照片

不是当时拍摄的照片

1958年

谢先生又被国务院调回复旦大学

同时被任命负责中国科学院

上海物理研究所的成立

这张照片是1984年谢先生在复旦大学

接待来访的里根总统

这是1988年

中共13届三中全会

谢先生与江泽民总书记在商讨国家大事

这张照片是1992年邓小平在上海

接见谢先生时拍摄的

谢先生一生坚持在科研一线

这是他晚年还在参与科研讨论

直到1999年12月

谢先生因病住院

他在医院还坚持工作

由于腿部不能弯曲

这是他站着工作的时候拍摄的照片

谢先生住院期间

许多国家领导人都前去探望

有的致电慰问

不幸的是

2000年3月4日

谢先生在东华医院去世

谢先生一生与疾病相伴

中学毕业的时候

霍金患结核病38岁肾切除

46岁患乳腺癌

但是他顽强地克服了病魔为我国的半导体

产业发展以及表面物理的发展奉献了一生

让我们

向这些为祖国科技发展而奋斗的

科学家致敬

前面我们介绍了

半导体的性质以及

我国半导体产业的发展历史

接下来呢

我们学习半导体能带理论

首先我们了解一下半导体的基本能带结构

我们知道物质是由原子组成的

大量的原子聚集有序排列之后

就形成了这样有序的结构

我们称其为晶体

如果这个红色的小球是碳原子的话

这就是金刚石结构的碳排列

实际上也就是钻石

那如果我们把这个排列顺序打乱

我们把这个红色的小球也就是碳原子

排成六角的层状结构

那么显然他就不是钻石了

而是石墨

因此

我们可以看出

同种原子它的排列顺序不一样的话

也会导致他有不同的物理性质

同样

他也对应着不同的能带结构

也就对应着不同器件的物理性质

因此呢

我们如果用研究材料的物理性质

我们应该首先从他的能带结构开始

那下面我们就了解一下能带结构这个横轴

是布里渊区的高对称点

纵轴是能量

从上到下

能量逐渐降低

在能量为零的这个地方的水平线

被称为费米能级

或者说费米能

他的下面这些能带是被电子占据的

而在上面的这些能带是空的

虽然是空的

但是电子是有占据这些能带的可能性

但是还有一块区域

我们可以看到

在费米能级附近有一块区域是没有能带的

这部分呢

被称为电子的禁带也就是电子不会出现

在这个范围之内

好那我们看我们给这个图呢

就是下一些定义

比如说价带他指的是费米能级以下

在费米能级附近的这些能带被称为价带

英文的是valence band

因此我们用Ev表示

而在费米能级之上

费米能级附近的这些能带呢

被称为导带

也就是conduction band

用Ec来表示

而刚才我所说的电子不能占据的

这些空的位置

而在刚才我们所说的

这部分电子不能占据的

这部分我们称之为带隙

或者能隙他的数值大小

等于导带的最低能量减去价带的最高能量

对于能带和禁带宽度

它实际上是取决于原子的种类

以及原子排列的顺序

也就是晶体结构

而电子在能带中是如何填充的呢

他需要满足两个条件

一个是能量最小的原理

也就是电子填充能带的时候优先填充能量

最低的这些能级依次向上填充

第二个原理呢

就是泡利不相容原理

那么

按照泡利不相容原理

电子占据能级的时候

每个能级上面只能填充两个电子

这就是能带

那么

这个能带结构呢

我们看起来比较复杂

我们实际在处理问题的时候可以采用

这种简化的方式

比如说我们用开口向下的抛物线

来表示价带

用开口向上的抛物线表示导带

它的带隙在这儿用Eg表示出来

这样就可以了

另外

还可以采用另外一种方式

比如说采用这种方式价带

这是占据电子的而上面的导带

这是空的

中间是他的带隙

我们看好像这个能带是比较抽象的

我们通过能带并不能

比较直观的了解电子的运动行为

因此呢

下面我们通过成键电子

与能带电子的对应关系

来进一步了解一下材料中电子的运动情况

这个图是一个示意图

每个碳原子他周围呢

我们知道他是有四个电子的

这四个电子

它是构

每个碳原子原子核周围有四个电子

这四个电子是不满壳层的

因此它不稳定

那么原子相互靠近的时候

相邻的两个碳原子各贡献一个电子

从而形成一个共价键

那四个近邻的碳原子就会形成四个共价键

因此在一个碳原子核周围会有八个电子

这样构成了一个满壳层的结构

从而使他非常稳定

因此

共价键有很强的结合力

使原子产生了周期性的排列

从而形成晶体

加键上的电子呢

就被称为价电子

实际上就是参与成键的电子

我们还可以从能带的角度来看一下

这些价键上的电子

实际上就是我们价带中的电子

这些红色的小球和价键上的是一样的

那这些价键上的电子填充在价带中

正好把价带填满

填满之后呢

实际上他也是非常稳定的

也就是另外加电场

这些电子是不会移动的

也就是不会形成定向运动

不会形成电流

因此对于导电没有贡献

这也是为什么

如果只是半导体材料

即使有电子

他也不会导电的原因

那为什么半导体它又具有一定的导电性呢

那原因是

如果这个半导体材料受到外界的激发

比如说有光照在这个材料上面

那价键上的电子呢

就会获得一定的动能

从而它挣脱价键的束缚

有可能逃到价键之外

逃到价键之外的这个电子呢

我们称他为自由电子

这个自由电子

他如果在电场的作用下

是会定向运动的是对导电有贡献的

因此也就是参与导电的是这个自由电子

那么在这种情况下

半导体也就具有了一定的导电性

当然

这个电子从价键上跳出去之后

这个地方就剩下了一个空位这个空位呢

邻近的电子也会跑过来填充这个空位

之后呢

空位就跑到了这个位置

那同样其他位置的电子也有可能跳过来

补充到这个位置上

因此我们可以看出就相当于这个空位

一开始在这个位置

后来跑到了这个位置

再后来又跑到了这个位置

也就是空位也可以移动

他实际上对应的是价建的电子的反向移动

因此呢

我们把为了描述这种电子

价键电子的运动和自由电子

它是不一样的

为了进行区分

我们引入了空穴的概念

空穴呢就是具有

正电荷

空穴就是

和电子带有相反的

空穴就是和电子具有相同的电量

但是电性相反的这样一个我们假设的例子

它实际上就是价键电子的反向运动

因此我们给他的定义是空穴

那么对应的能带结构上我们可以看一下

就是价带的电子

如果获得能量

他会跃迁到比较高的

这个能级也就是导带中

然后在导带中成为自由电子

而价键中这个空位呢

也就是空穴

因此

我们可以看一下对应关系

也就是导带中的自由电子对应的

就是导带电子

而空穴呢

对应的是价带的空穴

实际的半导体材料之所以能够导电

就是因为在价带的顶部有少量的电子

被激发到了导带之中

因此

在半导体材料中

导电的载流子有两种一种呢

是导带底少量的电子另外一种呢

就是价带顶部少量的空穴

那我们看一下

从这个能带结构上

我们刚才看到上面的这些电子是可以导电

而下面这些电子是不导电的

那么为什么有的导电有的不导电呢

接下来我们来看一下能带电子的导电性

我们来看

这是在布里渊区中的能带图

零点这是负半轴和正半轴

我们能够看到他的能谱是具有对称性的

那如果我们对于

能量色散关系Ek求导的话

就得到了电子在材料中运动的速度

这个速度呢

有正有负

实际上求一阶导

也就是求这个曲线的斜率

我们能看到在负半轴它的斜率是负的

因此对应的他的速度呢

就是负值

而在能量的正半轴

而在正半轴

他是正的斜率

因此它的速度是正值

因此

我们就得到了这边有负的速度的电子

这边有正速度的电子

那如果在这个能带中具有

正速度的和负速度的电子数目一样

那也就是产生的总电流是为零的

因此我们得到

如果这个能带他的占据是满的

也就是一种对称的分布

即使外加电场

他也不会产生电流

当然

如果没有电子空带

他也不会产生电流

我们得到的结论就是空带满带有无电场

均不会导电

那如果这个带是不满占据的呢

比如说有一部分电子占据

而上面这部分是没有电子的

那我们看一下

如果没有外加电场

显然他是一个对称的分布

这时候他是没有电流的

那如果我们外加一个电场呢

外加电场之后我们会发现

这些电子呢

他会呈现一个不对称的分布

这个不对称的分布使得有静电流产生

因此部分占据

这时候加电场的时候

半导体材料会导电

好我们再从能带图上对应着看一下

对于半导体材料

如果价带填满了电子

他是一个满带

显然这就像一个盒子装满了乒乓球

挤得特别满

那么我们晃动

他也不会有相对运动

那外加电场也就是他也不会产生定向运动

那如果在外界激发下有部分少量的电子

被激发到导带

那这时候呢

里面就不太满了

因此里面的电子可以动起来

而上面这个导带中也是少量的电子

他也可以动起来

这时候半导体材料就可以导电了

所以我们的结论就是少量的电子

和空穴是可以导电的

这就说明了为什么大量的电子不导电

反而量少的这些是可以导电的

能带理论还可以用来解释材料为什么

是半导体为什么是绝缘体

以及为什么具有导电特性

首先

我们看一下半导体的能带

这是填满的能带

这是空带

在他们之间

有一个禁带，禁带的宽度

使得他Eg

带隙的大小

是零点一一到一点五电子伏之间

这是半导体的能带

而对于绝缘体呢

他的能带结构和半导体是类似的

只是带隙的大小是不一样的

这个带隙的宽度是三到六个电子伏

比较大一些

那么

这两种情况对应的都是N个电子

恰好填满最低的一系列能带

再高的能带是全部是空的

这种情况还有一种情况是

除了完全占满的这些能带之外

还有只占据了一部分的能带

当然

这只占据一部分的能带被称为导带

这就是导体的情况

我们也分两种情况

首先除了满带之外

还有不满的能带就是一部分被电子占据了

而上面一部分是空的这种情况呢

对应的也就是我们前面所说的

如果一个能带是部分占据的

他显然是具有导电性的

被称为导体

上面的空能级是没有电子占据的

因此具有导电性

还有一种情况是满带和空带

部分重叠的情况

下面的是完全占满的能带

而上面的最上面的这个满带和

最低的空袋是重叠的

那这样的话

这个满带中的电子就可以部分

转移到空带中

因此空带中有了部分电子

而满带中也有了部分空状态

都变成了不满的能带

按照我们前面所讲的

因此这种情况就可以导电了

这也是导体的一种能带结构

那这两种情况我们可以看出

他在同一个能带里面都有一个

电子占据和不占据的分界面

这个分界面的也就是我们

能带图上的费米能级

那费米能级呢

就割开了电子占据带和不占据带

同样对于半导体呢

也有费米能级只是费米能级呢

是处于这个带隙之中的

那我们就可以按照费米能级的位置来

来判断到底是半导体

还是绝缘体还是导体

接下来呢我们给几个实际的例子

比如说这个能带图

我们看到他的时候

首先我们知道横轴是布里渊区的高对称点

纵轴表示能量

我们来看一下费米能级的位置

费米能级在这

我们知道费米能级以下的带是电子占据的

而费米能级以上的带是空带

而这两个能带的是连在一起的

因此这是典型的导体的能带结构

这就是一个导体

从这个图上呢

我们首先也是找费米能级

这个费米能级在这个位置

费米能级之下

是电子占据的带

上面这个带呢

是电子不占据是空的

这两个带呢

是两条能带而不是在一起的

这个是全满的

这是全空的

因此这是半导体的能带

而这个带隙的宽度可以看出来是比较宽的

有四点八电子伏

因此它是绝缘体

下面这个图我们同样去找费米能级

费米能级之下是电子占据的带

之上

是空带也是分开的两条能带

因此呢

这是半导体的能带

它的带隙是比较小的

只有

零点五电子伏大小

这两个图呢

除了他带隙的大小不一样

我们还可以看出另外一个特点

就是

对于这个图他的导带能量最小值和

价带的能量最大值是在同一个高对称点上

而对于这种情况呢

他导带的

能量最小值是在这个位置而价带的

能量最大值是在这个位置不在高对称点上

那么对于这种情况

我们称为间接带隙的材料

而对于这种在同一个高对称点上的

这样的带隙称为直接带隙

我们总结一下

我们通过这个能带分析

就可以判断材料到底是金属

还是半导体或者是绝缘体

另外呢

还可以从能带图上看出来

到底是直接带隙的半导体

还是间接带隙的半导体

这就是今天我们介绍的全部内容

我们今天主要介绍了半导体的性质

以及我国半导体产业的发展史

后面我们还介绍了半导体能带理论

由于半导体材料

它的应用主要在光电方面

因此

我们主要从电学性质和光学性质

两方面后期对他进行介绍

今天的内容就到这里

谢谢