第一章-半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)4

1、Physics of Semiconductors,2024/3/20,1,§ 4 重要半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),(1)    K空間等能面(2)    硅和鍺的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)(3)    硅和鍺的價(jià)帶結(jié)構(gòu)(4)    III-V族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)(5) 混合晶體的能帶結(jié)構(gòu),Physics of Semi

2、conductors,2024/3/20,2,,★ 等能面 討論半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)— 討論E~k關(guān)系; 討論k空間中的等能面等能面--k空間中能量相同的各點(diǎn)構(gòu)成的封閉曲面 ?考慮半導(dǎo)體的各向異性,則有效質(zhì)量各向異性, 等能面是橢球面 ?當(dāng)認(rèn)為有效質(zhì)量各向同性, 等能面是球面,Physics of Semiconductors,2024/3/20,3,,★ 回旋共振運(yùn)動(dòng)電子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力,

3、作回旋運(yùn)動(dòng).回旋頻率 ωc= eB/m,Physics of Semiconductors,2024/3/20,4,,Physics of Semiconductors,2024/3/20,5,,晶體中的電子,回旋頻率 ωc= eB/m* 等能面為球面, m*為常數(shù), ωc= eB/m*n 等能面不是球面,仍有ωc= eB/m*

4、 (m*與有效質(zhì)量各分量有關(guān),即與磁場(chǎng)取向有關(guān).),Physics of Semiconductors,2024/3/20,6,圖1-22,Γ,X,,0.85,Physics of Semiconductors,2024/3/20,7,,★ Si的回旋共振結(jié)果當(dāng)B與橢球旋轉(zhuǎn)軸(長(zhǎng)軸)夾角為θ, B的方向余弦為(sin θ, 0, cos θ),則對(duì)此能谷中的導(dǎo)帶電子:,Physics of Semiconductors,2024/

5、3/20,8,圖1-23,B,,Physics of Semiconductors,2024/3/20,9,,?當(dāng)B沿方向,對(duì)六個(gè)能谷,均給出 cos2 θ=1/3, sin2 θ =2/3—只有一個(gè)共振吸收峰 ?當(dāng)B沿方向,則可以有θ=45º和 θ =90º --可以觀察到二個(gè)共振吸收峰 ?當(dāng)B沿方向,則可以有θ=0º和 θ =90º --可以觀察到二個(gè)共振吸收峰 ?當(dāng)B對(duì)

6、晶軸任意取向,則 --可以觀察到三個(gè)共振吸收峰,Physics of Semiconductors,2024/3/20,10,,★ 硅導(dǎo)帶① 導(dǎo)帶底- 位于方向(Δ軸), 等能面- 旋轉(zhuǎn)橢球面, 橢球長(zhǎng)軸- 方向 (旋轉(zhuǎn)軸). 一個(gè)BZ中有六個(gè)導(dǎo)帶極小 當(dāng)取旋轉(zhuǎn)軸方向?yàn)閗3, 取k1 , k2垂直于k3 ,則等能面方程為,Physics of Semiconductors,2024/3/20,11,,② 有效質(zhì)量: 具有等

7、能面的對(duì)稱性 對(duì)Si 縱向ml= 0.98m0, 橫向mt= 0.19m0.③導(dǎo)帶的E?k關(guān)系及能隙Eg: 室溫下 Eg= 1.12eV, T↗,Eg↘,Physics of Semiconductors,2024/3/20,12,,Physics o

8、f Semiconductors,2024/3/20,13,,★ 鍺導(dǎo)帶①導(dǎo)帶底- 位于方向(Λ軸)的簡(jiǎn)約BZ邊界上(L點(diǎn)), 等能面- 旋轉(zhuǎn)橢球面, 橢球長(zhǎng)軸- 方向 (旋轉(zhuǎn)軸).一個(gè)BZ中有四個(gè)導(dǎo)帶極?、谟行з|(zhì)量: ml= 1.64m0, mt= 0.082m0.③導(dǎo)帶的E?k關(guān)系及能隙Eg: 室溫下 Eg= 0.67eV, T↗,Eg↘,Physics of Semiconductors

9、,2024/3/20,14,硅導(dǎo)帶底,鍺導(dǎo)帶底,圖1-24,Physics of Semiconductors,2024/3/20,15,可以觀察到三個(gè)電子共振吸收峰,Physics of Semiconductors,2024/3/20,16,,★ 硅和鍺的價(jià)帶結(jié)構(gòu)① 價(jià)帶頂- k=0處 (Γ點(diǎn))② 價(jià)帶頂附近有三個(gè)能帶: 重空穴帶; 輕空穴帶(k=0處,二能帶簡(jiǎn)并); 第三個(gè)帶 等能面近

10、似為球面③間接帶隙半導(dǎo)體 Si,Ge的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在k空間的不同點(diǎn).,Physics of Semiconductors,2024/3/20,17,Physics of Semiconductors,2024/3/20,18,Physics of Semiconductors,2024/3/20,19,,★ Si1-XGeX混合晶體 X-混晶比?當(dāng)0.85≤X≤1, 能帶結(jié)構(gòu)為類鍺型;?當(dāng)0≤

11、X≤0.85, 能帶結(jié)構(gòu)為類硅型.,圖1-27,Ge,,Si,Physics of Semiconductors,2024/3/20,20,Physics of Semiconductors,2024/3/20,21,,★ III-V族化合物半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的共同特征III-V族化合物半導(dǎo)體有相似的晶格結(jié)構(gòu),都是以共價(jià)鍵為主的混合鍵,能帶結(jié)構(gòu)一定存在相似之處;組成化合物的原子不同,鍵的離子性不同,能帶結(jié)構(gòu)應(yīng)體現(xiàn)相應(yīng)的差別.①相似的價(jià)帶

12、結(jié)構(gòu): 價(jià)帶頂- k=0處 (Γ點(diǎn)), 價(jià)帶頂附近: 重空穴帶, 輕空穴帶,第三個(gè)帶,Physics of Semiconductors,2024/3/20,22,,②導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)有所不同: 導(dǎo)帶有三個(gè)極小,分別對(duì)應(yīng)EgΓ , Eg Δ , Eg L .導(dǎo)帶底位置與平均原子序數(shù)有關(guān). 當(dāng)導(dǎo)帶底位于Γ點(diǎn)—直接帶隙半導(dǎo)體; 否則,--間接帶隙半導(dǎo)體③禁帶寬度-

13、 大體上,平均原子序數(shù)↗, Eg↘,Physics of Semiconductors,2024/3/20,23,,例如:InSb—平均原子序數(shù)很大,導(dǎo)帶極小位于Γ點(diǎn)-直接帶隙, 帶隙很小(Eg=0.18eV).InP—平均原子序數(shù)較大,導(dǎo)帶極小位于Γ點(diǎn)-直接帶隙, 帶隙中等(Eg=1.34eV).GaP—平均原子序數(shù)較小,導(dǎo)帶極小位于方向-間接帶隙, 帶隙較大(Eg=2.26eV).,Physics of Se

14、miconductors,2024/3/20,24,,★ GaAs的能帶結(jié)構(gòu)A. 導(dǎo)帶底- k=0處 (Γ點(diǎn)),等能面是球面B. 價(jià)帶頂: k=0處 (Γ點(diǎn)),等能面是球面 重空穴帶, 輕空穴帶,第三個(gè)帶C. 直接帶隙半導(dǎo)體, 室溫下 Eg= 1.42eV,Physics of Semiconductors,2024/3/20,25,,,,,E

15、gL EgΓ EgΔ,Physics of Semiconductors,2024/3/20,26,,★ III-V族化合物構(gòu)成的混合晶體 混合晶體的能帶結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)都隨組分的變化而變化.?例如三元化合物GaAs1-XPX 四元化合物不僅可以調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù), 還可以調(diào)節(jié)其他材料性質(zhì)(如熱膨脹系數(shù), 機(jī)械性能等)?例如Ga1-XInXP1-YAsY,Physics of Semi

16、conductors,2024/3/20,27,圖1-30,,Physics of Semiconductors,2024/3/20,28,§ 5 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí),(1)   半導(dǎo)體中的雜質(zhì)(2)    施主和受主(3)    類氫模型(4) 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用(5) 深能級(jí)雜質(zhì),Physics of Semiconduct

17、ors,2024/3/20,29,,★ 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)來源: ?沾污(實(shí)際材料總是偏離理想情況的). ?有目的地?fù)饺?在晶格中的 位置: ?間隙式(interstitial) – 雜質(zhì)原子位于晶格原子之間的間隙位置 ?替位式(substitutional)--雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于格點(diǎn)位置,Physics of Semiconductors,2024/3/20,30,,作

18、用: 雜質(zhì)(以及缺陷)的存在,破壞了原有的周期性勢(shì)場(chǎng),產(chǎn)生附加勢(shì)場(chǎng) - 在禁帶中引入電子能級(jí); - 起散射中心, 復(fù)合中心作用雜質(zhì)在半導(dǎo)體中引入電子能級(jí): ?淺能級(jí)雜質(zhì)--產(chǎn)生的雜質(zhì)能級(jí)：施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底、受主能級(jí)靠近價(jià)帶頂?shù)碾s質(zhì) ?深能級(jí)雜質(zhì)--產(chǎn)生的雜質(zhì)能級(jí)：施主能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底、受主能級(jí)遠(yuǎn)離價(jià)帶頂?shù)碾s質(zhì),

19、Physics of Semiconductors,2024/3/20,31,,Ⅲ,Ⅴ族雜質(zhì)在Si,Ge晶格中占據(jù)格點(diǎn)位置(替位式格點(diǎn)原子), 是淺能級(jí)雜質(zhì),起受主,施主作用.對(duì)半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)有重要影響. ? Ⅴ族雜質(zhì)在Si,Ge晶格中占據(jù)格點(diǎn)位置(替位式格點(diǎn)原子), 是淺能級(jí)雜質(zhì),起施主作用. ? Ⅲ族雜質(zhì)在Si,Ge晶格中占據(jù)格點(diǎn)位置(替位式格點(diǎn)原子), 是淺能級(jí)雜質(zhì),起受主作用.,Physics of Semic

20、onductors,2024/3/20,32,本征Si,Si中的施主,Si中的受主,Physics of Semiconductors,2024/3/20,33,施主與受主,Physics of Semiconductors,2024/3/20,34,,★ 施主施主,施主電離和n型半導(dǎo)體 ?施主--能夠向半導(dǎo)體提供導(dǎo)帶電子的雜質(zhì) ?施主電離--施主雜質(zhì)上多余的一個(gè)價(jià)電子擺脫束縛,成為導(dǎo)帶電子 ? n型半導(dǎo)體—主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電

21、的半導(dǎo)體,Physics of Semiconductors,2024/3/20,35,,能帶圖: Ec, Ev, Eg, 及ED, ?ED,圖2-4,Physics of Semiconductors,2024/3/20,36,Physics of Semiconductors,2024/3/20,37,,★ 受主受主,受主電離和p型半導(dǎo)體 ?受主--能接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴的雜質(zhì). ?受主電離 –受主雜質(zhì)上的空穴擺脫束縛,成

22、為價(jià)帶空穴 (即價(jià)帶電子激發(fā)到受主能級(jí)上)? p型半導(dǎo)體 --主要依靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體,Physics of Semiconductors,2024/3/20,38,,能帶圖: Ec, Ev, Eg, 及EA, ?EA,圖2-6,Physics of Semiconductors,2024/3/20,39,Physics of Semiconductors,2024/3/20,40,,★類氫模型淺能級(jí)雜質(zhì)未電離時(shí)，可看作為

23、 帶電中心+一個(gè)束縛于其上的載流子雜質(zhì)電離能: 等效玻爾半徑: m* -電導(dǎo)有效質(zhì)量,Physics of Semiconductors,2024/3/20,41,Physics of Semiconductors,2024/3/20,42,,表2-1 硅, 鍺晶體中Ⅴ族雜質(zhì)的電離能表2-2 硅, 鍺晶體中Ⅲ族雜質(zhì)的電離能,Physics of Semiconductors,2024/

24、3/20,43,,★ 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用ND » NA n型半導(dǎo)體 NA » ND p型半導(dǎo)體 ND ≈ NA 雜質(zhì)的高度補(bǔ)償,圖2-7,Physics of Semiconductors,2024/3/20,44,,★ 深能級(jí)雜質(zhì) 深能級(jí)雜質(zhì)—在Si,Ge中的非Ⅲ,Ⅴ族雜質(zhì)屬于深能級(jí)雜質(zhì) ? ① 產(chǎn)生的電子能級(jí)距離導(dǎo)帶底,價(jià)帶頂都比較遠(yuǎn) ? ② 大多能在Si

25、,Ge中產(chǎn)生多重能級(jí)還有一些雜質(zhì),在同一半導(dǎo)體中,既可起施主作用,又可起受主作用—兩性雜質(zhì) ?例如,Au在Ge中,除形成三重受主能級(jí)外,還產(chǎn)生一個(gè)施主能級(jí),Physics of Semiconductors,2024/3/20,45,,,,,,,Physics of Semiconductors,2024/3/20,46,,★ Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質(zhì) 以GaAs中的雜質(zhì)為例,一般而言:? Ⅱ族元素-傾向于占據(jù)Ga的位置,

26、是受主? Ⅵ族元素-傾向于占據(jù)As的位置,是施主? Ⅳ族元素-占據(jù)As的位置,是受主 占據(jù)Ga的位置,是施主,Physics of Semiconductors,2024/3/20,47,本章-書上第一,第二章的刪略,× §1.8 Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的能級(jí)結(jié)構(gòu)× §2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)× §2.3 缺陷,位錯(cuò)能級(jí),