固体物理--半导体晶体 8.1 带隙.ppt

8.1 带隙 第 8 章 半导体晶体 固体物理导论 * 金属、半金属和半导体的载流子浓度 半导体的电阻率强烈地依赖于温度 绝对零度时，绝大多数半导体的纯净、完美晶体都将成为绝缘体 * 本征导电 高纯样品呈现本征导电性。在本征温度范围内，半导体的电学性质基本上不受晶体中杂质的影响 0 K 下半导体价带填满，导带全空 升温，电子由价带被热激发到导带 电导率为0 （本征载流子） 可导电 最下面的空带称为导带 最上面的满带称为价带 * 带隙（能隙） 导带的最低点和价带的最高点的能量之差 导带的最低点称为导带边 (底) 价带的最高点称为价带边 (顶) * 电子与空穴 电子由价带被热激发到导带后，在价带上会留下空轨道，被称为空穴。导带上的电子与价带上的空穴都会对电导率有贡献 本征条件下 空穴浓度=电子浓度 * 影响本征电导率的主要因素 带隙 Eg 带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载 流子浓度就越低，电导率也就越低 温度 T 温度越高，被激发到导带的电子浓度就越大，本征 载流子浓度就越大，电导率也就越大 即本征电导率主要受带隙与温度之比 的控制 * 本征光吸收 半导体吸收光子使电子由价带激发到导带，形成电子-空穴对，这个过程称为本征光吸收 本征光吸收的光子能量条件 直接光吸收过程： 吸收一个光子，产生一个电子和空穴 间接光吸收过程： 吸收光子的同时伴随吸收或者发射一个声子 准动量守恒条件 * 直接光吸收过程 (竖直跃迁) 对应于导带边和价带边在 空间相同点的情况 本征光吸收的光子波矢的量级 布里渊区尺度 2p/a 的量级 因此可忽略光子动量 带隙 * 间接光吸收过程 (非竖直跃迁) 对应于导带边和价带边在 空间不同点的情况 为满足准动量守恒需要声子的参与 价带边与导带边相差一大波矢 * 准动量守恒和能量守恒 吸收声子 “+” 发射声子 “-” 声子频率 声子波矢 在间接光吸收过程中，光子主要提供跃迁所需能量，声子主要提供所需的准动量 一般情况下 ，典型的声子能量约 0.01~0.03 eV 二级过程 * 直接能隙半导体与间接能隙半导体 导带边和价带边处于 空间相同点的半导体通常被称为直接能隙半导体 导带边和价带边处于 空间不同点的半导体通常被称为间接能隙半导体 在间接能隙半导体中发生的非竖直跃迁是一个二级过程，发生的几率比竖直跃迁要小得多 * 电子-空穴对复合发光 导带中的电子跃迁到价带空轨道而发射光子的过程，是光吸收过程的逆过程，称为电子-空穴对复合发光 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 和光吸收的情况相同，在直接能隙半导体中这种发光的几率远大于间接能隙半导体 制作利用电子-空穴复合发光的发光器一般使用直接能隙半导体，发光的颜色取决于带隙的大小 * 带隙的测量 带隙的测量可以利用光吸收方法测定，由连续光吸收频率的阈值就可以确定带隙 也可由本征范围内的电导率或者载流子浓度随温度的变化测定。载流子浓度可由霍尔电压测定有时以电导率测量作为补充 用光学测量方法还可确定带隙是直接的还是间接的 Ge 和 Si 是间接带隙半导体， GaAs 和 InSb 是直接带隙半导体 * 纯锑化铟 (InSb) 的光吸收，跃迁是直接的 8.1 带隙 第 8 章 半导体晶体 固体物理导论