半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)解析.ppt

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1、7、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)a.半導(dǎo)體的能帶：對半導(dǎo)體來說，電子填滿了一些能量較低的能帶，稱為滿帶，最上面的滿帶稱為價帶；價帶上面有一系列空帶，最下面的空帶稱為導(dǎo)帶。價帶和導(dǎo)帶有帶隙，帶隙寬度用Eg表示它代表價帶頂和導(dǎo)帶底的能量間隙。對于本征半導(dǎo)體在絕對零度沒有激發(fā)的情況下，價帶被電子填滿，導(dǎo)帶沒有電子。在一般溫度，由于熱激發(fā)，有少量電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶有少量電子，而在價帶留下少量空穴,這種激發(fā)我們稱之為本征激發(fā)。半導(dǎo)體的導(dǎo)電就是依靠導(dǎo)帶底的少量電子和價帶頂?shù)纳倭靠昭?。b.半導(dǎo)體的光吸收光照可以激發(fā)價帶的電子到導(dǎo)帶，形成電子－空穴對，這個過程稱為本征光吸收，本征光吸收光子的能量?ω應(yīng)滿足

2、或其中為光波的波長，上式表明，存在有長波限稱為本征吸收邊,在本征吸收邊附近的光躍遷有兩種類型：（a):第一種類型對應(yīng)于導(dǎo)帶底和價帶頂在k空間相同點的情況，如圖(a)所示。電子吸收光子自價帶k狀態(tài)躍遷到導(dǎo)帶k’狀態(tài)時除了滿足能量守恒以外，還必須符合準動量守恒的選擇定則，即具有這種帶隙結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體在討論本征吸收時，光子的動量可以略去，因為本征吸收光子的波矢為10４cm-1，而在能帶論中布里淵區(qū)的尺度為2π/晶格常數(shù)，數(shù)量級是10８cm-1，因此本征光吸收中，因此光吸收的躍遷選擇定則可以近似寫成這就是說，在躍遷過程中，波矢可以看做是不變的，在能帶的E(k)圖上，初態(tài)和末態(tài)幾乎

3、在同一條豎直線上，這樣的躍遷常稱為豎直躍遷。(b)：第二種類型對應(yīng)于導(dǎo)帶底和價帶頂在k空間不同點的情況，如圖(b)所示：這時在本征吸收邊附近的光吸收過程是所謂非豎直躍遷，在這種情況下，單純吸收光子不能使電子由價帶頂躍遷到導(dǎo)帶底，必須在吸收光子的同時伴隨有吸收或發(fā)射一個聲子。能量守恒關(guān)系為：電子能量差＝光子能量±聲子能量具有這種帶隙結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)體但是聲子能量是較小的，數(shù)量級為百分之幾電子伏以下，因此近似的有電子能量差＝光子能量而準動量守恒的躍遷選擇定則為其中?q為聲子的準動量，它與能帶中電子的準動量相仿，略去光子動量，有結(jié)論：（１）在非豎直躍遷中，光子主要提供躍遷所需要的能

4、量，而聲子則主要提供躍遷所需要的準動量（２）與豎直躍遷相比，非豎直躍遷是一個二級過程，發(fā)生的幾率要小得多（２）由于與光吸收情況相同的原因，在直接帶隙半導(dǎo)體中這種發(fā)光的幾率遠大于間接帶隙半導(dǎo)體．c．電子－空穴復(fù)合發(fā)光：考慮一個與半導(dǎo)體的光吸收相反的過程，導(dǎo)帶中的電子可以躍遷到價帶空能級而發(fā)射光子，這稱為電子－空穴復(fù)合發(fā)光。復(fù)合發(fā)光的特點：（１）一般情況下電子集中在導(dǎo)帶底，空穴集中在價帶頂，發(fā)射光子的能量基本上等于帶隙寬度．制作復(fù)合發(fā)光的發(fā)光器件（一般要用直接帶隙半導(dǎo)體。發(fā)光的顏色取決于半導(dǎo)體的帶隙寬度）．應(yīng)用：在實際的半導(dǎo)體材料中,總是不可避免地存在有雜質(zhì)和各種類型的缺陷.特別是在半導(dǎo)體的

5、研究和應(yīng)用中,常常有意識的加入適當?shù)碾s質(zhì).這些雜質(zhì)和缺陷產(chǎn)生的附加勢場,有可能使電子和空穴束縛在雜質(zhì)和缺陷的周圍,產(chǎn)生局域化的電子態(tài),在禁帶中引入相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷能級.三、雜質(zhì)和缺陷能級（2）替位式→雜質(zhì)原子取代半導(dǎo)體的元素或離子的格點位置。間隙式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子進入半導(dǎo)體以后，位于晶格間隙位置或取代晶格原子，稱為間隙式雜質(zhì)．替位式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子進入半導(dǎo)體以后，取代晶格原子，這種雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)，要求雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近并且價電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近。1、雜質(zhì)的存在方式BA3.雜質(zhì)半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體Si、Ｇｅ等，摻入少量五價的雜質(zhì)（impurity）元

6、素（如P、As等）形成電子型半導(dǎo)體,稱n型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠空帶處,?ED～10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。該能級稱為施主（donor）能級。n型半導(dǎo)體在n型半導(dǎo)體中電子……多數(shù)載流子空帶滿帶施主能級EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴……少數(shù)載流子ｐ型半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等，摻入少量三價的雜質(zhì)元素（如Ｂ、Ga、Ｉn等）形成空穴型半導(dǎo)體，稱p型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在禁帶中緊靠滿帶處，?ED～10-2eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電?？諑a滿帶受主能級P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg在p型半導(dǎo)體中

7、空穴……多數(shù)載流子電子……少數(shù)載流子假設(shè)在能帶中能量E與E+dE之間的能量間隔dE內(nèi)有量子態(tài)dZ個，則定義狀態(tài)密度g（E）為：1.3半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布1、狀態(tài)密度費米分布函數(shù)電子遵循費米-狄拉克（Fermi-Dirac）統(tǒng)計分布規(guī)律。能量為E的一個獨立的電子態(tài)被一個電子占據(jù)的幾率為2、費米能級和載流子統(tǒng)計分布費米能級EF的意義EF波爾茲曼（Boltzmann）分布函數(shù)當E-EF》k0T時,服從Boltzmann分布的電子系統(tǒng)非