《半导体物理》PPT课件

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1、常见半导体的能带结构庞智勇山东大学物理学院本幻灯片参照刘恩科等所编著教材《半导体物理学》编写半导体物理SemiconductorPhysics硅和锗的导带结构硅导带极小值在k空间<100>方向，能谷（通常把导带极小值附近的能带形象地称为能谷）中心与Γ点（k=0）的距离约为Γ点与X点（<100>方向布里渊区边界）之间距离的5/6。共有六个等价的能谷。通常把这些能谷称为卫星能谷。半导体物理SemiconductorPhysics硅的导带结构对于具有六个等价能谷且等能面为旋转椭球面的硅导带结构，当进行回旋共振实验时，磁场的方向不同，观察到的吸收峰数量也不同，即值的数量不同。半导体物

2、理SemiconductorPhysics若B沿[111]方向，则与上述六个<100>方向的方向余弦相等：对于每个旋转椭球来讲:半导体物理SemiconductorPhysics大小相等，对应的回旋频率大小相同，因此只有一个吸收峰对于[100]轴上的两个椭球来讲，其半导体物理SemiconductorPhysics若B沿[100]方向，则：半导体物理SemiconductorPhysics若B沿[100]方向，则：对于[010]轴上的两个椭球与[001]轴上的两个椭球来讲，其横轴对应的方向余弦α或β其中之一等于1，其余等于零。两个有效质量值，对应两个共振频率，有两个吸收峰！同

3、理可知，磁场沿[110]晶轴方向，也能观察到两个吸收峰当磁场对晶轴任意取向，三个晶轴上的椭球结不等效时，可以观察到三个吸收峰半导体物理SemiconductorPhysics锗的导带极小值则在<111>方向的简约布里渊区边界上（L点），共有八个等价点。但每一点在简约布里渊区内只有半个能谷，合起来共有四个等价谷。半导体物理SemiconductorPhysics锗的导带结构锗和硅导带能谷的共同特点是沿等能面椭球旋转轴的方向的有效质量ml大于横向有效质量mt,它们分别为ml/m0mt/m0Ge1.640.082Si0.980.19半导体物理SemiconductorPhysics

4、在锗中，导带除了在<111>方向的能谷以外，在k=0和<100>方向还有较高的能谷。其中k=0的能谷只比<111>能谷高0.13eV，<100>谷则比Γ能谷高0.18eV。在较高的温度下k=0和<100>谷都可有一定的电子分布。半导体物理SemiconductorPhysics在Si中，其它能谷比<100>谷高的多半导体物理SemiconductorPhysics半导体物理SemiconductorPhysics硅和锗的价带结构硅锗的价带结构是比较复杂的。价带顶位于k=0。在价带顶附近有三个带，其中两个最高的带在k=0处简并，分别对应于重空穴带和轻空穴带（曲率较大的为轻空穴带

5、），下面还有一个带，是由于自旋-轨道耦合分裂出来的。半导体物理SemiconductorPhysics重空穴带和轻空穴带在k=0附近的E-k关系可表示为在k=0处，两者能量简并。取+号，得到有效质量较大的空穴，称为重空穴；取-号，得到有效质量较小的空穴，称为轻空穴。半导体物理SemiconductorPhysics上式代表的等能面不再是球面（只有当C为零时是球面），而是扭曲的球面，重空穴带的扭曲比轻空穴带的扭曲更为显著。半导体物理SemiconductorPhysics两个带下面的第三个能带，由于自旋-轨道耦合作用，使能量降低了Δ，与以上两个能带分开，具有球形等能面。其能量表

6、示式价带中这三个带来自原子中的p态。由于自旋-轨道耦合，分裂为总角动量为J=3/2和1/2的p3/2和p1/2态，上面的两个带与p3/2相对应，下面的一个带则和p1/2相对应。半导体物理SemiconductorPhysics硅和锗能带的一个重要特点是导带底和价带顶不在k空间的相同点。具有这种类型能带的半导体称为间接禁带半导体。半导体物理SemiconductorPhysics禁带宽度是随温度变化的，通常随温度的升高而降低。半导体物理SemiconductorPhysics半导体物理SemiconductorPhysics砷化镓的能带结构砷化镓导带极小值位于布里源区中心k=0

7、的Γ点处。等能面是球面，导带底电子有效质量为0.067m0。在[111]和[100]方向布里源区边界L和X处还各有一个极小值，电子的有效质量分别为0.55m0和0.85m0。室温下，Γ、L、X三个极小值与价带顶的能量差本别为1.424eV，1.708eV和1.900eV。L极小值的能量比布里源区中心极小值约高0.29eV。半导体物理SemiconductorPhysics砷化镓价带也具有一个重空穴带V1，一个轻空穴带V2和由于自旋-轨道耦合分裂出来的第三个能带V3，重空穴带极大值稍微偏离布里源区中心。第