07-半导体电子论分解.ppt

第7章 半导体电子论 半导体材料 —— 一种特殊的固体材料 固体能带理论的发展  半导体的研究起到了的指导推动作用 半导体 半导体材料与技术的应用发展  固体物理研究的深度与广度产生了推进作用 电子的运动是多样化的 材料性质与杂质、光照、温度和压力等因素有着密切关系 半导体物理的研究 —— 进一步揭示材料中电子各种形式的运动，阐明其运动规律 半导体的能带 —— 一般温度下，由于热激发价带顶部有少量的空穴，导带底部有少量的电子 —— 电子和空穴是半导体中的载流子，决定了半导体的导电能力 §7.1 半导体的基本能带结构 1. 半导体的带隙 本征光吸收 —— 光照将价带中的电子激发到导带中 形成电子 — 空穴对 光子的能量满足 长波极限 —— 本征吸收边，发生本征光吸收的最大光的波长 本征边附近光的跃迁 1) 竖直跃迁 —— 直接带隙半导体 满足能量守恒 满足准动量守恒的选择定则 价带顶部电子的波矢 光子的波矢 —— 跃迁的过程中，电子的波矢可以看作是不变的 准动量守恒的选择定则 在能带的图示上，初态和末态几乎在一条竖直线上，价带顶和导带底处于k空间的同一点 —— 称为竖直跃迁 —— 直接带隙半导体 直接带隙半导体 2) 非竖直跃迁 —— 间接带隙半导体 —— 单纯吸收光子不能使电子由价带顶跃迁到导带底，电子在吸收光子的同时伴随着吸收或者发出一个声子 能量守恒 准动量守恒的选择定则 能量守恒 声子的能量 —— 可忽略不计 非竖直跃迁是一个二级过程，发生几率比起竖直跃迁小得多 —— 间接带隙半导体 间接带隙半导体 —— 非竖直跃迁过程中，光子提供电子跃迁所需的能量，声子提供跃迁所需的动量 —— 半导体带隙宽度和类别可以通过本征光吸收进行测定 电子－空穴对复合发光 本征光吸收的逆过程 —— 导带底部的电子跃迁到价带顶部的空能级，发出能量约为带隙宽度的光子 —— 用电导率随温度的变化来测定 2. 带边有效质量 半导体基本参数之一 —— 导带底附近电子的有效质量和价带顶附近空穴有效质量 电子能量 有效质量 有效质量的计算 晶体中电子的波函数可以写成布洛赫波 电子的布洛赫波满足 整理得到 —— 方程的解为晶格周期性函数 求解方程 利用周期性函数解的条件 得到电子的全部能量 满足的方程 —— 周期性场中电子的哈密顿函数和波函数 零级波函数 —— 微扰项 假设能带是非简并情况 能量一级修正 因为 能量二级修正 比较 有效质量 —— 不为零 —— 很小 该项将起主要作用 —— 导带（布里渊区中心）点附近的有效质量 —— 主要作用是价带 ____ 导带底与价带顶能量差最小 —— 只保留起主要作用的一项，分母能量差是带隙宽度 —— 带隙宽度越小，有效质量越小 有效质量 几种半导体材料的带隙宽度与有效质量 —— 有效质量往往是各向异性的 —— 在纵向和横向方向上有贡献的n’能带不同，纵向有效 质量和横向有效质量是不同的 利用回旋共振方法测得的 Ge, Si 导带的有效质量 理想的半导体材料 —— 没有缺陷或没有杂质 —— 对纯的半导体材料掺入适当的杂质，可以提供载流子 实际的半导体 —— 除了与能带对应的电子共有化状态以外，还有一些 电子被杂质或者缺陷原子所束缚 载流子 —— 激发到导带中的电子和价带中的空穴 §7.2 半导体中的杂质 实际的半导体 —— 束缚电子具有确定的能级，杂质能级位于带隙中接近 导带的位置 —— 一般温度下，可将杂质束缚的电子激发到导带中 —— 对半导体的导电性能产生大的影响 一个IV族元素Ge（4价）被一个V族元素As（5价）取代 As原子和近邻的4个Ge原子形成共价键后尚剩余一个电子 共价键是一种很强的化学键，束缚在共价键上的电子能量很低 —— 价带中的电子 多余一个电子受到As+静电束缚作用相当微弱 —— 位于带隙之中，且非常接近导带底 吸收很小的能量，从带隙跃迁到导带中—— 电子载流子 —— B原子和近邻的4个Si原子形成共价键尚缺一个电子 在价带中形成一个空穴 —— B原子成为负离子 空穴的能量位于带隙之中，且非常接近价带顶 附近Si原子价键上的电子不需要增加多少能量便可以容易地来填补B原子周围价键的空缺 一个IV族元素Si（4价）被一个III族元素B（3价）所取代 一个IV族元素Si（4价）被一个III族元素B（3价）所取代 1. 施主和受主 —— 掺杂元素对导电不同影响，杂质态可分为两种类型 1) 施主 杂质在带隙中提供带有电子的能级，能级略低于导带底的能量，和价带中的电子相比较，很容易激发到导带中 —— 电子载流子 主要含有施主