直接和間接帶隙半導體

1、l半導體定義及其性質l什么是帶隙l直接帶隙和間接帶隙半導體的性質、區(qū)別l半導體的應用l半導體的發(fā)展趨勢l半導體半導體：電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負的電阻溫度系數(shù)的物質稱為半導體,換句話說半導體是導電性可受控制，范圍可從絕緣體至導體之間的材料。 常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅更是各種半導體材料中，在商業(yè)應用上最具有影響力的一種。 材料的導電性是由“導帶”（conduction band）中含有的電子數(shù)量決定。當電子從“價帶”（valence band）獲得能量而跳躍至“導帶”時，電子就可以在帶間任意移動而導電。 常見的金屬材料其導電帶與價電帶之間的“能量間隙”非常小，在室溫下電子很

2、容易獲得能量而跳躍至導電帶而導電，而絕緣材料則因為能隙很大（通常大于9電子伏特），電子很難跳躍至導電帶，所以無法導電。 一般半導體材料的能隙約為1至3電子伏特，介于導體和絕緣體之間。因此只要給予適當條件的能量激發(fā)，或是改變其能隙之間距，此材料就能導電。根據(jù)能帶理論，電子主要分布在滿價帶，當半導體受到溫度影響時，滿價帶的電子會被激發(fā)到導帶上，在價帶上留下空軌道，這些空軌道就是空穴。溫度越高，電子被激發(fā)到空導帶的概率越大。導帶上的電子和價帶上的空穴決定了半導體的導電能力。 帶隙就是導帶的最低點和價帶的最高點的能量之差（Eg）l半導體吸收光子使電子由價帶激發(fā)到導帶，形成電子-空穴對的過程就叫本征光吸

3、收。l光子能量滿足的條件是： l準動量守恒條件是： gEphotonkkp l1.豎直躍遷（直接光吸收過程）對應于導帶底和價帶頂在k k空間相同點的情況躍遷需滿足準動量守恒 光子的波矢 2/ 104cm-1價帶頂部電子的波矢2/a108cm-1因此可以忽略光子動量，在此次躍遷中，電子的波矢可以看作是不變的。我們稱之為豎直躍遷，這種半導體我們稱之為直接帶隙半導體。能量守恒：photonkkpkkgE 由上圖可以看出，單純吸收光子從價帶頂躍遷到導帶底，電子在吸收光子的同時伴隨著吸收或者發(fā)出一個聲子。滿足能量守恒：聲子的能量 ,可忽略不計，所以準動量守恒：聲子的準動量和電子的準動量數(shù)量相仿，同樣的，

4、不計光子的動量，我們有即光子提供電子躍遷所需的能量，聲子提供躍遷所需要的動量kE 210BDkeVkE photonkkpqkkq kE kkq l導帶邊和價帶邊處于k k空間相同點的半導體通常被稱為直接帶隙半導體。電子要躍遷到導帶上產生導電的電子和空穴（形成半滿能帶）只需要吸收能量。 l直接帶隙半導體的例子：GaAs、InP、InSb等。l導帶邊和價帶邊處于k k空間不同點的半導體通常被稱為間接帶隙半導體。形成半滿能帶不只需要吸收能量，還要改變動量。 l間接帶隙半導體：Ge,Si等l在間接帶隙半導體中發(fā)生的非豎直躍遷是一個二級過程，發(fā)生的幾率比豎直躍遷要小得多Indirect gap sem

5、iconductorIn English？l直接帶隙半導體的重要性質：當價帶電子往導帶躍遷時，電子波矢不變，在能帶圖上即是豎直地躍遷，這就意味著電子在躍遷過程中，動量可保持不變滿足動量守恒定律。相反，如果導帶電子下落到價帶（即電子與空穴復合）時，也可以保持動量不變直接復合，即電子與空穴只要一相遇就會發(fā)生復合（不需要聲子來接受或提供動量）。因此，直接帶隙半導體中載流子的壽命必將很短；同時，這種直接復合可以把能量幾乎全部以光的形式放出（因為沒有聲子參與，故也沒有把能量交給晶體原子）發(fā)光效率高（這也就是為什么發(fā)光器件多半采用直接帶隙半導體來制作的根本原因）。l 簡單點說，從能帶圖譜可以看出，間接帶隙

6、半導體中的電子在躍遷時K K值會發(fā)生變化，這意味著電子躍遷前后在K K空間的位置不一樣了，這樣會極大的幾率將能量釋放給晶格，轉化為聲子，變成熱能釋放掉。而直接帶隙中的電子躍遷前后只有能量變化，而無位置變化，于是便有更大的幾率將能量以光子的形式釋放出來。另一方面,對于間接躍遷型，導帶的電子需要動量與價帶空穴復合。因此難以產生基于再結合的發(fā)光。想讓間接帶隙材料發(fā)光，可以采用摻雜引入發(fā)光體，將能量引入發(fā)光體使其發(fā)光（提高發(fā)光效率）。 半導體器件光學窗口、透鏡等集成電路分立器件敏感元件能量轉換器件電子轉換器件電子電力器件激光管發(fā)光二級管晶體三極管晶體二極管Si集成電路混合集成電路GaAs集成電路雙極型

7、電路金屬氧化物半導體型電路雙極MOS電路l微電子學、光電子學l軍事應用l新技術、新材料、新結構、新現(xiàn)象l硅在可預見的將來依然是主要元素l化合物半導體材料在品種上、品質上將會得到進一步的發(fā)展，重點將是GaAs、InP、GaN等l大直徑單晶制備技術及超精度晶片加工工藝將得到進一步的發(fā)展l低維結構材料進一步發(fā)展l相關檢測技術發(fā)展l21世紀是信息技術的世紀，而半導體材料的發(fā)展則是推動信息時代前進的原動力，作為現(xiàn)代高科技的核心，半導體材料的研究和新材料的開發(fā)一直是人們關注的重點。l從上世紀五十年代開始，以硅(Si)材料為代表的第一代半導體材料取代了笨重的電子管引發(fā)了以集成電路(IC)為核心的微電子領域的迅速發(fā)展。然而，由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低，Si在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用受到諸多限制，所以，以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭角，使半導體材料的應用進入光電子領域，尤其是在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面。它們在光通信和光信息處理等領域起到了不可替代的作用，并由此帶來家用VCD、DVD和多媒體技術的飛速發(fā)展。l第三代半導體材料的興起，是以氮化鎵(GaN)材料p型摻雜的突破為起點，以高亮度藍光發(fā)光二極管(LED)和藍光激光器(LD)的研制成功為標志，