半导体物理学一.pptx

1.4 本征半导体的导电机构本征半导体的导电机构 空穴空穴n半半导体体导电机构机构在温度在温度T=0KT=0K时，时，导带为空，价带导带为空，价带为满带，半导体为满带，半导体不导电不导电导带导带价带价带空穴的特性和意义？空穴的特性和意义？第第1页页/共共15页页半导体导电机构半导体导电机构导带导带价带价带电子电子空穴空穴 当温度上升，由于半导体禁当温度上升，由于半导体禁带宽度较窄（带宽度较窄（1eV1eV左右），价带左右），价带中部分电子被激发到导带中，发中部分电子被激发到导带中，发生本征激发，导致导带和价带均生本征激发，导致导带和价带均为不满带，导带中的电子和价带为不满带，导带中的电子和价带中的电子均可以参与导电。且价中的电子均可以参与导电。且价带中的电子导电效果用空穴来等带中的电子导电效果用空穴来等效。效。第第2页页/共共15页页半导体导电机构半导体导电机构n半半导体的体的导电机构机构电子和空穴同子和空穴同时参与参与导电：n电子：是价子：是价电子脱离原子束子脱离原子束缚后形成的准自由后形成的准自由电子，子，对应于于导带中占据的中占据的电子子n空穴：是价空穴：是价电子脱离原子束子脱离原子束缚后形成的后形成的电子空位，子空位，对应于价于价带中的中的电子空位子空位半导体中能够导电的电子和空穴被称为半导体中能够导电的电子和空穴被称为载流子载流子，半导体同半导体同金属的最大差异，正是由于这两种载流子的作用，使半导金属的最大差异，正是由于这两种载流子的作用，使半导体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件。体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件。第第3页页/共共15页页载流子载流子n载流子的不同特性：流子的不同特性：n电子：子：带负电，在，在导带底具有正的有效底具有正的有效质量量n空穴空穴：带正正电，在价，在价带顶具有正的有效具有正的有效质量量第第4页页/共共15页页空穴的特征空穴的特征带正电荷带正电荷n设一个波矢一个波矢为K的的电子被本征子被本征激激发，在价，在价带顶留下了空穴留下了空穴A。n右图表示，在外电场力右图表示，在外电场力f的作的作用下空穴用下空穴A与其它价带中的电与其它价带中的电子一样，在子一样，在k空间以相同的速空间以相同的速率从带顶到带底运动。率从带顶到带底运动。n即空穴与对应空缺的即空穴与对应空缺的k状态的状态的电子的运动规律相同电子的运动规律相同第第5页页/共共15页页空穴的特征空穴的特征带正电荷带正电荷因因为价价带有一个空有一个空态，在外力下存在，在外力下存在电流。流。设为JJ=J=存在存在A A空位的价带电子总电流空位的价带电子总电流设想以一个电子填充到空的设想以一个电子填充到空的k状态，该电子电流为状态，该电子电流为填入这个电子后价带又被填满填入这个电子后价带又被填满,总电流应为零总电流应为零n表明当价带表明当价带k状态空出时，价带电子的总电流，状态空出时，价带电子的总电流，如同一个正电荷的粒子以如同一个正电荷的粒子以k状态电子速度状态电子速度v（k）运动时所产生的电流，因而通常把空）运动时所产生的电流，因而通常把空穴看做具有正电荷穴看做具有正电荷第第6页页/共共15页页空穴的特征空穴的特征具有正的有效质量具有正的有效质量n空穴与对应的空缺空穴与对应的空缺k k状态的电子的运动规律相同状态的电子的运动规律相同k k状态电子加速度：状态电子加速度：由于空穴具有正电荷，它的受力为：由于空穴具有正电荷，它的受力为：空穴加速度可表示为：空穴加速度可表示为：n 由于空穴一般位于价带顶，在价带顶电子有效质量为负由于空穴一般位于价带顶，在价带顶电子有效质量为负值，所以空穴的有效质量为正值，所以空穴的有效质量为正令令即为空穴的有效质量即为空穴的有效质量也就是空穴的加速度也就是空穴的加速度第第7页页/共共15页页空穴概念小结空穴概念小结n空穴空穴带一个一个电子子电量的正量的正电荷荷n空穴位于价空穴位于价带顶，有效，有效质量是一个正常数，它与量是一个正常数，它与价价带顶附近空附近空态电子有效子有效质量大小相等，符号相量大小相等，符号相反反n空穴的运空穴的运动速度就是价速度就是价带顶附近空附近空态电子运子运动速速度度n空穴的空穴的浓度就是价度就是价带顶附近空附近空态的的浓度度pn空穴是一种假想粒子，它概括了未填空穴是一种假想粒子，它概括了未填满价价带中大中大量量电子子对半半导体体导电电流的流的贡献献第第8页页/共共15页页例题例题1n证明：明：对于能于能带中的中的电子，子，k状状态和和-k状状态的的电子速度大子速度大小相等，方向相反，即小相等，方向相反，即v(k)=-v(-k),并解并解释下列两种情况下列两种情况下晶体下晶体总电流流为零。零。无外无外场力力时的能的能带 有外有外场力力时的的满带电子子解：解：对一维情况对一维情况K状态电子的速度为：状态电子的速度为：第第9页页/共共15页页则：则：所以：所以：因电子占据某个状态的几率只与能量有关，而显然因电子占据某个状态的几率只与能量有关，而显然故电子占有故电子占有K状态和状态和-k状态的几率相同，即状态的几率相同，即两种状态的电子数量相同两种状态的电子数量相同又又两个状态的电子运动速度大小相等方向相反，电子电流相互抵消两个状态的电子运动速度大小相等方向相反，电子电流相互抵消，则，则电子电子总电流为总电流为0第第10页页/共共15页页例例2 通常，晶格势场对电子的作用力通常，晶格势场对电子的作用力fl不容不容易测得，但可以通过它与外场力易测得，但可以通过它与外场力fe的关系的关系得到。证明它们关系为：得到。证明它们关系为：第第11页页/共共15页页例例3n对与晶格常数与晶格常数为2.5x10-10 m的一的一维晶晶格，当外加格，当外加102 v/m 的的电场和和10 7 v/m的的电场时，分，分别计算算电子子自能自能带底到能底到能带顶所用所用的的时间。第第12页页/共共15页页代入数据代入数据当电场为当电场为102 v/m时，时，t=8.3x10-8 s当电场为当电场为107 v/m时，时，t=8.3x10-13 s第第13页页/共共15页页例例4n根据如根据如图所示的能量曲所示的能量曲线E(K)的形状的形状试分析，分析，n（1）那个能）那个能带中，中，电子有效子有效质量数量数值最小。最小。n（2）设，为满带，带为空空带，若少量，若少量电子子进入入带，在，在带中中产生同生同样数目的空穴，数目的空穴，那么那么带中空穴的有效中空穴的有效质量比量比带中中电子的有子的有效效质量大，量大，还是小？是小？第第14页页/共共15页页例例5n曲曲线A自由自由电子的子的E-K曲曲线，B为半半导体中体中电子的子的E-K曲曲线，画出，画出dE/dk-k曲曲线，d2E/dk2-k的曲的曲线，说明自由明自由电子有效子有效质量与半量与半导体体电子子有效有效质量的不同之量的不同之处。第第15页页/共共15页页