能帶與半導(dǎo)體

1、 主要內(nèi)容l半導(dǎo)體及其性質(zhì)l直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體定義l直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體的性質(zhì)半導(dǎo)體的定義l半導(dǎo)體半導(dǎo)體：半導(dǎo)體（semiconductor），是一種導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，并有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的材料。這種材料在某個(gè)溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增加電荷載流子的濃度，電阻率下降。如硅、鍺、硒等，半導(dǎo)體之所以得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力受摻雜、溫度和光照的影響十分顯著 半導(dǎo)體的分類常用的半導(dǎo)體材料分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體是由單一元素制成的半導(dǎo)體材料。主要有硅、鍺、硒等，以硅、鍺應(yīng)用最廣。化合物半導(dǎo)體分為二元系、三元系、多元系和有機(jī)化合物半導(dǎo)體。二元系化合物半導(dǎo)體

2、有-族（如砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等）、-族（如硫化鎘、硒化鎘、碲化鋅、硫化鋅等）、 -族（如硫化鉛、硒化鉛等） 、-族（如碳化硅）化合物。三元系和多元系化合物半導(dǎo)體主要為三元和多元固溶體，如鎵鋁砷固溶體、鎵鍺砷磷固溶體等。有機(jī)化合物半導(dǎo)體有萘、蒽、聚丙烯腈等，還處于研究階段。此外，還有非晶態(tài)和液態(tài)半導(dǎo)體材料，這類半導(dǎo)體與晶態(tài)半導(dǎo)體的最大區(qū)別是不具有嚴(yán)格周期性排列的晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體導(dǎo)電原理 半導(dǎo)體和絕緣體在正常情況下，幾乎所有電子都在價(jià)帶或是其下的量子態(tài)里，因此沒(méi)有自由電子可供導(dǎo)電。 半導(dǎo)體和絕緣體之間的差異在於兩者之間能隙（energy bandgap）寬度不同，亦即電子欲從價(jià)帶跳入傳導(dǎo)帶（co

3、nduction band）時(shí)所必須獲得的最低能量不一樣。通常能隙寬度小於3電子伏特（eV）者為半導(dǎo)體，以上為絕緣體。半導(dǎo)體的基本能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的基本能帶圖如左圖所示，但在一般溫度下，由于熱激發(fā)價(jià)帶頂部有少量的空穴，導(dǎo)帶底部有少量的電子，如右圖所示，這些電子和空穴就是半導(dǎo)體的載流子，決定了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力 帶隙帶隙：帶隙：導(dǎo)帶的最低點(diǎn)和價(jià)帶的最高點(diǎn)的能量之差。也稱能隙。帶隙越大，電子由價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶越難，本征載流子濃度就越低，電導(dǎo)率也就越低本征光的吸收l(shuí)半導(dǎo)體吸收光子使電子由價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對(duì)的過(guò)程就叫本征光吸收。l光子能量滿足的條件是： l準(zhǔn)動(dòng)量守恒條件是： gEphoton

4、kkp 豎直躍遷-直接帶隙半導(dǎo)體直接半導(dǎo)體 在躍遷過(guò)程中，波矢可以看做是不變的，在能帶圖示上，初態(tài)和末態(tài)基本上在一條直線上，價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底處于k空間同一點(diǎn)，電子要躍遷到導(dǎo)帶上產(chǎn)生導(dǎo)電的電子和空穴（形成半滿能帶）只需要吸收能量這樣的躍遷稱為豎直躍遷，相應(yīng)的半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體 常見(jiàn)的直接半導(dǎo)體：GaAs、InP半導(dǎo)體非豎直躍遷-間接帶隙半導(dǎo)體間接帶隙半導(dǎo)體l間接躍遷時(shí)，在K空間，電子吸收光子從價(jià)帶頂部躍遷到導(dǎo)帶底部狀態(tài)，在這一過(guò)程中，因?yàn)楣庾拥哪芰刻。詥渭兾展庾硬荒苁闺娮佑蓛r(jià)帶頂躍遷到導(dǎo)帶底部，因此電子在吸收光子的同事伴隨著吸收或者發(fā)出一個(gè)聲子，光子提供躍遷所需要的能量，聲子提供躍遷

5、所需要的動(dòng)量，這種躍遷方式稱為非豎直躍遷，l非豎直躍遷是一個(gè)二級(jí)過(guò)程，發(fā)生幾率要比豎直躍遷小的多，這類半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)體l常見(jiàn)的間接帶隙半導(dǎo)體：Ge，Si直接帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)l當(dāng)價(jià)帶電子往導(dǎo)帶躍遷時(shí)，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(guò)程中，動(dòng)量可保持不變滿足動(dòng)量守恒定律。相反，如果導(dǎo)帶電子下落到價(jià)帶（即電子與空穴復(fù)合）時(shí)，也可以保持動(dòng)量不變直接復(fù)合，即電子與空穴只要一相遇就會(huì)發(fā)生復(fù)合（不需要聲子來(lái)接受或提供動(dòng)量）。因此，直接帶隙半導(dǎo)體中載流子的壽命必將很短；同時(shí)，這種直接復(fù)合可以把能量幾乎全部以光的形式放出（因?yàn)闆](méi)有聲子參與，故也沒(méi)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(dǎo)體來(lái)制作的根本原因）。間接帶隙半導(dǎo)體的重要性質(zhì)l 簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，從能帶圖譜可以看出，間接帶隙半導(dǎo)體中的電子在躍遷時(shí)K K值會(huì)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(huì)極大的幾率將能量釋放給晶格，轉(zhuǎn)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(wú)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(lái)。