2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：回旋共振實驗

回旋共振實驗

測量Si材料的回旋共振吸收：

如果等能面是球面，由以上討論可知，改變磁場方向時只能觀察到一個吸收峰。但對n型Si、Ge的回旋共振吸收實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度相對于晶軸有不同取向時，得到為數(shù)不等的吸收峰。

a、若B沿<111>晶軸方向，只能觀察到一個吸收峰；b、若B沿<110>晶軸方向，可以觀察到兩個吸收峰；

c、若B沿<100>晶軸方向，可以觀察到兩個吸收峰；d、若B對晶軸任意取向時，可以觀察到三個吸收峰。顯然，這些結(jié)果不能從等能面是各向同性的假設(shè)得到解釋。如果認(rèn)為Si導(dǎo)帶底附近等能面是沿方向的旋轉(zhuǎn)橢球面，橢球長軸與該方向重合，就可以很好地解釋上面的實驗結(jié)果。即，其導(dǎo)帶最小值不在k＝0處，而在

方向上。根據(jù)Si晶體立方對稱性，也必有同樣的能量在,

的方向上，如下圖所示：Si導(dǎo)帶等能面示意圖B相對于k空間坐標(biāo)軸的取向?qū)?conductionband)：沿<100>BZ內(nèi)部一點上有一個極小值，該點距BZ中心約為0.8kx，由Si的立方對稱性可知，在六個彼此對稱的<100>方向上都有極小值存在，導(dǎo)帶極小值又稱為能谷,即Si的導(dǎo)帶有6個能谷。[100]方向能谷附近的電子能量為:一、Si的能帶結(jié)構(gòu)圖3.17kxEc：導(dǎo)帶底能量；

：[100]方向的有效質(zhì)量縱向有效質(zhì)量；

：垂直[100]方向的有效質(zhì)量橫向有效質(zhì)量；Si能谷附近的等能面為旋轉(zhuǎn)橢球，旋轉(zhuǎn)主軸為<100>等能面為復(fù)雜的扭曲面，通?？山朴脙蓚€球形等能面代替。

對應(yīng)的有效質(zhì)量分別為重空穴和輕空穴有效質(zhì)量，記為：

第三個能帶是由于自旋－軌道耦合分裂出來的，極大值也在k=0處，與上面的兩個能帶比，能量降低了△≈0.04eV，其等能面接近于球形，空穴有效質(zhì)量(mp)3≈0.245m0價帶(valenceband)：三個能帶兩個能帶在k=0處有相同極大值，二重簡并。上面的能帶曲率小，因而空穴的有效質(zhì)量大，稱為重空穴帶；下面的能帶曲率大，因而空穴的有效質(zhì)量小，稱為輕空穴帶；一、Si的能帶結(jié)構(gòu)圖3.17kx禁帶寬度Eg：(energybandgap)☆導(dǎo)帶底和價帶頂發(fā)生在k空間的不同k值處，具有這種類型能帶的半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)體?！?00K時，Si的Eg＝1.12eV；

導(dǎo)帶：極小值在[111]方向BZ邊界上，即L點。根據(jù)對稱性，共有8個極小值。但關(guān)于原點對稱的極小值彼此間相差一個倒格矢，代表同一個狀態(tài)，因此為4個能谷。等能面：旋轉(zhuǎn)主軸為<111>軸的旋轉(zhuǎn)橢球。二、Ge的能帶結(jié)構(gòu)圖3.17(b)價帶：三個能帶，與Si相似。兩個簡并在k＝0處；一個由于自旋－軌道耦合分裂出去。二、Ge的能帶結(jié)構(gòu)圖3.17(b)Ge的Eg：間接帶隙半導(dǎo)體☆300K時，Ge的Eg＝0.67eV；

三、GaAs的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶：極小值位于點(k＝0處)，等能面為球面，。此外在L點、X點還各有一個極小值,有效質(zhì)量分別為0.55m0，0.85m0；室溫下，、L、X三個極小值與價帶頂?shù)哪芰坎罘謩e為：1.424eV,1.078eV,1.900eV。在強(qiáng)電場作用下，電子可由k=0的能谷轉(zhuǎn)移到<100>能谷，產(chǎn)生轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)。

價帶：三個能帶，與Si、Ge相似；重空穴帶