第2章 半导体物理概论.ppt

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1、河南科技大学《半导体材料及工艺》第二章半导体物理概论2.1半导体中电子的能量状态2.2半导体的导电性2.3半导体中的额外载流子2.1半导体中电子的能量状态2.1.1能带理论2.1.2半导体的能带结构2.1.3半导体中的载流子2.1.4载流子的有效质量2.1.1能带理论1.能带论概念假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其他电子的平均势场中运动。用单电子近似法研究晶体中电子状态的理论称为能带论。2.能带和禁带的定义电子状态按能量的聚集具有带状特征，称为能带。能量禁区叫禁带，或称能隙原子的能级和晶体的能带电子在原子核势场和

2、其他电子作用下分列在不同能级相邻原子壳层形成交叠原子相互接近形成晶体共有化运动共有化运动：由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能级，准连续的，可看作一个能带多电子原子能级晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小，原来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠：1.电子不再完全局限于某一个原子，形成“共有化”电子。2.原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能级，准连续的，可看作一个能带自由电子的电子状态粒子：质

3、量为m0，速度为v波：波数为k，频率为f波粒二象性：自由电子的电子状态自由电子E与k的关系自由电子的能量E与波失k的关系呈抛物线形状。波失k可以描述自由电子的运动状态不同的k值标志自由电子的不同状态波失k的连续变化，自由电子的能量是连续能谱，从零到无限大的所有能量值都是允许的。Ek半导体中的电子状态晶体中电子的能量E和波失k的关系曲线基本和自由电子的关系曲线一样，但在时，能量出现不连续，形成了一系列的允带和禁带。每一个布里渊区对应于一个允带禁带出现在处，即出现在布里渊区边界上电子分布原则1.最低能量原理电子在核外排列应尽先分布在低

4、能级轨道上,使整个原子系统能量最低。2.Pauli不相容原理每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。3.Hund规则在能级简并的轨道上，电子尽可能自旋平行地分占不同的轨道；全充满、半充满、全空的状态比较稳定半导体、导体和绝缘体的能带特征Eg>6eVEg绝缘体半导体价带导带导体三者的主要区别：禁带宽度和导带填充程度金属导带半满半导体禁带宽度一般在1eV-3eV之间绝缘体禁带宽一般在6eV-7ev以上，且导带空常温下：Si：Eg=1.12evGe:Eg=0.67evGaAs:Eg=1.43ev直接禁带间接禁带禁带宽度：导带底与价

5、带顶之间的间隙。2.1.2半导体的能带结构直接带隙半导体间接带隙半导体价带的极大值和导带的极小值都位于k空间的同一点上价带的电子跃迁到导带时，只要求能量的改变，而电子的准动量不发生变化，称为直接跃迁直接跃迁对应的半导体材料称为直接禁带半导体例子：GaAs，GaN，ZnO价带的极大值和导带的极小值位于k空间的不同点上价带的电子跃迁到导带时，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改变，称为间接跃迁间接跃迁对应的半导体材料称为间接禁带半导体例子：Si，Ge直接跃迁和间接跃迁考虑到光子的动量较小，可以忽略因而电子吸收或放出一个光子，发

6、生跃迁时电子的动量基本不变单纯的光跃迁过程是直接跃迁，效率高间接跃迁为了能量守恒，必须有声子参加，因而发生间接跃迁的概率要小得多2.1.3半导体的载流子满带不导电概念：满带里面的量子态全部被电子占据，没有自由移动的电子。满带：电子数=状态数不满带：价带：电子数>>空态数导带：电子数<<空态数1.满带对电流无贡献2.不满带对电流有贡献不满带中的电子电流电子空穴半导体的载流子（1）电子条件非零温度下，热激发和杂质的共同作用价带顶部的电子被激发到导带后，形成了传导电子传导电子参与导电电子带有负电荷－q传导电子价带导带禁带空穴概念的引入假

7、设满带中只有某一个状态k未被电子占据以j(k)表示应产生的电流当k态缺少一个电子时，近满带的总电流就如同一个具有正电荷e的粒子，以空状态k的电子速度v(k)所产生的（2）空穴价带顶部的电子被激发到导带后，价带中就留下了一些空状态激发一个电子到导带，价带中就出现一个空状态把价带中空着的状态看成是带正电的粒子，称为空穴空穴“带”正电荷＋q价带导带禁带空穴半导体的导电特征导带上的电子参与导电价带上的空穴也参与导电半导体具有电子和空穴两种载流子金属只有电子一种载流子半导体中的E(k)与k的关系设能带底位于波数k，将E(k)在k=0处安泰勒

8、级数展开，取至k2项，可得2.1.4载流子的有效质量由于k=0时能量极小，所以一阶导数为0，有由于E(0)为导带底能量，对于给定半导体二阶导数为恒定值，E(0)＝0，令所以有式中的称为导带底电子有效质量若价带顶也位于k=0处，则按照与上述相同的方法