固体与半导体物理(平衡状态下的半导体

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1、我的信息1.绝缘体最高能带填满，再高的各能带是空的2.半导体由于热激发，满带电子跃迁到上面的空带，两个能带都成了不满带，具备导电能力。为什么Si、Ge是半导体而金刚石是绝缘体？Ge的4个价电子Si的4个价电子金刚石的4个价电子原子间的相互作用Ge>Si>金刚石能带宽度Ge>Si>金刚石禁带宽度Ge

2、子的价电子是奇数：金属导体每个原子的价电子是偶数：能带独立－绝缘体能带交迭－导体{4.1半导体的能带结构第四章平衡状态下的半导体1.各向异性模型等能面是一系列环绕的椭球面。2.各向同性模型等能面是一系列环绕的球面。极值位于K空间原点能量极值位于导带底附近价带顶附近导带底能量导带底电子有效质量价带顶能量价带顶空穴有效质量理想半导体的能带模型二.常见半导体的能带结构1.Si的能带结构(1)导带多极值的能带结构Eg=1.12ev(2)价带由三个子带构成a－重空穴带b－轻空穴带c－分裂带(3)间接带隙半导体导带底和价带顶处于不同k值2.Ge的能带结构(1)导带多极值能

3、带结构Eg=0.67ev(2)价带与Si相同(3)间接带隙半导体3.GaAs的能带结构Eg=1.43ev价带基本与Si、Ge相同直接带隙半导体导带底和价带顶位于同一k值4.Eg与温度T的关系负温度系数，与材料有关300K1.12ev0.67ev1.43ev0K1.17ev0.74ev1.52ev硅是间接带隙能带结构，为满足动量守恒，电子只有在吸收或辐射一个声子时，才能在价带与导带之间跃迁，这种跃迁几率是很低的.为什么硅基本没有处理光信号的能力?GaAsGaNInN等Ⅲ-Ⅴ族半导体材料,发光效率比硅强10万倍,但这些材料制备的光电器件不能与广泛使用的硅电子技术兼

4、容.从微电子器件及其集成技术上看,发展了一套完整的硅平面技术,并建立起整个微电子技术体系,因此,无论从工艺.技术还是经济效益等方面,硅材料仍是最基础的材料.90年代前,主要集中在体材料和薄膜材料，(1)在硅材料中引入新的活性发光中心.(2)利用外延技术在硅衬底上制备具有发光性能的复合材料.采用能带理论对发光机理进行研究。90年代后,主要集中于硅基纳米和量子材料，多孔硅、硅量子线发光材料以及超晶格和量子阱发光材料.主要采用量子限制效应和表面态效应对发光机理进行研究.硅基发光材料研究分为两个阶段：{4.2本征半导体和杂质半导体一.本征半导体无杂质和缺陷存在本征激发

5、1.本征激发价带电子称为导带电子的过程2.能带图3.禁带宽度是电子脱离共价键所需的最低能量2.半导体呈本征型的条件(1)高纯度、结构完整的半导体(2)高温下的杂质半导体二.杂质半导体1.n型半导体主要依靠导带电子导电的半导体电子摆脱共价键的束缚价带电子成为导带电子(1)施主杂质在Si、GeⅣ族元素中掺入P、As、Sb等Ⅴ元素形成一个正电中心和一个电子提供导带电子－施主杂质(2)施主杂质能级(3)施主杂质电离能氢原子模型A:电子受到晶格势场作用，用有效质量取代电子的惯性质量。B:杂质处于晶体中，考虑晶体介电常数的影响。施主能级和施主电离氢原子基态电子的电离能施主

6、杂质的电离能PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096杂质电离能（ev)晶体2.P型半导体主要依靠价带空穴导电的半导体(1)受主杂质在Si、GeⅣ族元素中掺入B、Al、Ga、In等Ⅲ元素形成一个负电中心和一个空穴提供价带空穴－受主杂质(2)受主杂质能级(3)受主杂质电离能受主能级和受主电离BAlGaSi0.0450.0570.065Ge0.010.010.011杂质电离能（ev)晶体In0.160.011掺入GaAs中的Si或Ge是受主杂质还是施主杂质？硅或锗中同时掺入施主杂质和受主杂质，半导体呈哪种类型？3.杂质补偿

7、半导体呈n型半导体呈P型杂质很多，但导带电子和价带空穴很少，电学性质很差。浅能级杂质杂质能级在禁带中的位置接近导带底或价带顶深能级杂质杂质能级在禁带中的位置远离导带底或价带顶Si中掺Au形成载流子的有效复合中心，对半导体的光电性能产生影响。一.热平衡状态导带电子来源：(1)本征激发的电子(2)施主杂质电离价带空穴来源：(1)本征激发后价带形成的空穴(2)受主杂质电离载流子的产生过程{4.3热平衡载流子的统计分布热平衡载流子－热平衡状态时的导带电子和价带空穴载流子的产生和复合达到动态平衡–平衡状态载流子的复合过程对于自由电子导带底附近的状态密度价带顶附近的能量函

8、数价带顶附近的状态密度二.状态密度导带