《半导体物理第一章》PPT课件

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1、1．2．3导体、半导体、绝缘体的能带输运！固体的一种分类法:按其导电性分类.导体、半导体、绝缘体用能带理论，导电机理据电子填充能带情况说明固体导电：电子在外场作用下运动，使电子的运动速度和能量都发生变化，电子与外电场发生能量交换。状态改变能带论：电子能量变化，从—个能级跃迁到另一个能级上去。满带？能级被电子占满，外场作用下，满带中的电子不形成电流，对导电无贡献。通常原子中内层电子占据满带中能级，内层电子对导电没有贡献。－3π/a－2π/a－π/a0π/a2π/a3π/a电子部分占满能带，外场作用，电子可吸收能量跃迁到未被占据能级，形成电流－导电。称

2、为导带－3π/a－2π/a－π/a0π/a2π/a3π/a金属原子中价电子占据的能带是部分占满的，金属是良导体。半导体：下满上空，中间为禁带。在外电场作用下不导电。外界条件变化：温度升高、光照，满带中少量电子被激发到空带中，空带底部附近有了少量电子，在外场作用下，这些电子将参与导电。满带中少了些电子，满带顶部出现部分空量子状态，满带变成部分占满能带。外电场作用，满带中的电子能够起导电作用。满带电子导电作用等效于把这些空的量子状态看做带正电荷的准粒子的导电作用．称空量子状态为空穴所以半导体与金属的最大区别：导带的电子、价带的空穴均参与导电半导体禁宽度

3、：1ev左右，RT有电子激发到导带，具一定导电能力．硅为1.12evGe为0.67ev砷化镓为1.43ev绝缘体：绝缘体禁带宽度大，激发电子需要很大能量，常温下、激发到导带的电子很少，导电性很差。绝缘体和半导体的主要区别！室温下金刚石禁宽为6-7ev为绝缘体在热力学温度T＝0K，电子填满价带所有能级Ev--价带顶，是价带中电子的最高能量一定温度下半导体的能带图(本征激发情况)共价键上的电子，依靠热激发获得能量脱离共价键，在晶体中自由运动，成为准自由电子－－导带上电子。激发能量：脱离共价键所需的最低能量就是禁带宽度Eg价键上的电子激发成为准自由电子．

4、亦即价带电子激发成为导带电子的过程，称本征激发.1.3半导体中电子的运动----有效质量1.3.1半导体中E(k)～k的关系晶体中电子能量E(k)与k如图，找出E(k)函数,可得出定量关系。用单电子近似求E(k)困难（能带理论解决）－3π/a－2π/a－π/a0π/a2π/a3π/a对半导体，起作用的是能带底部或能带顶部附近的电子，类抛物线关系。似乎只要掌握能带底部或顶部附近(也即能带极值附近)的E(k)与k的关系就足够了－3π/a－2π/a－π/a0π/a2π/a3π/a实际处理思路：泰勒展开:极值附近的E(k)与k的关系一维情况，设能带底位于波

5、数k＝0，能带底部附近的k值必然很小。将E(k)在k＝0附近按泰勒级数展开，取至k2项，得到E(k)=E(0)+(dE/dk)k=0k+1/2×(d2E/dk2)k=0k2+…(1-19)－3π/a－2π/a－π/a0π/a2π/a3π/ak=0，能量为极小，式E(k)=E(0)+(dE/dk)k=0k+1/2×(d2E/dk2)k=0k2(1-19)由于(dE/dk)k=0=0所以有E(k)-E(0)=1/2×(d2E/dk2)k=0k2（1-20）－3π/a－2π/a－π/a0π/a2π/a3π/aE(k)-E(0)=1/2×(d2E/dk2)

6、k=0k2E(k)-E(0)=1/2×(d2E/dk2)k=0k2（1-20）而在k=0处(d2E/dk2)k=0肯定是一确定值。令1/ħ2×(d2E/dk2)k=0=1/mn*E(k)-E(0)=ħ2k2/(2mn*)E(k)-E(0)=1/2×(d2E/dk2)k=0k2会有什么E(k)-E(0)=ħ2k2/(2mn*)（1-22）与自由电子（1-11）E=ħ2k2/2m0比较类似但不同！（1-11）m0惯性质量，(122)mn*有效质量。能带底展开时，mn*称为能带底电子有效质量。因为E（k）-E（0）>0，mn*正值E(k)-E(0)=ħ2

7、k2/(2mn*)价带顶展开，极值处k=0有(dE/dk)k=0=0E(k)-E(0)=1/2×(d2E/dk2)k=0k2=1/mn*mn*称为能带顶电子的有效质量注意：E（k）-E（0）<0mn*是负值结论:引进有效质量（由实验可测），定出其值，则确定带极值附近E(k)与k关系E(k)-E(0)=ħ2k2/(2mn*)1．3．2半导体中电子的平均速度输运：质量，速度，加速度自由电子v＝ħk/m0由于E（k）=ħ2k2/2m0，得dE/dk=ħ2k/mdE/dk=ħ2k/m0自由电子速度v＝ħk/m0dE/dk=ħ2k/m0v＝（1/ħ）dE/d

8、kv＝ħk/m0半导体中电子（准自由电子）在周期性势场中运动，电子的平均速度与能量之间有什么样的关系呢？量子力学波动描述：