[研究生入学考试]固体与半导体物理第四章2012年一.ppt

2.价带空穴浓度 3.载流子浓度乘积 热平衡状态下的非简并半导体的判据式 价带有效状态密度 我的信息 姓名:戴基智 手机E-mail:jzdai@uestc.edu.cn 1.绝缘体 最高能带填满，再高的各能带是空的 2.半导体 由于热激发，满带电子跃迁到上面的空带， 两个能带都成了不满带，具备导电能力。 为什么Si、Ge是半导体而金刚石是绝缘体？ Ge的4个价电子 Si的4个价电子 金刚石的4个价电子 原子间的相互作用 Ge Si 金刚石 能带宽度 Ge Si 金刚石 禁带宽度 Ge Si 金刚石 能带独立-未填满 三维方向禁带发生的位置及禁带的宽度不同，出现能带交迭。 3.导体 最高能带未填满 最外层的S态上只有一个价电子，能带半空，有外场时导电。 (2)能带有交迭 碱土金属Be，Mg，Ca，Sr，Ba等 碱金属 Li，Na，K 等， 为什么是金属导体？ 归纳： 每个原子的价电子是奇数：金属导体 每个原子的价电子是偶数：能带独立－绝缘体 能带交迭－导体 {4.1 半导体的能带结构 第四章 平衡状态下的半导体 1.各向异性模型 等能面是一系列环绕 的椭球面。 2.各向同性模型 等能面是一系列环绕 的球面。 极值位于K空间原点 能量极值位于 导带底附近 价带顶附近 导带底能量 导带底电子有效质量 价带顶能量 价带顶空穴有效质量 理想半导体的能带模型 二.常见半导体的能带结构 1. Si的能带结构 (1)导带 多极值的能带结构 Eg=1.12ev (2)价带 由三个子带构成 a－重空穴带 b－轻空穴带 c－分裂带 (3) 间接带隙半导体 导带底和价带顶处于不同k值 2. Ge的能带结构 (1)导带 多极值能带结构 Eg=0.67ev (2)价带 与Si相同 (3) 间接带隙半导体 3. GaAs的能带结构 Eg=1.43ev 价带基本与Si、Ge相同 直接带隙半导体 导带底和价带顶位于同一k值 4. Eg与温度T的关系 负温度系数，与材料有关 1.52ev 0.74ev 1.17ev 0K 1.43ev 0.67ev 1.12ev 300K 硅是间接带隙能带结构，为满足动量守恒，电子只有在吸收或辐射一个声子时，才能在价带与导带之间跃迁，这种跃迁几率是很低的. 为什么硅基本没有处理光信号的能力? GaAs GaN InN等Ⅲ-Ⅴ族半导体材料,发光效率比硅强10万倍,但这些材料制备的光电器件不能与广泛使用的硅电子技术兼容. 从微电子器件及其集成技术上看,发展了一套完整的硅平面 技术,并建立起整个微电子技术体系,因此,无论从工艺.技术 还是经济效益等方面,硅材料仍是最基础的材料. 90年代前, 主要集中在体材料和薄膜材料，(1)在硅材料中引入新的活性发光中心.(2)利用外延技术在硅衬底上制备具有发光性能的复合材料.采用能带理论对发光机理进行研究。 90年代后, 主要集中于硅基纳米和量子材料，多孔硅、硅量子线发光材料以及超晶格和量子阱发光材料.主要采用量子限制效应和表面态效应对发光机理进行研究. 硅基发光材料研究分为两个阶段： {4.2 本征半导体和杂质半导体 一.本征半导体 无杂质和缺陷 存在本征激发 1.本征激发 价带电子称为导带电子的过程 2.能带图 3.禁带宽度 是电子脱离共价键所需的最低能量 2.半导体呈本征型的条件 (1)高纯度、结构完整的半导体 (2)高温下的杂质半导体 二.杂质半导体 1. n型半导体 主要依靠导带电子导电的半导体 电子摆脱共价键的束缚 价带电子成为导带电子 (1) 施主杂质 在Si、Ge Ⅳ族元素中掺入P、As、Sb等Ⅴ元素 形成一个正电中心和一个电子 提供导带电子－施主杂质 (2) 施主杂质能级 (3) 施主杂质电离能 氢原子模型 A: 电子受到晶格势场作用，用有效质量 取代电子的惯性质量 。 B: 杂质处于晶体中，考虑晶体介电常数 的影响。 施主能级和施主电离 氢原子基态电子的电离能 施主杂质的电离能 0.0096 0.0127 0.0126 Ge 0.039 0.049 0.044 Si Sb As P 杂质 电离能（ev) 晶体 2. P型半导体 主要依靠价带空穴导电的半导体 (1) 受主杂质 在Si、Ge Ⅳ族元素中掺入B、Al、Ga、In等Ⅲ元素 形成一个负电中心和一个空穴 提供价带空穴－受主杂质 (2) 受主杂质能级 (