《半导体物理学》Semi_Phys05.ppt

1.6 硅和锗的能带结构 一、导带结构 二、价带结构 Si、Ge的价带顶都位于Γ 点，等能面是扭曲的球面。通常我们仍可将它们近似为一个球形。Si、Ge 的价带顶是简并的，k=0,布里渊区中心，能带是三度简并的。若考虑自旋－轨道耦合，消除部分简并。一般只考虑价带顶附近两只简并带。 由于两个简并的价带的曲率不同， 所以有效质量亦不同，有效质量小的称之为轻空穴mpl*，有效质量大的称为重空穴mph*. 重空穴带的各向异性比轻空穴带更明显。 硅和锗的禁带宽度随温度变化 Eg(T) = Eg(0) –αT2/(T+β) 硅：α = 4.73×10-4eV/K; β=636K 锗：α = 4.774×10-4eV/K; β=235K 三、 Gel-xSix 混合晶体的能带 Si、Ge都是间接带隙材料，Gel-xSix 的禁带宽度随成分x 的变化如图所示： 原因：随成分x 增大，Λ轴导带极值与△ 轴导带极值以不同速率相对价带顶上升，Λ轴导带极小值上升较快，造成转折。能带结构由类锗转变为类硅型。 1.7 化合物半导体的能带结构 砷化镓的能带结构 GaAs的导带底位于Γ 点，其导带底附近的等能面是球形的，其价带在Γ 点简并，具有一个重空穴带和一个轻空穴带； GaAs 的导带在Λ 轴上L 点，还存在一个能谷，此能谷与带底能量差为0.29eV，在强场的作用下，电子能量较高时，可能会占据到此能谷的能级上，产生所谓电子转移效应。由于L 谷的能带曲率小，故有效质量比导带底要大很多，电子转移L谷后，在电场中的运动速度要下降。 这将导致高场下，负微分电导现象. 直接带隙与间接带隙 导带的最小极值与价带的最高极值都位于空间同一点(一般并不要求都在Γ点)的半导体称为直接带隙半导体(直接禁带半导体)，如GaAs等大部分化合物半导体； 象Si,Ge半导体能带，其导带底与价带顶位于空间不同点，具这种类型的半导体为间接带隙半导体(间接禁带半导体)。 间接带隙半导体与直接带隙半导体在发光和光吸收方面有着很大的不同。理论上可以证明，电子吸收光子自价带状态跃进到导带状态时，除了必须满足能量守恒外，还必须符合准动量守恒的选样定则。 这样，由于光子动量很小，对于间接带隙的半导体，必须在吸收光子的同时，伴随有吸收或发射一个声子，以满足准动量守恒。 于是，与直接带隙相比，间接带隙半导体的光吸收或发射是一个二级过程，发生的几率要小得多。 当AC，BC两种晶体，一个是直接带隙另一个是间接带隙材料时，在组分配比x 由0 → 1的过程中将发生一个由直接带隙向间接带隙过渡的过程，或者是相反的过程。 以GaAs/GaP 混晶为例， 在x0.45时为类GaAs 的直接带隙， 在x0.45时为类GaP 的间接带隙。 * Si的导带底在△ 轴[100]上，与Γ点相距约为Γ点与Χ点距离的0.85 处，共有6 个等效能谷，等能面是以△ 轴为旋转轴的旋转椭球面。 Ge 的导带底在Λ轴[111]上的L 点，在简约布里渊区，有8 个半球，共计4 个整球，等能面是以Λ轴为旋转轴的旋转椭球面。 1. III-V族化合物半导体 锑化铟的能带结构 导带极小值在 k=0处, 球形等能面, mn*=0.0135 m0 非抛物线型 价带包含三个能带：重空穴带V1 轻空穴带V2 能带V3（L-S耦合） 20K时 轻空穴有效质量 0.016m0 沿[111] 0.44m0 沿[110] 0.42m0 沿[100] 0.32m0 重空穴有效质量 价带顶在k=0 III-V 族能带结构的主要特征 价带在布里渊区中心简并，一重空穴带、轻空穴带及第三个能带（L－S） 价带极大值稍偏离布里渊区中心 导带极小值在[100]、[111]方向和布里渊区中心 ?平均原子序数高的化合物，导带电子的有效质量小。 ?重空穴有效质量相差很少 ?原子序数较高的化合物，禁带宽度较窄 III－V族混合晶体的能带结构 GaAs1-xPx的Eg与组分的关系 连续固溶体 混合晶体 能带结构随成分的 变化而连续变化 Ga1-xInxP1-yAsy 的禁带 宽度随 x、y 的变化 Al1-xGaxAs1-ySby 的禁带 宽度随 x、y 的变化 间接带隙 混合晶体的 Eg 随组分变化的特性 发光器件 GaAs1-xPx 发光二极管 x=0.38~0.40时，Eg=1.84~1.94 eV 电－空复合发出 640 ~ 680 nm红光 激光器件 Ga1-xInxP1-yAsy 长波