半導(dǎo)體物理學(xué)第一章課件

半導(dǎo)體物理學(xué)陳延湖半導(dǎo)體物理學(xué)陳延湖1§1.4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)在溫度T=0K時，導(dǎo)帶為空，價帶為滿帶，半導(dǎo)體不導(dǎo)電導(dǎo)帶價帶空穴的特性和意義？§1.4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)在溫度T=2半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)導(dǎo)帶價帶電子空穴當(dāng)溫度上升，由于半導(dǎo)體禁帶寬度較窄（1eV左右），價帶中部分電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，發(fā)生本征激發(fā)，導(dǎo)致導(dǎo)帶和價帶均為不滿帶，導(dǎo)帶中的電子和價帶中的電子均可以參與導(dǎo)電。且價帶中的電子導(dǎo)電效果用空穴來等效。半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)導(dǎo)帶價帶電子空穴當(dāng)溫度上升，由于半導(dǎo)體3半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)—電子和空穴同時參與導(dǎo)電：電子：是價電子脫離原子束縛后形成的準(zhǔn)自由電子，對應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：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半導(dǎo)體中能夠?qū)щ姷碾娮雍涂昭ū环Q為載流子，半導(dǎo)體同金屬的最大差異，正是由于這兩種載流子的作用，使半導(dǎo)體表現(xiàn)出許多奇異的特性，可用來制造形形色色的器件。半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)—電子和空穴同時參與導(dǎo)電：半導(dǎo)4載流子載流子的不同特性：電子：帶負(fù)電，在導(dǎo)帶底具有正的有效質(zhì)量空穴：帶正電，在價帶頂具有正的有效質(zhì)量載流子載流子的不同特性：5空穴的特征—帶正電荷設(shè)一個波矢為K的電子被本征激發(fā)，在價帶頂留下了空穴A。右圖表示，在外電場力f的作用下空穴A與其它價帶中的電子一樣，在k空間以相同的速率從帶頂?shù)綆У走\動。即空穴與對應(yīng)空缺的k狀態(tài)的電子的運動規(guī)律相同空穴的特征—帶正電荷設(shè)一個波矢為K的電子被本征激發(fā)，在價帶頂6空穴的特征—帶正電荷因為價帶有一個空態(tài)，在外力下存在電流。設(shè)為JJ=存在A空位的價帶電子總電流設(shè)想以一個電子填充到空的k狀態(tài)，該電子電流為填入這個電子后價帶又被填滿,總電流應(yīng)為零表明當(dāng)價帶k狀態(tài)空出時，價帶電子的總電流，如同一個正電荷的粒子以k狀態(tài)電子速度v（k）運動時所產(chǎn)生的電流，因而通常把空穴看做具有正電荷空穴的特征—帶正電荷因為價帶有一個空態(tài)，在外力下存在電流。設(shè)7空穴的特征—具有正的有效質(zhì)量空穴與對應(yīng)的空缺k狀態(tài)的電子的運動規(guī)律相同k狀態(tài)電子加速度：由于空穴具有正電荷，它的受力為：空穴加速度可表示為：由于空穴一般位于價帶頂，在價帶頂電子有效質(zhì)量為負(fù)值，所以空穴的有效質(zhì)量為正令即為空穴的有效質(zhì)量也就是空穴的加速度空穴的特征—具有正的有效質(zhì)量空穴與對應(yīng)的空缺k狀態(tài)的電子的運8空穴概念小結(jié)空穴帶一個電子電量的正電荷空穴位于價帶頂，有效質(zhì)量是一個正常數(shù)，它與價帶頂附近空態(tài)電子有效質(zhì)量大小相等，符號相反空穴的運動速度就是價帶頂附近空態(tài)電子運動速度空穴的濃度就是價帶頂附近空態(tài)的濃度p空穴是一種假想粒子，它概括了未填滿價帶中大量電子對半導(dǎo)體導(dǎo)電電流的貢獻(xiàn)空穴概念小結(jié)空穴帶一個電子電量的正電荷9例題1證明：對于能帶中的電子，k狀態(tài)和-k狀態(tài)的電子速度大小相等，方向相反，即v(k)=-v(-k),并解釋下列兩種情況下晶體總電流為零。①無外場力時的能帶②有外場力時的滿帶電子解：對一維情況K狀態(tài)電子的速度為：例題1證明：對于能帶中的電子，k狀態(tài)和-k狀態(tài)的電子速度大小10則：所以：因電子占據(jù)某個狀態(tài)的幾率只與能量有關(guān)，而顯然故電子占有K狀態(tài)和-k狀態(tài)的幾率相同，即兩種狀態(tài)的電子數(shù)量相同又兩個狀態(tài)的電子運動速度大小相等方向相反，電子電流相互抵消，則電子總電流為0則：所以：因電子占據(jù)某個狀態(tài)的幾率只與能量有關(guān)，而顯然故電子11例2通常，晶格勢場對電子的作用力fl不容易測得，但可以通過它與外場力fe的關(guān)系得到。證明它們關(guān)系為：例2通常，晶格勢場對電子的作用力fl不容易測得，但可12例3對與晶格常數(shù)為2.5x10-10m的一維晶格，當(dāng)外加102v/m的電場和107v/m的電場時，分別計算電子自能帶底到能帶頂所用的時間。例3對與晶格常數(shù)為2.5x10-10m的一維晶格，當(dāng)外加113代入數(shù)據(jù)當(dāng)電場為102v/m時，t=8.3x10-8

s當(dāng)電場為107v/m時，t=8.3x10-13

s代入數(shù)據(jù)當(dāng)電場為102v/m時，t=8.3x10-8s14例4根據(jù)如圖所示的能量曲線E(K)的形狀試分析，（1）那個能帶中，電子有效質(zhì)量數(shù)值最小。（2）設(shè)Ⅰ，Ⅱ為滿帶，Ⅲ帶為空帶，若少量電子進(jìn)入Ⅲ帶，在Ⅱ帶中產(chǎn)生同樣數(shù)目的空穴，那么Ⅱ帶中空穴的有效質(zhì)量比Ⅲ帶中電子的有效質(zhì)量大，還是?。坷?根據(jù)如圖所示的能量曲線E(K)的形狀試分析，15例5曲線A自由電子的E-K曲線，B為半