半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)

關(guān)于半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)第一頁，共一百零九頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體物理學(xué)教材:《半導(dǎo)體物理學(xué)》(第七版)，劉恩科等編著，電子工業(yè)出版社參考書：《半導(dǎo)體物理與器件》（第三版），DonaldA.Neamen著，電子工業(yè)出版社

田敬民，張聲良《半導(dǎo)體物理學(xué)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與典型題解》，電子工業(yè)出版社2005第二頁，共一百零九頁，2022年，8月28日課程考核辦法

:本課采用閉卷筆試的考核辦法?？傇u成績構(gòu)成比例為：平時成績30%；期末考試70%半導(dǎo)體物理學(xué)第三頁，共一百零九頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)（chap1）半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級（chap2）半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布（chap3）半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（chap4）非平衡載流子（chap5）pn結(jié)（chap6）金屬和半導(dǎo)體的接觸（chap7）半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)（chap8）半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和光電與發(fā)光現(xiàn)象（chap10）非晶態(tài)半導(dǎo)體（chap13）半導(dǎo)體物理學(xué)第四頁，共一百零九頁，2022年，8月28日一、學(xué)習(xí)《半導(dǎo)體物理》的意義

作為信息產(chǎn)業(yè)強大基礎(chǔ)的微電子技術(shù)正在迅速成長，同時帶動了一批相關(guān)產(chǎn)業(yè)的崛起和發(fā)展。微電子技術(shù)比以往任何時候都顯示出為世人矚目的重要性。近年來，我國制定了發(fā)展微電子技術(shù)的各項優(yōu)惠政策，世界半導(dǎo)體設(shè)計與制造中心正快速地向中國大陸轉(zhuǎn)移，一批投資上百億的集成電路制造廠在中國相繼投產(chǎn)?？梢灶A(yù)期，我國必將成為微電子強國。半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件的相關(guān)知識是微電子技術(shù)的基礎(chǔ)，掌握該知識對從事相關(guān)的技術(shù)工作非常重要。第五頁，共一百零九頁，2022年，8月28日二、本課程在專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)中的定位與課程目標(biāo)《半導(dǎo)體物理學(xué)》作為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的骨干課程之一，理論性和系統(tǒng)性較強，通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能較全面的掌握半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)知識，基本概念，基本理論和基本方法，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和抽象思維能力，為學(xué)習(xí)后續(xù)的《微電子器件物理》和《微電子器件與集成電路工藝》和《集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》等其他專業(yè)課程的打下堅實的基礎(chǔ)。同時學(xué)好這門課程對了解半導(dǎo)體行業(yè)未來的發(fā)展都是非常重要的。第六頁，共一百零九頁，2022年，8月28日固態(tài)電子學(xué)分支之一微電子學(xué)光電子學(xué)研究在固體（主要是半導(dǎo)體〕材料上構(gòu)成的微小型化器件、電路、及系統(tǒng)的電子學(xué)分支學(xué)科微電子學(xué)簡介:半導(dǎo)體概要第七頁，共一百零九頁，2022年，8月28日微電子學(xué)研究領(lǐng)域半導(dǎo)體器件物理集成電路工藝集成電路設(shè)計和測試微電子學(xué)發(fā)展的特點向高集成度、低功耗、高性能高可靠性電路方向發(fā)展與其它學(xué)科互相滲透，形成新的學(xué)科領(lǐng)域：光電集成、MEMS、生物芯片半導(dǎo)體概要第八頁，共一百零九頁，2022年，8月28日固體材料分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體及其基本特性第九頁，共一百零九頁，2022年，8月28日第十頁，共一百零九頁，2022年，8月28日第十一頁，共一百零九頁，2022年，8月28日

第一章半導(dǎo)體中的電子態(tài)1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)1.2半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶1.3半導(dǎo)體中電子的運動有效質(zhì)量1.4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)孔穴1.6硅、鍺的能帶結(jié)構(gòu)1.7Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)1.8Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)1.9Si1-xGex合金的能帶結(jié)構(gòu)第十二頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)

一.晶格結(jié)構(gòu)的基本概念1.三維立方晶格-簡單立方2.三維立方晶格-體心立方3.三維立方晶格-面心立方4.晶面和晶向二.半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)1.半導(dǎo)體材料的原子組成2.金剛石晶體結(jié)構(gòu)和共價鍵3.Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)第十三頁，共一百零九頁，2022年，8月28日第一章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)

1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)1.2半導(dǎo)體中電子狀態(tài)和能帶1.3半導(dǎo)體中電子運動有效質(zhì)量1.4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)空穴1.5回旋共振1.6硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)第十四頁，共一百零九頁，2022年，8月28日無定型多晶單晶1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)在幾個原子或分子范圍內(nèi)有序在多個原子或分子范圍內(nèi)有序晶粒：尺度~微米的量級晶界在整個晶體范圍內(nèi)有序第十五頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)常用半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)，Si和Ge閃鋅礦結(jié)構(gòu)，GaAs纖鋅礦結(jié)構(gòu)，ZnS第十六頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)原子或分子排列的周期性排列的對稱性Si的晶體結(jié)構(gòu)晶體主要特征---有序性第十七頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)1、三維立方晶格-簡單立方圖1.1簡單立方堆積 簡單立方結(jié)構(gòu)單元一、晶格結(jié)構(gòu)的基本概念晶格常數(shù)aa第十八頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)圖1.2體心立方堆積 體心立方結(jié)構(gòu)單元2、三維立方晶格-體心立方aa晶格常數(shù)第十九頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)3、三維立方晶格-面心立方圖1.3面心立方結(jié)構(gòu)單元aa晶格常數(shù)第二十頁，共一百零九頁，2022年，8月28日例題考慮一種晶體結(jié)構(gòu)為體心立方的單晶材料，其晶格常數(shù)a為0.5nm,求該晶體中的原子密度。單位(個/cm3)。a體心立方單原胞角落上的1個原子將被8個相鄰的原胞所均分，即一個角落原子將有1/8被包含在單原胞之中,因此一體心立方的原胞將有兩個原子答案：1.6x1022個/cm3第二十一頁，共一百零九頁，2022年，8月28日4.晶面與晶向晶面可以用平面與晶格坐標(biāo)軸的截距來表達。截距：l=2,m=1,n=3乘以最小公分母：（3,6,2）倒數(shù)：（1/2,1,1/3）該平面成為：(362)面這組整數(shù)字稱為：密勒指數(shù)（hkl）密勒指數(shù){hkl}

所表示的是一系列相互平行的晶面族第二十二頁，共一百零九頁，2022年，8月28日[100]abc晶向:可以用三個互質(zhì)的整數(shù)來表示，它們是該方向某個矢量的三個坐標(biāo)分量。用方括號來表示，即：[hkl]等效晶向用<hkl>表示。4.晶面與晶向第二十三頁，共一百零九頁，2022年，8月28日圖1.4常用的密勒指數(shù)示意圖（a）晶面（b）晶向4.晶面和晶向第二十四頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)二、半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)1、半導(dǎo)體材料的原子組成第二十五頁，共一百零九頁，2022年，8月28日2.金剛石晶體結(jié)構(gòu)和共價鍵（Si：a=5.43A;Ge:a=5.66A;-SiC:a=4.35A，金剛石a=3.567A等）每一個Si(或Ge)原子有四個近鄰原子，構(gòu)成四個共價鍵。金剛石結(jié)構(gòu)共價鍵1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)第二十六頁，共一百零九頁，2022年，8月28日

補充作業(yè)：1、在室溫下Si的晶格常數(shù)a=5.43A;Ge的晶格常數(shù)a=5.66A，分別計算每立方厘米內(nèi)硅、鍺的原子個數(shù)2、分別計算Si（100），（110），（111）面每平方厘米內(nèi)的原子個數(shù)，即原子面密度（提示：先畫出各晶面內(nèi)原子的位置和分布圖）3、計算硅<100>,<110>和〈111〉晶向上單位長度內(nèi)的原子數(shù)，即原子線密度1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)第二十七頁，共一百零九頁，2022年，8月28日作業(yè)題1

Ge;

Si:1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)第二十八頁，共一百零九頁，2022年，8月28日作業(yè)題2（100），（110）和（111）晶面上的原子分布1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)第二十九頁，共一百零九頁，2022年，8月28日（100）（110）（111）1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)第三十頁，共一百零九頁，2022年，8月28日作業(yè)題3<100>:

<110>:<111>:1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)第三十一頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)3、Ⅲ-Ⅴ族和大部分Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體屬于閃鋅礦結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu) 閃鋅礦結(jié)構(gòu)第三十二頁，共一百零九頁，2022年，8月28日釬鋅礦結(jié)構(gòu)1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)4、部分Ⅱ-Ⅵ族化合物（如ZnS、SeS、CrS、CrSe）可以是閃鋅礦結(jié)構(gòu)，也可以是釬鋅礦結(jié)構(gòu)第三十三頁，共一百零九頁，2022年，8月28日閃鋅礦和纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnS閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)ZnS纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)第三十四頁，共一百零九頁，2022年，8月28日

1.2.1原子的能級和晶體的能帶

1.2.2半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)和能帶1.2.3導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶1.2半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶

第三十五頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.2半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶

1.2.1原子的能級和晶體的能帶

孤立原子的能級定態(tài)條件：電子只能處于一些分立的軌道上繞核轉(zhuǎn)動，這些定態(tài)的軌道即所謂的電子殼層。不同原子的相似殼層的交疊使得電子可以在整個晶體中運動第三十六頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.2.1原子的能級和晶體的能帶第三十七頁，共一百零九頁，2022年，8月28日考慮N個原子組成的晶體（1）越靠近內(nèi)殼層的電子，共有化運動弱，能帶窄。（2）各分裂能級間能量相差小，看作準(zhǔn)連續(xù)（3）有些能帶被電子占滿（滿帶），有些被部分占滿（半滿帶），未被電子占據(jù)的是空帶。

原子能級能帶1.2.1原子的能級和晶體的能帶第三十八頁，共一百零九頁，2022年，8月28日例：半導(dǎo)體Si的能帶結(jié)構(gòu)的形成孤立Si原子的能級示意圖Si的14個電子中的10個都處于靠近核的深層能級，其余4個價電子相對來說受原子的束縛較弱1.2.1原子的能級和晶體的能帶第三十九頁，共一百零九頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體Si的能帶形成示意圖滿帶空帶禁帶寬度晶格常數(shù)a0導(dǎo)帶價帶禁帶寬度第四十頁，共一百零九頁，2022年，8月28日n=1和n=2的兩個較深的能帶是滿帶。考慮n=3的能帶，3s有兩個量子態(tài)，3p有6個量子態(tài)，N個Si原子形成固體時，隨著原子間距的減少，3s和3p互相作用并產(chǎn)生交迭，在平衡態(tài)的原子間距位置產(chǎn)生能帶分裂，但每個原子中有四個量子態(tài)處于較底能帶，4個量子態(tài)則處于較高能帶。T=0k時，能量較低的價帶是滿帶，能量較高的導(dǎo)帶是空帶。1.2.1原子的能級和晶體的能帶第四十一頁，共一百零九頁，2022年，8月28日價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導(dǎo)帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價帶頂之間的能量差導(dǎo)帶、價帶、禁帶及寬度導(dǎo)帶價帶Eg禁帶1.2.2半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)和能帶第四十二頁，共一百零九頁，2022年，8月28日自由電子一維薛定諤波動方程

其中：

為表述粒子(電子)運動狀態(tài)的波函數(shù)

V(x)

為與時間無關(guān)的勢函數(shù)

m

為粒子(電子)質(zhì)量第四十三頁，共一百零九頁，2022年，8月28日采用分離變量法可以將波函數(shù)寫成分別與時間和坐標(biāo)有關(guān)的函數(shù)。

代入薛定諤方程，經(jīng)過整理，可得：

其中：E為分離常量，代表粒子(電子)能量

同時，也得到與時間無關(guān)的薛定諤方程：第四十四頁，共一百零九頁，2022年，8月28日沿+x方向傳播的平面波

k為波矢

方程的解為：

方程簡化為：

波矢k具有量子數(shù)的作用，可以標(biāo)志電子運動狀態(tài)由于

第四十五頁，共一百零九頁，2022年，8月28日電子具有波粒二象性德布羅意關(guān)系式自由粒子的E-k關(guān)系為拋物曲線kE0第四十六頁，共一百零九頁，2022年，8月28日自由空間，k連續(xù)的，動量連續(xù)，能量連續(xù)。決定自由電子狀態(tài)的是波矢三個量子數(shù)，可以取任意大小，任意方向，無限制，一個E值可對應(yīng)于無窮多個，但是一個只對應(yīng)于一個E和一個Ψ。第四十七頁，共一百零九頁，2022年，8月28日單電子近似：晶體中某一個電子是在周期性排列且固定不動的原子核勢場以及其它大量電子的平均勢場中運動。該勢場也為周期性的，且與晶格周期相同，即：第四十八頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.晶體中薛定諤方程及其解的形式薛定鄂方程：

布洛赫證明：滿足上述方程的解具有如下形式

方程（1）具有（2）形式的解，這一結(jié)論叫布洛赫定理，函數(shù)Ψ(x)叫做布洛赫函數(shù)．

（1）（2）考慮一維情況：勢場：V（x）=V（x+sa），a為晶格常數(shù)，s為整數(shù)其中第四十九頁，共一百零九頁，2022年，8月28日把自由電子波函數(shù)：與晶體中電子波函數(shù)：比較．其共同點：

１均代表一個波長為2π／k沿K方向傳播的平面波．２K描述運動狀態(tài)，不同K標(biāo)志不同的共有化運動狀態(tài)．第五十頁，共一百零九頁，2022年，8月28日不同點：１.自由電子振幅Ａ常數(shù)，固體中電子振幅2.自由電子：常數(shù)，在空間各點出現(xiàn)的幾率相同→自由運動,固體電子：晶體中各點找到電子的幾率也是周期性變化的，電子可以在整個晶體中運動。這種運動稱為電子在晶體內(nèi)的共有化運動。外層電子：共有化運動強→準(zhǔn)自由電子內(nèi)層電子：共有化運動弱→緊束縛電子第五十一頁，共一百零九頁，2022年，8月28日2.布里淵區(qū)與能帶關(guān)于能量E自由電子，k連續(xù)取值，E連續(xù)取值。固體電子：由于周期場的作用[或者由Ψ(x)=Ψ(x+na)，在波矢（n=0，±1，±2，±3……..等處發(fā)生能量不連續(xù)，形成一系列允許帶和禁帶。禁帶出現(xiàn)在布里淵區(qū)邊界上）第五十二頁，共一百零九頁，2022年，8月28日在同一能帶中，E（k）也是k的周期性函數(shù)，周期為2/a。

k和表示相同的狀態(tài)。對于無限大的晶體，K可以連續(xù)取值，但在布里淵區(qū)邊界E（k）發(fā)生突變，所以可以只取第一布里淵區(qū)中的k值來描述電子的能量狀態(tài)，在這一區(qū)域內(nèi)，E為k的多值函數(shù)。必須用En（k）來表示是第幾個能帶。第五十三頁，共一百零九頁，2022年，8月28日周期性邊界條件的推導(dǎo)設(shè)一維完整晶體的原子數(shù)為N,則其長度L為Na對于有限晶體，k不能連續(xù)取值。第五十四頁，共一百零九頁，2022年，8月28日如果是三維的情況，k有3個分量，kx，ky，kz

每一個能帶中K有N個取值，所以對應(yīng)的能級是準(zhǔn)連續(xù)的。每個能帶中有N個能級可以容納2N個電子。第五十五頁，共一百零九頁，2022年，8月28日E-K關(guān)系圖E-K關(guān)系圖的簡約布里淵區(qū)第五十六頁，共一百零九頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體硅的能帶圖第五十七頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.2.3半導(dǎo)體、導(dǎo)體、絕緣體的能帶

1.43eV0.67eV第五十八頁，共一百零九頁，2022年，8月28日絕緣體禁帶寬度大，常溫下激發(fā)到導(dǎo)帶的電子很少，導(dǎo)電性差。半導(dǎo)體禁帶寬度小，常溫下已有不少電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，所以具有一定的導(dǎo)電能力。如si的Eg=1.12eV,Ge的Eg=0.67eV.半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴都參與導(dǎo)電，金屬中只有電子做定向運動導(dǎo)電。金屬和半導(dǎo)體的差別：金屬中只有一種載流子——電子，數(shù)目巨大。半導(dǎo)體中有兩種載流子——電子和空穴，數(shù)目少。1.2.3半導(dǎo)體、導(dǎo)體、絕緣體的能帶

第五十九頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.3.1半導(dǎo)體中E(k)與k的關(guān)系1.3.2半導(dǎo)體中電子的平均速度1.3.3半導(dǎo)體中電子的加速度1.3.4有效質(zhì)量的意義1.3半導(dǎo)體中電子的運動有效質(zhì)量第六十頁，共一百零九頁，2022年，8月28日

固體的E(k)與k的定量關(guān)系依賴于固體的成分和結(jié)構(gòu)，求解固體中E(k)關(guān)系式是固體能帶論專門解決的問題。對于半導(dǎo)體，對導(dǎo)電特性起作用的主要是價帶頂和導(dǎo)帶底，重點考慮導(dǎo)帶底（極小值）和價帶頂（極大值）附近的E(k)與k的關(guān)系就足夠了。

第六十一頁，共一百零九頁，2022年，8月28日

掌握半導(dǎo)體中求E（k）與k的關(guān)系的方法：晶體中電子的運動狀態(tài)要比自由電子復(fù)雜得多，要得到它的E（k）表達式很困難。但在半導(dǎo)體中起作用地是位于導(dǎo)帶底或價帶頂附近的電子。因此，可采用級數(shù)展開的方法研究帶底或帶頂E（k）-k關(guān)系。第六十二頁，共一百零九頁，2022年，8月28日在導(dǎo)帶底部，波數(shù)，附近值很小，將在附近泰勒展開

第六十三頁，共一百零九頁，2022年，8月28日令代入上式得E(0)：導(dǎo)帶底能量第六十四頁，共一百零九頁，2022年，8月28日第六十五頁，共一百零九頁，2022年，8月28日第六十六頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.3.2半導(dǎo)體中電子的平均速度－電子在周期性勢場中的運動，用平均速度，即群速度來描述－群速度是介質(zhì)中能量的傳輸速度－布洛赫定理說明電子的運動可以看作是很多行波的疊加，它們可以疊加為波包；而波包的群速就是電子的平均速度。－波包由一個特定波矢k附近的諸波函數(shù)組成，則波包群速Vg為半導(dǎo)體中電子的平均速度第六十七頁，共一百零九頁，2022年，8月28日第六十八頁，共一百零九頁，2022年，8月28日（1）自由電子1.3.3半導(dǎo)體中電子的加速度（2）半導(dǎo)體中電子的平均速度：波包的群速度：

第六十九頁，共一百零九頁，2022年，8月28日結(jié)論：以電子有效質(zhì)量代替電子的慣性質(zhì)量，速度與波矢的關(guān)系式形式類似。

價帶頂部導(dǎo)帶底部第七十頁，共一百零九頁，2022年，8月28日

半導(dǎo)體中電子的加速度：半導(dǎo)體器件在外加電壓下工作，在半導(dǎo)體內(nèi)部形成電場，外加電場作用在電子上的作用外力為f，電子同時受到半導(dǎo)體原子核和其它電子的作用。在外力f的作用下，電子位移ds，根據(jù)動能定理

第七十一頁，共一百零九頁，2022年，8月28日電子的加速度：單位時間的速度變化第七十二頁，共一百零九頁，2022年，8月28日第七十三頁，共一百零九頁，2022年，8月28日速度：有效質(zhì)量第七十四頁，共一百零九頁，2022年，8月28日－半導(dǎo)體中的電子需要同時響應(yīng)內(nèi)部勢場和外加場的作用，有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場對電子的作用，使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運動規(guī)律時，可以不涉及到半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用。－還可以由實驗直接測定－并不代表電子的動量，稱為電子的準(zhǔn)動量1.3.4

有效質(zhì)量的意義第七十五頁，共一百零九頁，2022年，8月28日

有效質(zhì)量：在半導(dǎo)體同一能帶的不同位置（k不同），有效質(zhì)量可能不同。在同一半導(dǎo)體中k相同的不同能帶處，（k相同，En不同），有效質(zhì)量可能不同。能帶越窄，有效質(zhì)量越大（內(nèi)層電子），能帶越寬，有效質(zhì)量越?。ㄍ鈱与娮樱ＥcE(k)曲線的曲率半徑成正比第七十六頁，共一百零九頁，2022年，8月28日第七十七頁，共一百零九頁，2022年，8月28日討論題1一維晶格能量E與波矢k的關(guān)系如圖所示。分別討論下列問題：

1）假設(shè)電子能譜和自由電子一樣，寫出與簡約波矢k=1/4a對應(yīng)的A（第I能帶），B(第II能帶)和C(第III能帶)三點處的能量E。2)圖中哪個能帶上的電子有效質(zhì)量最小？3）第II能帶上空穴的有效質(zhì)量mp*比第III能帶上的電子有效質(zhì)量mn*大還是?。?同一個K)4)當(dāng)k為何值時，能帶I和能帶II之間，能帶II和能帶III之間發(fā)生躍遷需要的能量最?。康谄呤隧?，共一百零九頁，2022年，8月28日討論題2圖1所示E-k關(guān)系曲線表示出了兩種可能的導(dǎo)帶，則導(dǎo)帶，（B帶）對應(yīng)的電子有效質(zhì)量較大圖2所示的E-k關(guān)系曲線表示出了兩種可能的價帶，則價帶（A帶）對應(yīng)的空穴有效質(zhì)量大。圖1圖2第七十九頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)空穴本征半導(dǎo)體：n=p=ni價帶頂部激發(fā)電子到導(dǎo)帶相當(dāng)于共價鍵上缺少一個電子而出現(xiàn)一個空位置，而在晶格間隙出現(xiàn)一個導(dǎo)電電子。空狀態(tài)帶有正電荷，叫“空穴”?？昭軐?dǎo)電，具有有效質(zhì)量。第八十頁，共一百零九頁，2022年，8月28日導(dǎo)帶價帶沒有自由載流子（不導(dǎo)電）導(dǎo)帶價帶自由載流子：電子，空穴（導(dǎo)電）電子空穴第八十一頁，共一百零九頁，2022年，8月28日電子：Electron，帶負電的導(dǎo)電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：Hole，帶正電的導(dǎo)電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對應(yīng)于價帶中的電子空位第八十二頁，共一百零九頁，2022年，8月28日空態(tài)出現(xiàn)在能帶頂部A點，除A點外，所有K狀態(tài)均被電子占據(jù)。在外電場作用下，電子的k態(tài)不斷隨時間變化，在電場作用下所有電子都以相同的速率向左運動。當(dāng)價帶有一個空穴時，價電子的總電流，等于一個帶正電的空穴以與電子相同的速度運動時所產(chǎn)生的電流。把價帶中空著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子，稱為空穴第八十三頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.5

回旋共振K空間的等能面在一維空間，能帶的極值發(fā)生在設(shè)k=0處，則導(dǎo)帶低附近價帶頂附近第八十四頁，共一百零九頁，2022年，8月28日三維空間：k2=kx2+ky2+kz2能帶極值在K0處第八十五頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.5.2回旋共振物質(zhì)的抗磁性是一些物質(zhì)的原子中電子磁矩互相抵消，合磁矩為零。但是當(dāng)受到外加磁場作用時，電子軌道運動會發(fā)生變化，而且在與外加磁場的相反方向產(chǎn)生很小的合磁矩。半導(dǎo)體中的載(電)流子在一定的恒定(直流)磁場和高頻磁場同時作用下會發(fā)生抗磁共振(常稱回旋共振)，由此可測定半導(dǎo)體中載流子(電子和空穴)的符號和有效質(zhì)量，從而可求得能帶極值附近的能帶。第八十六頁，共一百零九頁，2022年，8月28日第八十七頁，共一百零九頁，2022年，8月28日各向同性的晶體，等能面是一系列的球面晶體大部分是各向異性的，不同方向的有效質(zhì)量不同，等能面是橢球面。第八十八頁，共一百零九頁，2022年，8月28日第八十九頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1.6硅、鍺的能帶結(jié)構(gòu)Ge：[111]能谷為導(dǎo)帶底Si：[100]能谷為導(dǎo)帶底第九十頁，共一百零九頁，2022年，8月28日

價帶：1.價帶的極大值出現(xiàn)在布里淵區(qū)中心K=0處2.K=0處，價帶的極大值相重合的兩個價帶，表明硅、鍺有兩種有效質(zhì)量不同的空穴-重空穴(mp)h和輕空穴(mp)l,價帶還有第三個能帶，但這個能帶離開價帶頂，所以一般只對前兩個能帶感興趣。3.硅：(mp)h=0.53m0,(mp)l=0.16m0,(mp)3=0.245m0鍺：(mp)h=0.36m0,(mp)l=0.044m0(mp)3=0.077m0第九十一頁，共一百零九頁，2022年，8月28日導(dǎo)帶：

1、不同導(dǎo)帶的極小值出現(xiàn)在布里淵區(qū)的不同位置，鍺的導(dǎo)帶極小值位于布里淵區(qū)的L點，布里淵區(qū)與<111>軸的交點，硅的導(dǎo)帶極小值位于<100>方向的布里淵區(qū)中心到布里淵區(qū)邊界的0.85倍處。Si,Ge晶體的第一布里淵區(qū)第九十二頁，共一百零九頁，2022年，8月28日禁帶硅：Eg=1.12eV,間接帶隙半導(dǎo)體鍺：Eg=0.67eV,間接帶隙半導(dǎo)體

室溫Eg隨溫度增加而減小硅鍺第九十三頁，共一百零九頁，2022年，8月28日Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的基本特征

1、價帶在布里淵區(qū)中心是簡并的，具有一個重空穴帶、一個輕空穴帶和一個由于自旋-軌道耦合而分裂出來的第三個帶。但價帶的極大值不是恰好在布里淵區(qū)中心，稍許有所偏離。2、各種化合物導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)有所不同，在[100]、[111]和布里淵區(qū)中心都有導(dǎo)帶極小值，但最低的極小值在所處的位置不同。3、各種化合物的導(dǎo)帶電子有效質(zhì)量不同4、各種化合物的禁帶寬度不同1.7Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)第九十四頁，共一百零九頁，2022年，8月28日銻化銦(InSb)能帶結(jié)構(gòu)1、導(dǎo)帶極小值在K=0處，有效質(zhì)量小，隨能量增加，有效質(zhì)量迅速增加。2、價帶包含三個能帶，重空穴的極大值稍許偏離布里淵區(qū)中心，自旋-軌道耦合裂距約0.9eV.3、禁帶寬度0.18eV,近似直接帶隙半導(dǎo)體第九十五頁，共一百零九頁，2022年，8月28日砷化鎵（GaAs)能帶結(jié)構(gòu)1、導(dǎo)帶極小值位于布里淵區(qū)中心，等能面是球面，導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量為0.067m0。在L和X點還各有一個極小值，電子的有效質(zhì)量分別為0.55m0和0.85m0.,L,X三個極小值與價帶頂?shù)哪芰坎罘謩e為1.424eV,1.708eV,1.90eV。2。有三個價帶，重空穴的有效質(zhì)量0.45m0,輕空穴的有效質(zhì)量0.082m0,第三個能帶的裂距0.34eV.3、禁帶寬度1.424eV,直接帶隙半導(dǎo)體。第九十六頁，共一百零九頁，2022年，8月28日磷化鎵(GaP)能帶結(jié)構(gòu)1、導(dǎo)帶極小值不在布里淵區(qū)中心，而在[100]方向，導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量為0.35m0。2、有三個價帶，價帶極大值位于布里淵區(qū)中心，

重空穴的有效質(zhì)量0.86m0,輕空穴的有效質(zhì)量0.14m0,3、禁帶寬度2.26eV,間接帶隙半導(dǎo)體。第九十七頁，共一百零九頁，2022年，8月28日1、導(dǎo)帶極小值位于布里淵區(qū)中心，電子有效質(zhì)量為0.077m0。2、價帶極大值位于布里淵區(qū)中心，重空穴的有效質(zhì)量0.8m0,輕空穴的有效質(zhì)量0.012m03、禁帶寬度1.34eV,直接帶隙半導(dǎo)體。磷化鎵(InP)能帶結(jié)構(gòu)第九十八頁，共一百零九頁，2022年，8月28日混合晶體的能帶結(jié)構(gòu)

能帶工程如GaAs1-xPx

能帶結(jié)構(gòu)隨x的不同而不同