半导体物理_禁带宽度的测量

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1、半导体物理论文——半导体禁带宽度的测量方法姓名学号单位六院六队6摘要禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，本文先介绍了禁带宽度的意义，它表示表示晶体中的公有化电子所不能具有的能量范围；表示表示价键束缚的强弱；表示电子与空穴的势能差；是一个标志导电性能好坏的重要参量，但是也不是绝对的等等。其测量方法有利用Subnikov2deHass效应、带间磁反射或磁吸收、回旋共振和非共振吸收、载流子浓度谱、红外光吸收谱等等。其中本文介绍了二种常见的测量方法：利用霍尔效应进行测量和利用光电导法进行测量。6引言：关于禁带宽度禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，用于表征半导体材料物理特性。所谓禁带是指价带和导

2、带之间，电子不能占据的能量范围，其间隔宽度即是禁带宽度Eg.其涵义有如下四个方面：第一，禁带宽度表示晶体中的公有化电子所不能具有的能量范围：即晶体中不存在具有禁带宽度范围内这些能量的电子，即禁带中没有晶体电子的能级。这是量子效应的结果。注意：虽然禁带中没有公有化电子的能级，但是可以存在非公有化电子（即局域化电子）的能量状态——能级，例如杂质和缺陷上电子的能级。第二，禁带宽度表示价键束缚的强弱：半导体价带中的大量电子都是晶体原子价键上的电子（称为价电子），不能够导电；对于满带，其中填满了价电子，即其中的电子都是受到价键束缚的价电子，不是载流子。只有当价电子跃迁到导带（即本征激发）而产生出自

3、由电子和自由空穴后，才能够导电。因此，禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度、或者价键强弱的一个物理量，也就是产生本征(热)激发所需要的平均能量。价电子由价带跃迁到导带（即破坏价键）的过程称为本征激发。一个价电子通过热激发由价带跃迁到导带（即破坏一个价键）、而产生一对电子-空穴的几率，与禁带宽度Eg和温度T有指数关系，即等于exp(-Eg/kT)。Si的原子序数比Ge的小，则Si的价电子束缚得较紧，所以Si的禁带宽度比Ge的要大一些。GaAs的价键还具有极性（离子性），对价电子的束缚更紧，所以GaAs的禁带宽度更大。绝缘体的的价电子束缚得非常紧，则禁带宽度很大。金刚石在一般情况

4、下就是绝缘体，因为碳（C）的原子序数很小，对价电子的束缚作用非常强，价电子一般都摆脱不了价键的束缚，则不能产生出载流子，所以不导电。实际上，本征激发除了热激发的形式以外，还有其它一些形式。如果是光照使得价电子获得足够的能量、挣脱共价键而成为自由电子，这是光学本征激发（竖直跃迁）；这种本征激发所需要的平均能量要大于热学本征激发的平均能量——6禁带宽度。如果是电场加速作用使得价电子受到高能量电子的碰撞、发生电离而成为自由电子，这是碰撞电离本征激发；这种本征激发所需要的平均能量大约为禁带宽度的1.5倍。第三，禁带宽度表示电子与空穴的势能差：导带底是导带中电子的最低能量，故可以看作为电子的势能。

5、价带顶是价带中空穴的最低能量，故可以看作为空穴的势能。离开导带底和离开价带顶的能量就分别为电子和空穴的动能。第四，虽然禁带宽度是一个标志导电性能好坏的重要参量，但是也不是绝对的。因为一个价电子由价带跃迁到导带的几率与温度有指数函数关系，所以当温度很高时，即使是绝缘体（禁带宽度很大），也可以发生本征激发，即可以产生出一定数量的本征载流子，从而能够导电。这就意味着，绝缘体与半导体的导电性在本质上是相同的，差别仅在于禁带宽度不同；绝缘体在足够高的温度下，也可以认为是半导体。实际上这是很自然的，因为绝缘体与半导体的能带结构具有很大的共同点——存在禁带，只是宽度有所不同而已。在实际科研和应用中,对

6、禁带宽度的测量是研究半导体材料性质的基本手段,各种测量方法都较为复杂,如Subnikov2deHass效应、带间磁反射或磁吸收、回旋共振和非共振吸收、载流子浓度谱、红外光吸收谱等。本文总结了以下几种测量方法。一，霍尔效应测量法通过在电流的垂直方向上加以磁场，就可以在与电流和磁场都垂直的方向上产生一个电势差，这种现象称为霍尔效应。这是1879年霍尔(E1H1Hall)在研究导体在磁场中受力的性质时发现的，198年德国克利青(KlausvonKlitzing)发现量子霍尔效应获得诺贝尔奖。1998年华裔科学家崔琦、斯坦福大学的Laughlin和哥伦比亚大学的Stormer因发现分数量子霍尔效

7、应而获得诺贝尔奖。霍尔效应对分析和研究半导体材料的电学特性具有十分重要的意义。通过霍尔效应测量不仅可以计算霍尔系数RH、判断半导体材料的导电类型、计算载流子浓度及迁移率或电导率，还可以从低温杂质弱电离区到高温本征激发温度范围内的变温霍尔效应来计算半导体的禁带宽度Eg及杂质电离能Ei。此外，6基于霍尔效应的半导体霍尔器件、霍尔集成电路在电磁场的检测及自动控制等方面已得到了广泛的应用。下面以n型锗半导体为例说明测量原理：采用HT-648