固体与半导体物理(第四章).pptVIP

{4.1 半导体的能带结构 第四章 平衡状态下的半导体 1.各向异性模型 等能面是一系列环绕 的椭球面。 2.各向同性模型 等能面是一系列环绕 的球面。 极值位于空间原点 能量极值位于 导带底附近 价带顶附近 导带底能量 导带底电子有效质量 价带顶能量 价带顶空穴有效质量 理想半导体的能带模型 二.常见半导体的能带结构 1. Si的能带结构 (1)导带 多极值的能带结构 Eg=1.12ev (2)价带 由三个子带构成 a－重空穴带 b－轻空穴带 c－分裂带 (3) 间接带隙半导体 导带底和价带顶处于不同k值 2. Ge的能带结构 (1)导带 多极值能带结构 Eg=0.67ev (2)价带 与Si相同 (3) 间接带隙半导体 3. GaAs的能带结构 Eg=1.43ev 价带基本与Si、Ge相同 直接带隙半导体 导带底和价带顶位于同一k值 4. Eg与温度T的关系 负温度系数，与材料有关 1.52ev 0.74ev 1.17ev 0K 1.43ev 0.67ev 1.12ev 300K {4.1 本征半导体和杂质半导体 一.本征半导体 无杂质和缺陷 存在本征激发 1.本征激发 价带电子称为导带电子的过程 2.能带图 3.禁带宽度 是电子脱离共价键所需的最低能量 2.半导体呈本征型的条件 (1)高纯度、结构完整的半导体 (2)高温下的杂质半导体 二.杂质半导体 1. n型半导体 主要依靠导带电子导电的半导体 电子摆脱共价键的束缚 价带电子成为导带电子 (1) 施主杂质 在Si、Ge Ⅳ族元素中掺入P、As、Sb等Ⅴ元素 形成一个正电中心和一个电子 提供导带电子－施主杂质 (2) 施主杂质能级 (3) 施主杂质电离能 氢原子模型 A: 电子受到晶格势场作用，用有效质量 取代电子的惯性质量。 B: 杂质处于晶体中，考虑晶体介电常数 的影响。 施主能级和施主电离 氢原子基态电子的电离能 施主杂质的电离能 0.0096 0.0127 0.0126 Ge 0.039 0.049 0.044 Si Sb As P 杂质 电离能（ev) 晶体 2. P型半导体 主要依靠价带空穴导电的半导体 (1) 受主杂质 在Si、Ge Ⅳ族元素中掺入B、Al、Ga、In等Ⅲ元素 形成一个负电中心和一个空穴 提供价带空穴－受主杂质 (2) 受主杂质能级 (3) 受主杂质电离能 受主能级和受主电离 0.011 0.01 0.01 Ge 0.065 0.057 0.045 Si Ga Al B 杂质 电离能（ev) 晶体 0.011 0.16 In 3.杂质补偿 半导体呈n型 掺入GaAs中的Si或Ge是受主杂质还是施主杂质？ 半导体呈P型 杂质很多，但导带电子和价带空穴很少，电学性质很差。 {4.3 热平衡载流子的统计分布 一.热平衡状态 导带电子来源： (1)本征激发的电子 (2)施主杂质电离 价带空穴来源： (1)本征激发后价带形成的空穴 (2)受主杂质电离 热平衡载流子－热平衡状态时的导带电子和价带空穴 对于自由电子 导带底附近的状态密度 价带顶附近的能量函数 价带顶附近的状态密度 二.状态密度 导带底附近的能量函数 状态密度 三.载流子的统计分布 1.电子的统计分布 在热平衡状态下，能量为E的量子态被电子占据的几率 电子的费米分布 电子的玻尔兹曼分布 2.空穴的统计分布 空穴的费米分布 空穴的玻尔兹曼分布 3.本征半导体、轻掺杂半导体用玻尔兹曼分布函数描述 非简并半导体 本征半导体 n型半导体 P型半导体 满足 4.重掺杂半导体用费米分布函数描述 简并半导体 n型半导体 p型半导体 四.热平衡载流子浓度 考虑：（1）能带中能级连续分布，用 （2）用导带底附近的状态密度 代替导带的状态密度 （3）非简并半导体服从玻尔兹曼分布 导带有效状态密度 1.导带电子浓度 2.价带空穴浓度 3.载流子浓度乘积 热平衡状态下的非简并半导体的判据式 价带有效状态密度 五.本征半导体的费米能级和载流子浓度 1.费米能级 电中性条件 2.本征载流子浓度 用 和 表示 和 六.杂质半导体的费米能级和载流子浓度 n型： p型: 电子－多子 空穴－少子 电子－少子 空穴－多子 1.杂质能级上载流子的分布函数 （1）施主能级上电子的分布函数 A:施主能级上的电子浓度 未电离的施主浓度 B:电离施主浓度