固体物理--半导体晶体 8.1 带隙

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1、1金属、半金属和半导体的载流子浓度半导体的电阻率强烈地依赖于温度绝对零度时，绝大多数半导体的纯净、完美晶体都将成为绝缘体2本征导电高纯样品呈现本征导电性。在本征温度范围内，半导体的电学性质基本上不受晶体中杂质的影响0K下半导体价带填满，导带全空升温，电子由价带被热激发到导带电导率为0（本征载流子）可导电最下面的空带称为导带最上面的满带称为价带3带隙（能隙）导带的最低点和价带的最高点的能量之差导带的最低点称为导带边(底)价带的最高点称为价带边(顶)4电子与空穴电子由价带被热激发到导带后，在价带上会留下空轨道，被称为空穴。导带上的电子与价带上的空穴都会对电导率有贡献本征条件下空穴浓度=电子浓度5影

2、响本征电导率的主要因素带隙Eg带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低温度T温度越高，被激发到导带的电子浓度就越大，本征载流子浓度就越大，电导率也就越大即本征电导率主要受带隙与温度之比的控制6本征光吸收半导体吸收光子使电子由价带激发到导带，形成电子-空穴对，这个过程称为本征光吸收本征光吸收的光子能量条件直接光吸收过程：吸收一个光子，产生一个电子和空穴间接光吸收过程：吸收光子的同时伴随吸收或者发射一个声子准动量守恒条件7直接光吸收过程(竖直跃迁)对应于导带边和价带边在空间相同点的情况本征光吸收的光子波矢的量级布里渊区尺度2p/a的量级因此可忽略光子动量带隙8间接

3、光吸收过程(非竖直跃迁)对应于导带边和价带边在空间不同点的情况为满足准动量守恒需要声子的参与价带边与导带边相差一大波矢9准动量守恒和能量守恒吸收声子“+”发射声子“-”声子频率声子波矢在间接光吸收过程中，光子主要提供跃迁所需能量，声子主要提供所需的准动量一般情况下，典型的声子能量约0.01~0.03eV二级过程10直接能隙半导体与间接能隙半导体导带边和价带边处于空间相同点的半导体通常被称为直接能隙半导体导带边和价带边处于空间不同点的半导体通常被称为间接能隙半导体在间接能隙半导体中发生的非竖直跃迁是一个二级过程，发生的几率比竖直跃迁要小得多11电子-空穴对复合发光导带中的电子跃迁到价带空轨道而发

4、射光子的过程，是光吸收过程的逆过程，称为电子-空穴对复合发光一般情况下，电子集中在导带底，空穴集中在价带顶，发射光子的能量基本上等于带隙和光吸收的情况相同，在直接能隙半导体中这种发光的几率远大于间接能隙半导体制作利用电子-空穴复合发光的发光器一般使用直接能隙半导体，发光的颜色取决于带隙的大小12带隙的测量带隙的测量可以利用光吸收方法测定，由连续光吸收频率的阈值就可以确定带隙也可由本征范围内的电导率或者载流子浓度随温度的变化测定。载流子浓度可由霍尔电压测定有时以电导率测量作为补充用光学测量方法还可确定带隙是直接的还是间接的Ge和Si是间接带隙半导体，GaAs和InSb是直接带隙半导体13纯锑化铟

5、(InSb)的光吸收，跃迁是直接的