高二物理競賽本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)電子、空穴課件

1、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（電子、空穴）絕對溫度為零時純凈半導(dǎo)體的價帶被價電子填滿，導(dǎo)帶空一定溫度下激發(fā)價帶頂部附近電子到導(dǎo)帶外電場導(dǎo)電價帶成為不滿帶（導(dǎo)電作用）空穴1.空穴的電荷空穴和導(dǎo)電電子激發(fā)共價鍵上少一個電子而出現(xiàn)一個空狀態(tài)晶格間隙出現(xiàn)一個導(dǎo)電電子電中性原理空狀態(tài)電荷為＋qk空間空穴運(yùn)動示意圖k的變化率為空狀態(tài)A移動到CJ＝價帶（k狀態(tài)空出）電子總電流設(shè)空狀態(tài)出現(xiàn)在能帶頂部A如何求電流BAZYXDCBZDAXDCBZYCXAY0E(k)價帶又被填滿，總電流為零價帶k態(tài)空出時，價帶電子總電流如同一個帶正電荷的粒子以k狀態(tài)電子速度運(yùn)動所產(chǎn)生的電流可以很簡便地描述價帶（未填滿）的電流假設(shè)一個電子填充到空的k狀態(tài)，電流＝J＝價帶（k狀態(tài)空出）電子總電流求解J的值？（價帶中的空狀態(tài)看成是帶正電的粒子——空穴）空穴k狀態(tài)的變化與電子相同，同樣滿足對于空穴，，a似乎是負(fù)值？2.空穴的有效質(zhì)量空穴A、B、C運(yùn)動時，曲線斜率增加，空穴速度增加，加速度為正空狀態(tài)在價帶頂部附近，價帶頂部附近電子的有效質(zhì)量是負(fù)值空穴是正電荷＋q和正有效質(zhì)量的粒子，速度等于k狀態(tài)電子速度。導(dǎo)帶電子和價帶上空穴導(dǎo)電，即為本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)。But，價帶頂部附近電子的加速度為載流子1.k空間等能面——導(dǎo)帶底或價帶頂(1)等能球面一般情況下能帶極值在k＝0處實(shí)際的三維晶體設(shè)導(dǎo)帶底位于k=0，其能值為Ec(0)，則導(dǎo)帶底附近球面等能面：等能面：當(dāng)E(k)為某一定值時，(kx，ky，kz)構(gòu)成一個封閉面，在這個面上的能值均相等，這個面稱為等能面。理想情況下：(2)等能橢球面

設(shè)導(dǎo)帶底位于k0，能量為E(k0)

，分別表示沿kx，ky，kz三個方向?qū)У纂娮拥挠行з|(zhì)量。

同理可得：

為一橢球方程

同理橢球等能面時：

分別為橢球等能面三個主軸方向上電子的有效質(zhì)量

為B沿kx，ky，kz軸的方向余弦。對旋轉(zhuǎn)橢球等能面情況坐標(biāo)系的選取K空間的等能面

針對導(dǎo)帶底的電子或價帶頂?shù)目昭ǔＲ姷木w各向同性，即電子/空穴可用統(tǒng)一的有效質(zhì)量、來描述

等能面為球面各向異性晶體，不同方向（如(111)和(100)）有效質(zhì)量不同等能面為橢球面2.回旋共振電子在恒定磁場中的運(yùn)動(1)均勻恒定磁場電子沿磁場方向作勻速運(yùn)動，在垂直B的平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動等能面為球面磁場作用下電子運(yùn)動軌跡在垂直B的平面內(nèi)加上一個高頻電場，當(dāng)頻率等于回旋頻率時，高頻電場的能量將被電子共振吸收，這稱為回旋共振。通過上式求出有效質(zhì)量?；匦舱裎帐疽鈭D實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，比較方便是改變B的大?。矗?，當(dāng)回旋頻率與外電場頻率相等時，發(fā)生強(qiáng)烈的共振吸收，由吸收峰對應(yīng)的B值和高頻電場的頻率就可得到有效質(zhì)量。為了得到清晰的共振吸收峰，必須減少散射，使得兩次散射間的自由時間內(nèi)能夠多回旋幾圈（遠(yuǎn)大于1），要求高純樣品且溫度低（液氮），使得自由時間足夠大。w1.鍺和硅的能帶結(jié)構(gòu)Ge：導(dǎo)帶最低能值位于[111]方向布里淵區(qū)邊界上，共有8個等價點(diǎn)每一個等價點(diǎn)在簡約布里淵區(qū)只有半個能谷，共有4個等價谷，在k=0和

<100>方向還有較高的能谷。Si：導(dǎo)帶極小值在k空間[100]方向，但不在布里淵區(qū)的邊界而在布里淵區(qū)中心到邊界距離的0.85倍處，共有6個等價的能谷。

Ge,Si的導(dǎo)帶具有多能谷結(jié)構(gòu)Ge和Si的價帶極大值均位于布里淵區(qū)的中心（k=0），價帶中空穴主要分布在極大值附近，對應(yīng)同一k值，E(k)可以有兩個值，k=0處，能量重合，表明存在有效質(zhì)量不同的空穴。

曲率小→有效質(zhì)量大→重空穴→(mp)h

曲率大→有效質(zhì)量小→輕空穴→(mp)l(1)導(dǎo)帶(2)價帶Eg(T)=Eg(0)+βT

大多數(shù)半導(dǎo)體禁帶寬度隨T↑而↓

Eg(0)：T=0K時禁帶寬度，（一般小于0）

(3)(4)間接帶隙半導(dǎo)體像Si，Ge一樣半導(dǎo)體，其導(dǎo)帶底和價帶頂在k空間處于不同的k值。2.砷化鎵能帶結(jié)構(gòu)（研究和應(yīng)用較多）極小值k=0處，等能面為球面

=0.067m0價帶中心簡并砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)重空穴帶V1，輕空穴帶V2自旋軌道耦合(1)導(dǎo)帶(2)價帶Si是間接帶隙半導(dǎo)體，GaAs是直接帶隙半導(dǎo)體能帶中最關(guān)鍵的是導(dǎo)帶底和價帶頂

導(dǎo)帶Conductionband價帶ValencebandEg3.寬禁帶半導(dǎo)體材料（禁帶寬度≥2.3eV）SiC

金剛石

Ⅱ族氧化合物

Ⅱ族硫化合物

Ⅱ族硒化合物

Ⅲ族氮化合物上述材料的合金重點(diǎn)：SiC，GaN及III族氮化合物

特點(diǎn)：禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、介電常數(shù)低、電子漂移飽和速度高，適合于制作高頻、高功率、高溫、抗輻射和高密度集成的電子器件；制作藍(lán)光、綠光、紫外光發(fā)光器和光探測器。作業(yè)單胞與原胞的定義、區(qū)別。