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SiGe和GaAs的能带图及其相关特性
Si、Ge和GaAs的能带图及其相关特性(比较)??
? (为什么Si、Ge和GaAs的价带结构大致相同?为什么GaAs器件的最高工作温度较高、Si的其次、Ge的最低?为什么Si、Ge的电子有效质量有两个不同数值,而GaAs却只有一个有效质量?为什么GaAs存在微分负阻效应,而Si、Ge则否?为什么Si、Ge-p-n结能够检测光、而不能发出光?为什么GaAs-p-n结既能够检测光、又能够发出光?)
Xie Meng-xian. ?(电子科大,成都市)
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晶体电子处于能带状态,这是晶格周期性势场要求的结果。晶体电子的能量E与波矢k的关系,显然要比自由电子的抛物线关系复杂得多,但又不同于束缚电子的量子化能级关系;并且能量大小还与波矢的方向(晶向)有关。这种复杂的关系需要通过仔细、繁复地求解具体晶体的电子Schr?dinger方程才能得到。
把晶体电子的能量E与波矢k的关系,在Brillouin区中沿着各个方向描画出来,就得到所谓能带图。图1、图2和图3分别示出了Si、Ge和GaAs晶体的能带图,能带图中各个状态的代表符号就都是按照晶体的对称性来标识的;因为晶体电子的状态要受到晶格周期性势场的限制,故晶体电子的状态就必须满足相应的晶体对称性的要求。
图1
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图2
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图3
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(1)共同点:
Si、Ge和GaAs是最重要的几种半导体,它们在晶体结构上很相似,因此它们的电子能带也具有许多共同之处,例如:
都存在一定大小的禁带宽度,并且禁带宽度都具有负的温度系数。这是由于它们的能带形成原理基本上是相同的(与价电子的sp轨道杂化有关)。
价带结构基本上相同,价带顶都位于Brillouin区中心,并且该状态都是三度简并的态(Γ’25或者Γ15状态)。这是由于这些半导体的晶格基本上都是由4个共价键构成的缘故(虽然GaAs的价键带有一些离子键性质)。显然,价带顶附近的能带曲线偏离抛物线较远,则价带空穴也就与自由载流子相差较大。
在计入电子自旋后,价带顶能带都将一分为二:出现一个二度简并的价带顶能带(Γ+8态或Γ8态)和一个能量较低一些的非简并能带——分裂带(Γ+7态或Γ7态)。这是由于自旋-轨道耦合作用的结果。在价带顶简并的两个能带,它们的曲率半径不同,则其中空穴的有效质量也就不同,较高能量的称为重空穴带,较低能量的称为轻空穴带。
在0K时,导带中完全是空着的(即其中没有电子),同时价带中填满了价电子——是满带,因此这时没有载流子,不会导电,即与绝缘体相同。但是在0K以上时,满带中的一些价电子可以被热激发(本征激发)到导带,从而产生出载流子——导带电子和价带空穴;温度越高,被热激发而成为载流子的数目就越多,因此就呈现出所有半导体的共同性质:电导率随着温度的升高而很快增大。
(2)不同点:
Si、Ge和GaAs由于其原子性质和价键性质的不同(Si和Ge是完全的共价晶体,而GaAs晶体的价键带有约30%的离子键性质),因此它们的能带也具有若干重要的差异,这主要是表现在禁带宽度和导带结构上的不同:
由于不同半导体的键能不同,则禁带宽度不同。这将引起在三个方面的表现有所不同:
一是本征载流子浓度ni不同。因为半导体中的少数载流子主要来自于本征激发,所以本征载流子浓度越小的半导体,其本征化的温度就越高;并从而导致相应的半导体器件最高工作温度也就各异(GaAs的最高,Si的其次,Ge的最低)。
二是载流子在强电场下的电离率不同。因为这种电离过程就是一种碰撞电离本征激发过程,所需要的平均能量大约为禁带宽度的1.5倍,故禁带宽度越大,电离率就越小。于是,禁带宽度越大的半导体,其雪崩击穿电压也就越高(GaAs的最高,Si的其次,Ge的最低)。
三是光吸收和光激发的波长不同。一般,能够产生光吸收和光激发的最短波长,对于Si、Ge和GaAs,分别为1.1mm、1.9mm和0.9mm。因此作为光电探测器件和光电池的半导体材料,它们分别适应于不同波长范围的光。
因为导带底(能谷)的状况不完全决定于晶体的对称性,则Si、Ge和GaAs的的导带底状态的性质以及位置等也就有所不同。
Si的导带底位于100方向上的近X点处,为Δ1状态;Ge的导带底位于111方向上的L点处(Brillouin区边界上),为L3状态;GaAs的导带底位于Brillouin区中心(k=0),为Γ1状态。从而等价的导带底的数目也就不一样:Si有6个等价的导带底;Ge有8个等价的导带底(实际上只有4个完整的导带底);GaAs则只有一个导带底。
导带底的三维形状可以采用所谓等能面来反映,等能面就是在k空间中,由能量相等的一些代表点k所组成的曲面。因为Si和Ge的多个导带底都不在k=0处,则它们的等能面都是椭球面;而GaAs的一个导带底,正好是在k=0处,则其等能面是球面。
显然,对于GaAs导带底的球
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