半导体的基本能带结构及杂质和缺陷..docx

半导体的基本能带结构及杂质和缺陷摘要：讨论和分析了半导体的能带结构，杂质，缺陷对半导体性质的影响作用。引言：半导体之所以有极为广泛的用途，简单地说是由于在半导体内部电子可以做多样化的运动，它的性质密切依赖于杂志，光照，温度，压力，……等因素。因此研究半导体中电子的状态非常的有必要，而目前我们已经知道，半导体中的电子主要处于共有化和束缚两种状态，与共有化状态相对应的便是能带，而与束缚态相对应的便是束缚电子的杂质和缺陷，由此可见能带结构和杂质缺陷对半导体的性质起着决定性作用。【一】半导体中电子的共有化状态（半导体的基本能带结构）半导体的能带与导体绝缘体的区别。虽然所有固体都包含大量的电子，但有的具有很好的电子导电的性能，有的则基本上观察不到任何电子导电性，这一基本事实曾长期得不到解释。在能带理论的基础上，首次对为什么有导体，绝缘体和半导体的区分提出了理论上的说明，这是能带论发展初期的一个重大成就。所以我们先讨论一下导体半导体绝缘体能带的区别。绝缘体半导体导体导体（c）的特点是外电场能改变价电子的速度分布或能量分布，造成价电子的定向流动。这又分为两种情况。一种情形是固体中价电子浓度比较低，没有填满价带。另一种导电情形是价带和导带交叠，因而在外电场作用下电子能填入导带。绝缘体(a)的特点是在价带和导带间存在着较大的能隙，而价带又被电子填满，因而通常情形下外电场不能改变电子的速度和能量分布。半导体(b)的能带结构和绝缘体类似，只是能隙较小而已。但是半导体的导电性则分为三种情形：一种情形便是能隙非常小，热激活就足以使价带中费米能级上的电子跃迁到导带底部，同时在价带中留下“电子空穴”。于是在外电场作用下，导带中的电子和价带中的电子空穴都可以向相邻的能级迁移，从而改变价电子的速度和能量分布。至于后两种情形我们将在杂质部分讨论。半导体能带的带隙和带边的有效质量半导体能带的两个基本参数是带隙宽度以及导带底附近的电子有效质量和价带顶附近的空穴有效质量，所以这一部分从两部分进行讨论。（一）半导体的带隙（1）根据带隙可以将半导体分为直接带隙半导体和间接带隙半导体。通常我们把导带和价带顶处于k空间同一点的半导体，称为直接带隙半导体，而把导带底和价带顶处于k空间不同点的半导体，称为间接带隙半导体。当光照射到半导体时，价带中的电子就会吸收光子的能量而跃迁到导带中，这个过程称为本征光吸收。本征光吸收的光子能量必须满足上式表明存在有长波限即为本证吸收边。在本证吸收边附近的光跃迁有两种类型，而直接间隙半导体和间接间隙半导体正是根据这两种不同类型的跃迁定义的。.导带底与价带顶在k空间中的相同位置，当电子吸收光子能量从价带顶的k态跃迁导带底的k’态，其准动量守恒定律为：kp为光的波矢。kp~104cm－1，而布里渊区的尺度范围为108cm－1。因此，在讨论光吸收时，光子的动量可忽略不计。即光吸收的跃迁选择定则可近似为即在跃迁过程中，电子的波矢可以看成是不变的，这种跃迁称为竖直跃迁。第二种类型是导带底和价带顶在k空间中的不同位置，这时本征吸收边附近的光吸收过程称为非竖直跃迁。在这种情况下，电子在吸收光子能量从价带顶跃迁到导带底的同时，为满足准动量守恒，必须伴随着吸收或发射一个声子。这时的能量守恒和准动量守恒关系为：{电子能量差=光子能量声子能量由此可以看出，在非竖直跃迁过程中，光子主要提供电子跃迁所需的能量，而声子则主要提供跃迁所需的准动量。与竖直跃迁相比，非竖直跃迁是一个二级过程，发生的几率比竖直跃迁的几率小得多。（2）带隙宽度测量：可以通过本征光吸收的实验来测定，也可以用电导率随温度的变化实验来测定。小结：导带中的电子跃迁到价带空能级而发射光子，是光吸收的逆过程，称为电子-空穴对复合放光。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。由于与光吸收情况同样原因，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，因此制作利用电子-空穴复合的发光器件时，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。（二）带边的有效质量：（1）引进：将E(k)在极值（即导带底和价带顶）附近作Talor展开取，则有与自由电子的能量表达式相同。（2）引进的意义：有效质量概括了半导体内部势场（内部原子和其它电子的平均势场）的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时可以不涉及半导体内部势场的作用。ex：应用有效质量不仅可以像讨论自由电子一样讨论晶体中电子的运动，而且由于与能带结构有关，有助于对能带的研究。（3）测量：可以通过回旋共振实验测得。【二】半导体中电子的束缚状态（半导体中的杂志和缺陷）实际应用的半导体晶格中总是存在着各种偏离理想情况的复杂现象。首先，半导体材料并不纯净，而是含有各种杂质；其次，晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着