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5. 半导体材料 5. 半导体材料 5.1 半导体材料的一般性质 5.2 Si Ge半导体材料 5.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 5.4 Ⅱ-Ⅵ族化合物和硫属半导体 5.1.2 半导体中的电子状态 1 能带特征 晶体中电子的共有化运动 能带理论的应用 金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的，所以金属是良好的导电体 半导体和绝缘体的能带类似，即下面是已被价电子占满的满带（其下面还有被内层电子占满的若干满带），亦称价带，中间为禁带，上面是空带。因此，在外电场作用下并不导电，但是这只是绝对温度为零时的情况。 半导体中导带的电子和价带的空穴参与导电，这是与金属导体的最大差别。 绝缘体的禁带宽度很大，激发电子需要很大的能量，在通常温度下，能激发到导带中的电子很少，所以导电性很差。 2. 半导体中的电子和空穴 半导体中的电子 晶体中电子的运动状态要比自由电子复杂得多，主要是因为在半导体中存在着周期电场。但是我们可以采用等效理论来分析半导体中的电子和空穴，将半导体周期势场的作用等效为有效质量： 有效质量的意义 有效质量的意义在于:它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。 ?mn*可以直接由实验测定，因而可以很方便地解决电子的运动规律 有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大。 ?内层电子的能带窄，有效质量大 ?外层电子的能带宽，有效质量小 ?外层电子，在外力的作用下可以获得较大的加速度。 2. 半导体中的电子和空穴 半导体中的空穴 价带内某一状态空出时，价带的电子产生的总电流，就如同一个带正电荷q的粒子，以这一状态的电子速度V运动时所产生的电流。这个带正电荷q的粒子能描述具有空状态的价带中电子的导电作用，通常把它称为空穴。 空穴也可以同波矢、能量、有效质量等关系描述。 3. 本征半导体 N-半导体 P-半导体 3. 本征半导体 N-半导体 P-半导体 4.热平衡载流子与非平衡载流子 载流子：晶体中荷载电流（或传导电流）的粒子。金属中为电子，半导体中有两种载流子即电子和空穴。 在一定温度下,半导体处于热平衡状态,半导体中的导电电子浓度n0和空穴浓度p0都保持一个稳定的数值,这种处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。 非平衡载流子 外场：光效应、热效应、电效应、磁效应。 光效应： 5.1.3 半导体的电学性质 2. 迁移率与电导率 温度影响（参见p184） 3.p-n 结 1 P-N结形成 2 PN结的单向导电性 3 反向击穿 当的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。 5.1.4 半导体的光学性质 1 光吸收 （2）激子吸收：在本征吸收限，光子的吸收恰好形成一个在导带底的电子和一个在价带顶的空穴。这样形成的是完全自由的电子和空穴，它们之间没有相互作用，在外加电场的作用下能改变运动状态而且能使电导率增大。但在低温时发现，某些晶体在本征连续吸收光谱出现以前，即hνEg时，就已经出现一系列吸收线，并且对应于这些吸收线并不伴有光电导。这是因为这种吸收并不引起价带电子直接激发到导带，而是形成所谓“激子”。即受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新系统，称为：激子。 1 光吸收 （3）自由载流子吸收：对于一般半导体材料，当入射光子能量不够高不足以引起电子从带到带的跃迁或形成激子时，仍然存在吸收，而且其强度随波长增大而增加。这是自由载流子的跃迁引起的，称为自由载流子吸收。与本征跃迁不同，自由载流子吸收中，电子从低能态到高能态的跃迁是在同一能带内发生的。一般表现为红外吸收。 1 光吸收 （4）杂质吸收：束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。电子可以吸收光子跃迁到导带能级；空穴也同样可以吸收光子而跃迁到价带（或者说电子离开价带填补了束缚在杂质能级上的空穴）。这种光吸收称为杂质吸收。杂质吸收也引起连续的吸收光谱，引起杂质吸收的最低光子能量显然等于杂质上电子或空穴的电离能，因此，杂质吸收光谱也具有长波吸收限。 （5）晶格振动吸收 2 半导体的光电导 光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。 光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称，又称为