半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)ppt課件-在線瀏覽
2025-06-23 12:49本頁面
【正文】 B A n型半導(dǎo)體 四價的本征半導(dǎo)體 Si、Ｇｅ等，摻入少量五價的 雜質(zhì) （ impurity） 元素（如 P、 As等）形成電子型半導(dǎo)體 ,稱 n 型半導(dǎo)體。 （ 2） 替位式 →雜質(zhì)原子取代半導(dǎo)體的元素或離子的格點(diǎn)位置。 復(fù)合發(fā)光的特點(diǎn)： （１）一般情況下電子集中在導(dǎo)帶底，空穴集中在價帶頂，發(fā)射光子的能量基本上等于帶隙寬度． 制作復(fù)合發(fā)光的發(fā)光器件（一般要用直接帶隙半導(dǎo)體。能量守恒關(guān)系為： 電子能量差 ＝ 光子能量 177。電子吸收光子自價帶 k 狀態(tài)躍遷到導(dǎo)帶 k’狀態(tài)時除了滿足能量守恒以外，還必須符合準(zhǔn)動量守恒的選擇定則，即 具有這種帶隙結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體 在討論本征吸收時，光子的動量可以略去，因為本征吸收光子的波矢為 10４ cm1，而在能帶論中布里淵區(qū)的尺度為 2 π /晶格常數(shù)，數(shù)量級是 10８ cm1，因此本征光吸收中，因此光吸收的躍遷選擇定則可以近似寫成 這就是說，在躍遷過程中，波矢可以看做是不變的，在能帶的 E(k)圖上，初態(tài)和末態(tài)幾乎在同一條豎直線上，這樣的躍遷常稱為豎直躍遷。半導(dǎo)體的導(dǎo)電就是依靠導(dǎo)帶底的少量電子和價帶頂?shù)纳倭靠昭ā? 對于本征半導(dǎo)體在絕對零度沒有激發(fā)的情況下，價帶被電子填滿，導(dǎo)帶沒有電子。半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) ： 對半導(dǎo)體來說，電子填滿了一些能量較低的能帶，稱為滿帶，最上面的滿帶稱為價帶；價帶上面有一系列空帶，最下面的空帶稱為導(dǎo)帶。價帶和導(dǎo)帶有帶隙，帶隙寬度用 Eg 表示它代表價帶頂和導(dǎo)帶底的能量間隙。 在一般溫度，由于熱激發(fā)，有少量電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶有少量電子，而在價帶留下少量空穴 ,這種激發(fā)我們稱之為 本征激發(fā) 。 光照可以激發(fā)價帶的電子到導(dǎo)帶，形成電子－空穴對，這個過程稱為 本征光吸收 ，本征光吸收光子的能量 ? ω應(yīng)滿足 或 其中 為光波的波長，上式表明，存在有長波限 ?稱為本征吸收邊 ,在本征吸收邊附近的光躍遷有兩種類型： （ a):第一種類型對應(yīng)于導(dǎo)帶底和價帶頂在 k 空間相同點(diǎn)的情況，如圖 (a)所示。 (b)： 第二種類型對應(yīng)于導(dǎo)帶底和價帶頂在 k 空間不同點(diǎn)的情況，如圖 (b)所示：這時在本征吸收邊附近的光吸收過程是所謂非豎直躍遷，在這種情況下，單純吸收光子不能使電子由價帶頂躍遷到導(dǎo)帶底，必須在吸收光子的同時伴隨有吸收或發(fā)射一個聲子。 聲子能量 具有這種帶隙結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)體 但是聲子能量是較小的，數(shù)量級為百分之幾電子伏以下，因此近似的有 電子能量差 ＝ 光子能量 而準(zhǔn)動量守恒的躍遷選擇定則為 其中 ?q 為聲子的準(zhǔn)動量，它與能帶中電子的準(zhǔn)動量相仿，略去光子動量，有 結(jié)論： （１）在非豎直躍遷中，光子主要提供躍遷所需要的能量，而聲子則主要提供躍遷所需要的準(zhǔn)動量 （２）與豎直躍遷相比，非豎直躍遷是一個二級過程，發(fā)生的幾率要小得多 （２）由于與光吸收情況相同的原因，在直接帶隙半導(dǎo)體中這種發(fā)光的幾率遠(yuǎn)大于間接帶隙半導(dǎo)體． c．電子－空穴復(fù)合發(fā)光： 考慮一個與半導(dǎo)體的光吸收相反的過程，導(dǎo)帶中的電子可以躍遷到價帶空能級而發(fā)射光子，這稱為電子－空穴復(fù)合發(fā)光。發(fā)光的顏色取決于半導(dǎo)體的帶隙寬度）． 應(yīng)用： 在實際的半導(dǎo)體材料中 ,總是不可避免地存在有雜質(zhì)和各 種類型的缺陷 .特別是在半導(dǎo)體的研究和應(yīng)用中 ,常常有意識 的加入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì) .這些雜質(zhì)和缺陷產(chǎn)生的附加勢場 ,有可能 使電子和空穴束縛在雜質(zhì)和缺陷的周圍 ,產(chǎn)生局域化的電子態(tài) , 在禁帶中引入相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷能級 . 三、雜質(zhì)和缺陷能級 (1) 間隙式 →雜質(zhì)原子位于組成半導(dǎo)體的元素或離子的格點(diǎn)之間的間隙位置。 間隙式雜質(zhì) ： 雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體以后，位于晶格間隙位置或取代晶格原子，稱為間隙式雜質(zhì)． 替位式雜質(zhì)： 雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體以后，取代晶格原子，這種雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)，要求雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近并且價電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近。 量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的 能級在禁帶中緊靠空帶處 , ?ED～ 102eV， 極易形成電子導(dǎo)電。 n 型半導(dǎo)體 在 n型半導(dǎo)體中 電子 …… 多數(shù)載流子 空 帶 滿 帶 施主能級 ?ED ?Eg Si Si Si Si Si Si Si P 空穴 …… 少數(shù)載流子 ｐ型半導(dǎo)體 四價的本征半導(dǎo)體 Si、Ｇ e等，摻入少量 三價的 雜質(zhì) 元素（如Ｂ、 Ga、Ｉ n等） 形成空穴型半導(dǎo)體，稱 p 型半導(dǎo)體。 空 帶 ?Ea 滿 帶 受主能級 P型半導(dǎo)體 Si Si Si Si Si Si Si + B ?Eg 在 p型半導(dǎo)體中 空穴 …… 多數(shù)載流子 電子 …… 少數(shù)載流子 dEdZ)E(g ? 假設(shè)在能帶中能量 E與 E+dE之間的能量間隔 dE內(nèi)有量子態(tài) dZ個，則定義狀態(tài)密度 g（ E）為： 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布 狀 態(tài) 密 度 費(fèi)米分布函數(shù) 電子遵循費(fèi)米 狄拉克（ FermiDirac）統(tǒng)計分布規(guī)律。 ? ?5eNNpnn TkEvc00i0g? ???????????????? ?6npn 2i00 ? ????且將本征費(fèi)米能級的公式代入 (2)(3)式即得到 ： 的溫度有關(guān) . 結(jié)論 : A、溫度一定時， Eg大的材料， ni??； B、對同種材料， 本征 載流子的濃度 ni隨溫度 T按指數(shù)關(guān)系上 升。當(dāng)在雜質(zhì)飽和電離的載流子的濃度遠(yuǎn)大于本征激發(fā)的載流子的濃度的溫度下 ,半導(dǎo)體器件可以正常工作 。 電子在電場力作用下的定向運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動 ， 定向運(yùn)動的速度稱為漂移速度 。 結(jié)論 : sE ? J 遷移率 假設(shè)討論的是
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