半导体能带结构.ppt

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1、7、半导体的能带结构a.半导体的能带：对半导体来说，电子填满了一些能量较低的能带，称为满带，最上面的满带称为价带；价带上面有一系列空带，最下面的空带称为导带。价带和导带有带隙，带隙宽度用Eg表示它代表价带顶和导带底的能量间隙。对于本征半导体在绝对零度没有激发的情况下，价带被电子填满，导带没有电子。在一般温度，由于热激发，有少量电子从价带跃迁到导带，使导带有少量电子，而在价带留下少量空穴,这种激发我们称之为本征激发。半导体的导电就是依靠导带底的少量电子和价带顶的少量空穴。b.半导体的光吸收光照可以激发价带的电子到导带，形成电子－空穴对，这个过程称为本征光吸收，本征光吸收光

2、子的能量ħω应满足或其中为光波的波长，上式表明，存在有长波限称为本征吸收边,在本征吸收边附近的光跃迁有两种类型：（a):第一种类型对应于导带底和价带顶在k空间相同点的情况，如图(a)所示。电子吸收光子自价带k状态跃迁到导带k’状态时除了满足能量守恒以外，还必须符合准动量守恒的选择定则，即具有这种带隙结构的半导体称为直接带隙半导体在讨论本征吸收时，光子的动量可以略去，因为本征吸收光子的波矢为10４cm-1，而在能带论中布里渊区的尺度为2π/晶格常数，数量级是10８cm-1，因此本征光吸收中，因此光吸收的跃迁选择定则可以近似写成这就是说，在跃迁过程中，波矢可以看做是不变的，

3、在能带的E(k)图上，初态和末态几乎在同一条竖直线上，这样的跃迁常称为竖直跃迁。(b)：第二种类型对应于导带底和价带顶在k空间不同点的情况，如图(b)所示：这时在本征吸收边附近的光吸收过程是所谓非竖直跃迁，在这种情况下，单纯吸收光子不能使电子由价带顶跃迁到导带底，必须在吸收光子的同时伴随有吸收或发射一个声子。能量守恒关系为：电子能量差＝光子能量±声子能量具有这种带隙结构的半导体称为间接带隙半导体但是声子能量是较小的，数量级为百分之几电子伏以下，因此近似的有电子能量差＝光子能量而准动量守恒的跃迁选择定则为其中ħq为声子的准动量，它与能带中电子的准动量相仿，略去光子动量，有

4、结论：（１）在非竖直跃迁中，光子主要提供跃迁所需要的能量，而声子则主要提供跃迁所需要的准动量（２）与竖直跃迁相比，非竖直跃迁是一个二级过程，发生的几率要小得多（２）由于与光吸收情况相同的原因，在直接带隙半导体中这种发光的几率远大于间接带隙半导体．c．电子－空穴复合发光：考虑一个与半导体的光吸收相反的过程，导带中的电子可以跃迁到价带空能级而发射光子，这称为电子－空穴复合发光。复合发光的特点：（１）一般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上等于带隙宽度．制作复合发光的发光器件（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宽度）．应用：在实际的

5、半导体材料中,总是不可避免地存在有杂质和各种类型的缺陷.特别是在半导体的研究和应用中,常常有意识的加入适当的杂质.这些杂质和缺陷产生的附加势场,有可能使电子和空穴束缚在杂质和缺陷的周围,产生局域化的电子态,在禁带中引入相应的杂质和缺陷能级.三、杂质和缺陷能级（2）替位式→杂质原子取代半导体的元素或离子的格点位置。间隙式杂质：杂质原子进入半导体以后，位于晶格间隙位置或取代晶格原子，称为间隙式杂质．替位式杂质：杂质原子进入半导体以后，取代晶格原子，这种杂质称为替位式杂质，要求杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近并且价电子壳层结构比较相近。1、杂质的存在方式BA3.

6、杂质半导体n型半导体四价的本征半导体Si、Ｇｅ等，掺入少量五价的杂质（impurity）元素（如P、As等）形成电子型半导体,称n型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处,ED～10-2eV，极易形成电子导电。该能级称为施主（donor）能级。n型半导体在n型半导体中电子……多数载流子空带满带施主能级EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴……少数载流子ｐ型半导体四价的本征半导体Si、Ｇe等，掺入少量三价的杂质元素（如Ｂ、Ga、Ｉn等）形成空穴型半导体，称p型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，ED～10

7、-2eV，极易产生空穴导电。空带Ea满带受主能级P型半导体SiSiSiSiSiSiSi+BEg在p型半导体中空穴……多数载流子电子……少数载流子假设在能带中能量E与E+dE之间的能量间隔dE内有量子态dZ个，则定义状态密度g（E）为：1.3半导体中载流子的统计分布1、状态密度费米分布函数电子遵循费米-狄拉克（Fermi-Dirac）统计分布规律。能量为E的一个独立的电子态被一个电子占据的几率为2、费米能级和载流子统计分布费米能级EF的意义EF波尔兹曼（Boltzmann）分布函数当E-EF》k0T时,服从Boltzmann分布的电子系统非