一半导体晶体的能带13.ppt

一.半导体晶体的能带 A.电子的共有化运动：黄昆、韩汝琦P153 能带理论是目前研究固体运动的一个主要理论基础，能带理论是一个近似的理论。在固体中存在大量的电子，他们的运动是相互关联的，每个电子的运动都要受到其它的电子运动的牵连，这种多电子系统严格的解显难是不可能的，能带理论是单电子近似理论，就是把每个电子的运动看成是独立的，在一个等势场中的运动。 在大多数情况下，人们最关心的价电子，在原子结合成固体的过程中，价电子的运动状态发生了很大的变化，而内层电子的变化是比较小的，可以把原子核的运动和内层电子看成一个离子实,这样价电子的等效势场,包括离子实的势场,其他价电子的平均势场以及考虑电子波函数反对称型而带来的交换作用。 ; 黄昆 韩汝琦P220 若固体中有N个电子(这里的N不一定等于元胞数),他们的基态是按Pauling原理由低到高填充能量尽可能低的N个量子态。 假设把电子看成自由电子，有 则N个电子在K空间填充半径为Kr的球,球内包含的状态数恰好等于N一般称这个球为Fermi球,kF为Fermi球的半径,球的表面为Fermi面,Fermi面的定义是k空间占有电子与不占有电子区域的分界面,Fermi面的能量值为Fermi能EF。 ;P221 在晶体周期场中运动的N个电子,他们的基态是按Pauling原理由低到高填充能量尽可能低的N个量子态,这时单电子能用En(k)表示.分成一系列能带,N个电子填充这些能级是红最低的N个,有两类填充情况: 1. 电子恰好填满最低的一系列能带, 再高的各带全部都是空的,最高的满带称为价带,最低的空带称为导带,价带最高能级(价带顶）与导带最低能级(导带底)之间的能量范围称为带隙.这种情况对应绝缘体和半导体.带隙宽度大的(例如约30ev)为绝缘体,带隙宽度小的(例如约1ev)为半导体。 2. 除去完全被电子充满的一系列能带外,还有只是部分的被电子填充的能带,后者常被称为导带.这时最高占据能级为Fermi能级,他位于一个或几个能带的范围内,在每一个部分占据的能带中,k空间都有一个占有电子与不占有区域的分界面,所有这些表面的集合就是Fermi面。; 半导体的基本能带情况,存在一系列满带,最上面的满带称为价??;存在的一系列空带,最下面的空带称为导带.价带与导带之间有带隙,带隙宽度用Eq表示. 在一般温度下,导带底有有少量的电子,价带顶有少量的空穴,半导体的导电就是依靠导带底的少量电子或价带顶的少量空穴.发光的颜色取决于半导体的带隙宽度.跃迁必须满足能量准动量守恒和能量守恒。; 李玲P253 在温度接近绝对零度情况下,晶体中的电子被紧紧束缚着,不能参与导电,价带以上的能带没有电子,基本是空着的,此时由于导带中不存在电子,所以 所以在外加电场作用下晶体是不导电的. 在室温下,价带中将有许多电子因热激发得到足够的能量,越过禁带进入导带，而在价带中留下空穴。 导带中的那些挣脱了原子束缚的自由电子是能够参与导电的,此外价带中的空穴由于有其他价电子的填充亦能参与导电。导带中的电子与价带中的空穴是成对出现的.通称为载流子。在外电场作用下.室温下的晶体具有一定的导电能力。 ;光电材料及其带隙 Robert G.Seippei 1981 P28 ATCM ENERGY GAP(In ev)Cadmium sulfide (Cds) 2.4 Gallium phosphide(GaP) 2.2Cadmium Selenide (CdSe) 1.7Gallium Arsenide (GaAs) 1.4Silicon(Si) 1.1Germanium(Ge) 0.7Lead Sulfide(PbS) 0.37Lead Telluride(PbTe) 0.29Lead Selenide(PbSe) 0.26;一.半导体晶体的能带A.电子的共有化运