固体物理--半导体晶体 8.1 带隙.ppt

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1、8.1 带隙带隙第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论1金属、半金属和半导体的载流子浓度金属、半金属和半导体的载流子浓度 半导体的电阻率强半导体的电阻率强烈地依赖于温度烈地依赖于温度绝对零度时，绝大绝对零度时，绝大多数半导体的纯净、多数半导体的纯净、完美晶体都将成为完美晶体都将成为绝缘体绝缘体8.1 带隙带隙第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论2本征导电本征导电 高纯样品呈现本征导电性。在本征温度范围内，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

2、填满，导带全空下半导体价带填满，导带全空升温，电子由价带被热激发到导带升温，电子由价带被热激发到导带电导率为电导率为0（本征载流子）（本征载流子）可导电可导电最下面的空带最下面的空带称为称为导带导带最上面的满带最上面的满带称为称为价带价带8.1 带隙带隙第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论3带隙（能隙）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和价带的最高点的能量之差导带的最低点导带的最低点称为称为导带边导带边(底底)价带的最高点价带的最高点称为称为价带边价带边(顶顶)8.1 带隙带隙第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论4电子与

3、空穴电子与空穴 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，被称为道，被称为空穴空穴。导带上的电子与价带上的空穴都会对电。导带上的电子与价带上的空穴都会对电导率有贡献导率有贡献本征条件下本征条件下 空穴浓度空穴浓度=电子浓度电子浓度8.1 带隙带隙第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论5影响本征电导率的主要因素影响本征电导率的主要因素 带隙带隙 Eg带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低流子浓度就越低，电导率也就越低 温度温度 T温度越高，被

4、激发到导带的电子浓度就越大，本征温度越高，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即本征电导率主要受带隙与温度之比 的控制的控制8.1 带隙带隙第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论6本征光吸收本征光吸收 半导体吸收光子使电子由价带激发到导带，形成半导体吸收光子使电子由价带激发到导带，形成电子电子-空穴对，这个过程称为本征光吸收空穴对，这个过程称为本征光吸收本征光吸收的光子能量条件本征光吸收的光子能量条件 直接光吸收过程：直接光吸收过程：吸收一个光子，产生一个电子和空穴吸收一个光子

5、，产生一个电子和空穴 间接光吸收过程：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准动量守恒条件8.1 带隙带隙第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论7直接光吸收过程直接光吸收过程 (竖直跃迁竖直跃迁)对应于导带边和价带边在对应于导带边和价带边在 空间相同点的情况空间相同点的情况本征光吸收的光子波矢的量级本征光吸收的光子波矢的量级布里渊区尺度布里渊区尺度 2p/a 的量级的量级因此因此可可忽略忽略光子动量光子动量带隙带隙8.1 带隙带隙第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论8间接光吸收过程

6、间接光吸收过程 (非竖直跃迁非竖直跃迁)对应于导带边和价带边在对应于导带边和价带边在 空间空间不同不同点的情况点的情况为满足准动量守恒需要声子的参与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价带边与导带边相差一大波矢8.1 带隙带隙第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论9准动量守恒和能量守恒准动量守恒和能量守恒吸收声子吸收声子 “+”发射声子发射声子 “-”声子频率声子频率声子波矢声子波矢在间接光吸收过程中，在间接光吸收过程中，光子主要提供跃迁所需光子主要提供跃迁所需能量，声子主要提供所能量，声子主要提供所需的准动量需的准动量一般情况下一般情况下 ，典型的声

7、子能量约，典型的声子能量约 0.010.03 eV二级过程二级过程8.1 带隙带隙第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论10直接能隙半导体与间接能隙半导体直接能隙半导体与间接能隙半导体 导带边和价带边处于导带边和价带边处于 空间空间相同相同点的半导体通常被点的半导体通常被称为称为直接能隙半导体直接能隙半导体 导带边和价带边处于导带边和价带边处于 空间空间不同不同点的半导体通常被点的半导体通常被称为称为间接能隙半导体间接能隙半导体 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级过程，发生的几率比竖直

8、跃迁要小得多8.1 带隙带隙第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论11电子电子-空穴对复合发光空穴对复合发光 导带中的电子跃迁到价带空轨道而发射光子的过程，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，称为电子是光吸收过程的逆过程，称为电子-空穴对复合发光空穴对复合发光 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光的几率远大于

9、间接能隙半导体 制作利用电子制作利用电子-空穴复合发光的发光器一般使用直接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能隙半导体，发光的颜色取决于带隙的大小8.1 带隙带隙第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论12带隙的测量带隙的测量 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用光学测量方法还可确定带隙是直接的还是间接的 Ge 和和 Si 是间接带隙半导体，是间接带隙半导体，GaAs 和和 InSb 是直接是直接带隙半导体带隙半导体8.1 带隙带隙第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论13纯锑化铟纯锑化铟 (InSb)(InSb)的光吸收，跃迁是直接的的光吸收，跃迁是直接的