半导体电子论.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2012/12/27,#,Solid State Physics,固体物理学,李清旭,SLXY-CQUPT,1,第七章,半导体电子论,2,半导体的能带结构,半导体光吸收和光发射,光可以激发价带电子到导带，形成电子,-,空穴,对，这个过程称为,本征光吸收,。,本征光吸收过程应满足能量守恒，有：,激发电子的光子能量必须大于带隙宽度，因而,半导体本征光吸收存在长波限，称为本征吸收边。,竖直跃迁,光吸收过程还必须满足准动量守恒：,考虑到光子的动量很小，波矢在跃迁前后可以近,似看作不变。在能带图中，初态和末态几乎在同一竖直线上称为,竖直跃迁,。,非竖直跃迁,如果本征吸收的初态和末态对应于,k,空间不同点，,对应的吸收过程称为,非竖直跃迁,。这时，吸收光子的,同时还伴随有声子的吸收或发射来保证能量和动量守,恒：,与竖直跃迁类似，这里也略去了光子动量。,光子提供跃迁所需能量，声子提供跃迁所需动量，,发生几率比竖直跃迁小得多,。,通常称导带底和价带顶位于,k,空间同一点,的半导体称为,直接带隙半导体,，而把导带底和,价带顶位于,k,空间不同点的半导体称为,间接带,隙半导体,。,电子空穴复合发光,导带电子跃迁到价带空能级发射光子，是上述,光吸收过程的逆过程，称为,电子,-,空穴复合发光,。,通常情况下，电子集中在导带底，空穴集中在,价带顶，发射光子的能量基本等于带隙宽度。由于,和光吸收相同的原因，直接带隙半导体发生这种发,光的几率远大于间接带隙半导体。,因此制作电子,-,空穴发光器件时，一般要用直接带隙半导体。发光,的颜色取决于半导体的带隙。,带隙宽度是半导体能带的一个基本参数,，,可以用本征光吸收实验测定，也可以用电导率,随温度变化的实验来测定,。光学测量方法还可,以确定是直接还是间接带隙半导体。,Ge,、,Si,材,料都是间接带隙半导体；,GaAs,、,InSb,是直接带,隙半导体；,-Sn,的带隙宽度为,0,，称为,零带隙半导体,。,带边有效质量,导带底和价带顶附近的电子有效质量也是半导,体能带的基本参数,。,在,极值点,k,0,附近,，把能量展开到二阶：,有效质量由二次项决定。,由波动方程：,若已知,k,0,处的解，可以用微扰方法计算求得该,点附近的解。,微扰方法,点：,适当选择主轴方向，可以简化为：,从而可以得到有效质量为：,求和项中通常只有一个态的贡献是重要的。一,些常见半导体,点极小附近的有效质量起作用的主,要是价带。,这时求和项中可以近似只保留价带贡献。分母,中的能量差就等于带隙宽度，因而带隙宽度越小，,有效质量越小。,极值点不是,点时可以做类似讨论，有,:,这时有效质量通常是各向异性的，沿对称轴方,向的有效质量称为,纵向有效质量,，垂直于对称轴方,向的称为,横向有效质量，,二者不相等。,施主和,N,型半导体,半导体中的杂质或缺陷会在能带中产生一定,数目的束缚能级。这些束缚能级位于带隙中，对,半导体的性质有决定性的作用。,施主,：,杂质在带隙中提供带有电子的能级,。这时,电子由施主能级激发到导带远比由满带产生激发,容易,。这时由施主能级激发到导带的电子提供了,半导体导电的载流子，称为,N,型半导体,。,受主和,P,型半导体,受主,：,杂质在带隙中提供空的能级,。这时,电子由,满带激发到受主能级远比激发到导带要容易,。这,时由价带电子激发到受主能级而产生的空穴提供,了这类半导体导电的载流子，称为,P,型半导体,。,Fig,7.1,施主和受主,满带,导带,满带,导带,类氢杂质能级,有一类,最简单也是最重要的杂质能级,-,类氢杂质能级,：在,Ge,、,Si,、,III-V,族化合物等半导体材料中,加入多一个价电子的原子，则成为施主,，,如在,Ge,、,Si,中加入,P,、,As,、,Sb,或在,III-V,族化合物晶体中加入,VI,族元素代替,V,族元素,；,加入少一个电子的原子，则成为受主,，如在,Ge,、,Si,中加入,Al,、,Ga,等或在,III-V,族化合物晶体中加入,II,族元素代替,III,族元素。,在这种情况下，满带之外多一个电子，同时也比原来原子多一个正电荷，多余的正电荷束缚多余的电子，可以证明施主电离能为：,施主电离是指电子摆脱施主束缚而在导带中运动,。,类氢杂质的束缚能很小，施主（受主）能级很靠近导带（价带），又称为,浅能级杂质,。,深能级杂质,有些杂质在带隙中引入的能级较深，称为,深,能级杂质,。,Fig,7.2 Si,晶体中,Ag,杂质的深能级,深能级杂质大多是多重能级，且可以有不同的,带电状态,。深能级杂质和缺陷在半导体中起着多方,面的作用：可以是有效的复合中心，大大降低载流,子的寿命；可以成为非辐射复合中心影响发光效率；,可以作为补偿杂质提高材料的电阻率。,The End,21,