SSP第10章半导体电子论课件.ppt

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1、第十章半导体电子论1目录10.1半导体的晶体结构10.2　半导体的能带结构10.3　杂质半导体10.4　半导体载流子的统计分布210.1.1半导体的导电特征10.1半导体的晶体结构1、在零K下，不导电；2、在室温下，电阻率在10-4~10-7m，比金属电阻率大103倍，比绝缘体电阻率小107倍；3、导电特性极大地依赖于温度，杂质，光照等因素。本章目的之一固体物理学基本知识的应用例子。10.1.2半导体的晶体结构按结合性质分成三类：Ⅳ族单质半导体，如：Si(14),1s22s22p63s23p2，Ge(32),1s

2、22s22p63s23p63d104s24p2。典型共价晶体。ns2np2ns1np3杂化轨道形成4个共用电子对。典型金刚石结构，基元构成，布拉菲格子？SiSiSiSiSi3(2)Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，GaAs砷化镓，InSb锑化铟，GaP磷化镓。共价键和离子键混合，且有方向性和极性，电子对偏向负电性较高的原子。晶体结构？fcc格子，复式格子，构成基元，闪锌矿。结构上的极性，使晶体在外场下可以发生极化；离子位移影响介电常数。(3)Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，CdS，硫化镉，ZnS，硫化锌。典型的电致发光

3、材料。具有明显极性的共价键结合，极化特征比Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体更强。AsAsAsAsGa10.1半导体的晶体结构10.1.2半导体的晶体结构410.2.1半导体载流子类型几个名词：价带----被电子占满的能量最高的能带导带----能量最低的空能带禁带----价带和导带间的能隙半导体与绝缘体的差别仅在于能隙较小，它们均无不满带。半导体在常温下，少量价带电子可热激发跃迁至导带，使导带底部有少量电子，同时使价带顶部有少量空穴。载流子----半导体中载流子来自导带底部电子和价带顶部空穴。半导体的导电性质，只

4、涉及这些能带极值附近的电子和空穴。价带Eg能隙导带E(k)k10.2半导体的能带结构510.2.2半导体载流子特征能带理论一个重要推论：能带极值(带顶和带底)附近位置的电子能谱，可被视为具有有效质量m*的自由电子。10.2半导体的能带结构6进一步简化半导体载流子能量表达式令，EV(k)为价带顶部电子能量EC(k)为导带底部电子能量EV(k0V)为价带带顶极值能量EC(k0C)为导带带底极值能量考虑最简单情形，电子等能面为球面，则E是k的二次函数，其二阶导数是常数，即，有效质量是一个标量。从而有，价带导带EC(k)E

5、V(k)EC(k0C)EV(k0V)E(k)k10.2半导体的能带结构10.2.2半导体载流子特征710.2.3半导体能带结构参数Eg测定(1)半导体的能隙Eg结构半导体的二种能隙结构直接能隙半导体：k0V=k0C间接能隙半导体：k0V≠k0C半导体光吸收的发光特征可以区别二种能隙结构。价带导带EC(k)EV(k)EC(k0C)EV(k0V)E(k)kkk0V=k0Ck0Ck0Vk0V≠k0C(2)半导体的本征光吸收定义：价带电子受光照，吸收能量，激发到导带，形成电子-空穴对的过程为半导体本征光吸收。10.2半导体

6、的能带结构8(3)定义本征吸收边：10.2半导体的能带结构10.2.3半导体能带结构参数Eg测定9(4)二种能隙结构对应在本征吸收边附近二种光吸收过程1、第一种类型----对应直接能隙结构k0V=k0C一般本征吸收光子波矢~104cm-1，而靠近布里渊区界面附近电子波矢~108cm-1，所以，k光子0，即，这一结果表明，跃迁前后电子波矢可视为不变。具有直接能隙结构半导体可满足这一过程。通常也称这一过程为竖直跃迁。k0Ck0Vk0V=k0C10.2半导体的能带结构10.2.3半导体能带结构参数Eg测定102、第二种

7、类型----对应间接能隙结构k0V≠k0C一般声子能量为eV/102，光子能量为eV，所以，ћ声子0，即，上述过程光子提供跃迁能量，声子提供跃迁准动量。具有间接能隙结构半导体可满足这一过程。通常也称这一过程为非竖直跃迁。非竖直跃迁是一个电子、光子和声子共同参与的二级碰撞过程，所以，非竖直跃迁几率远小于竖直跃迁几率。k0Ck0Vk0V≠k0C10.2半导体的能带结构10.2.3半导体能带结构参数Eg测定1110.2半导体的能带结构(5)电子-空穴对复合发光本征吸收的逆过程：导带电子(激发态)返回价带，发射光子的过

8、程。通过半导体的本征光吸收及发射的实验测量，可以测定半导体的带隙宽度Eg.10.2.3半导体能带结构参数Eg测定直接带隙半导体复合发光几率远大于间接带隙半导体复合发光几率。电子-空穴复合发光器件，均采用直接能隙半导体。1210.2.4半导体能带结构参数me*测定(1)布洛赫电子在恒定磁场中的运动轨迹设，电子电荷e，外磁场B，电子速度V=ћ▽E(k)，则，洛仑