固體物理--半導(dǎo)體晶體 8.1 帶隙

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1、1金屬、半金屬和半導(dǎo)體的載流子濃度半導(dǎo)體的電阻率強(qiáng)烈地依賴于溫度絕對零度時，絕大多數(shù)半導(dǎo)體的純凈、完美晶體都將成為絕緣體2本征導(dǎo)電高純樣品呈現(xiàn)本征導(dǎo)電性。在本征溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)基本上不受晶體中雜質(zhì)的影響0K下半導(dǎo)體價帶填滿，導(dǎo)帶全空升溫，電子由價帶被熱激發(fā)到導(dǎo)帶電導(dǎo)率為0（本征載流子）可導(dǎo)電最下面的空帶稱為導(dǎo)帶最上面的滿帶稱為價帶3帶隙（能隙）導(dǎo)帶的最低點(diǎn)和價帶的最高點(diǎn)的能量之差導(dǎo)帶的最低點(diǎn)稱為導(dǎo)帶邊(底)價帶的最高點(diǎn)稱為價帶邊(頂)4電子與空穴電子由價帶被熱激發(fā)到導(dǎo)帶后，在價帶上會留下空軌道，被稱為空穴。導(dǎo)帶上的電子與價帶上的空穴都會對電導(dǎo)率有貢獻(xiàn)本征條件下空穴濃度=電子濃度5影

2、響本征電導(dǎo)率的主要因素帶隙Eg帶隙越大，電子由價帶被激發(fā)到導(dǎo)帶越難，本征載流子濃度就越低，電導(dǎo)率也就越低溫度T溫度越高，被激發(fā)到導(dǎo)帶的電子濃度就越大，本征載流子濃度就越大，電導(dǎo)率也就越大即本征電導(dǎo)率主要受帶隙與溫度之比的控制6本征光吸收半導(dǎo)體吸收光子使電子由價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對，這個過程稱為本征光吸收本征光吸收的光子能量條件直接光吸收過程：吸收一個光子，產(chǎn)生一個電子和空穴間接光吸收過程：吸收光子的同時伴隨吸收或者發(fā)射一個聲子準(zhǔn)動量守恒條件7直接光吸收過程(豎直躍遷)對應(yīng)于導(dǎo)帶邊和價帶邊在空間相同點(diǎn)的情況本征光吸收的光子波矢的量級布里淵區(qū)尺度2p/a的量級因此可忽略光子動量帶隙8間接

3、光吸收過程(非豎直躍遷)對應(yīng)于導(dǎo)帶邊和價帶邊在空間不同點(diǎn)的情況為滿足準(zhǔn)動量守恒需要聲子的參與價帶邊與導(dǎo)帶邊相差一大波矢9準(zhǔn)動量守恒和能量守恒吸收聲子“+”發(fā)射聲子“-”聲子頻率聲子波矢在間接光吸收過程中，光子主要提供躍遷所需能量，聲子主要提供所需的準(zhǔn)動量一般情況下，典型的聲子能量約0.01~0.03eV二級過程10直接能隙半導(dǎo)體與間接能隙半導(dǎo)體導(dǎo)帶邊和價帶邊處于空間相同點(diǎn)的半導(dǎo)體通常被稱為直接能隙半導(dǎo)體導(dǎo)帶邊和價帶邊處于空間不同點(diǎn)的半導(dǎo)體通常被稱為間接能隙半導(dǎo)體在間接能隙半導(dǎo)體中發(fā)生的非豎直躍遷是一個二級過程，發(fā)生的幾率比豎直躍遷要小得多11電子-空穴對復(fù)合發(fā)光導(dǎo)帶中的電子躍遷到價帶空軌道而發(fā)

4、射光子的過程，是光吸收過程的逆過程，稱為電子-空穴對復(fù)合發(fā)光一般情況下，電子集中在導(dǎo)帶底，空穴集中在價帶頂，發(fā)射光子的能量基本上等于帶隙和光吸收的情況相同，在直接能隙半導(dǎo)體中這種發(fā)光的幾率遠(yuǎn)大于間接能隙半導(dǎo)體制作利用電子-空穴復(fù)合發(fā)光的發(fā)光器一般使用直接能隙半導(dǎo)體，發(fā)光的顏色取決于帶隙的大小12帶隙的測量帶隙的測量可以利用光吸收方法測定，由連續(xù)光吸收頻率的閾值就可以確定帶隙也可由本征范圍內(nèi)的電導(dǎo)率或者載流子濃度隨溫度的變化測定。載流子濃度可由霍爾電壓測定有時以電導(dǎo)率測量作為補(bǔ)充用光學(xué)測量方法還可確定帶隙是直接的還是間接的Ge和Si是間接帶隙半導(dǎo)體，GaAs和InSb是直接帶隙半導(dǎo)體13純銻化銦

5、(InSb)的光吸收，躍遷是直接的