半導(dǎo)體物理學(xué)第一章課件

半導(dǎo)體物理學(xué)陳延湖半導(dǎo)體物理學(xué)陳延湖1§1.4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)在溫度T=0K時(shí)，導(dǎo)帶為空，價(jià)帶為滿帶，半導(dǎo)體不導(dǎo)電導(dǎo)帶價(jià)帶空穴的特性和意義？§1.4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)在溫度T=2半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)導(dǎo)帶價(jià)帶電子空穴當(dāng)溫度上升，由于半導(dǎo)體禁帶寬度較窄（1eV左右），價(jià)帶中部分電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，發(fā)生本征激發(fā)，導(dǎo)致導(dǎo)帶和價(jià)帶均為不滿帶，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的電子均可以參與導(dǎo)電。且價(jià)帶中的電子導(dǎo)電效果用空穴來(lái)等效。半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)導(dǎo)帶價(jià)帶電子空穴當(dāng)溫度上升，由于半導(dǎo)體3半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)—電子和空穴同時(shí)參與導(dǎo)電：電子：是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的準(zhǔn)自由電子，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶中的電子空位半導(dǎo)體中能夠?qū)щ姷碾娮雍涂昭ū环Q為載流子，半導(dǎo)體同金屬的最大差異，正是由于這兩種載流子的作用，使半導(dǎo)體表現(xiàn)出許多奇異的特性，可用來(lái)制造形形色色的器件。半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)—電子和空穴同時(shí)參與導(dǎo)電：半導(dǎo)4載流子載流子的不同特性：電子：帶負(fù)電，在導(dǎo)帶底具有正的有效質(zhì)量空穴：帶正電，在價(jià)帶頂具有正的有效質(zhì)量載流子載流子的不同特性：5空穴的特征—帶正電荷設(shè)一個(gè)波矢為K的電子被本征激發(fā)，在價(jià)帶頂留下了空穴A。右圖表示，在外電場(chǎng)力f的作用下空穴A與其它價(jià)帶中的電子一樣，在k空間以相同的速率從帶頂?shù)綆У走\(yùn)動(dòng)。即空穴與對(duì)應(yīng)空缺的k狀態(tài)的電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同空穴的特征—帶正電荷設(shè)一個(gè)波矢為K的電子被本征激發(fā)，在價(jià)帶頂6空穴的特征—帶正電荷因?yàn)閮r(jià)帶有一個(gè)空態(tài)，在外力下存在電流。設(shè)為JJ=存在A空位的價(jià)帶電子總電流設(shè)想以一個(gè)電子填充到空的k狀態(tài)，該電子電流為填入這個(gè)電子后價(jià)帶又被填滿,總電流應(yīng)為零表明當(dāng)價(jià)帶k狀態(tài)空出時(shí)，價(jià)帶電子的總電流，如同一個(gè)正電荷的粒子以k狀態(tài)電子速度v（k）運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電流，因而通常把空穴看做具有正電荷空穴的特征—帶正電荷因?yàn)閮r(jià)帶有一個(gè)空態(tài)，在外力下存在電流。設(shè)7空穴的特征—具有正的有效質(zhì)量空穴與對(duì)應(yīng)的空缺k狀態(tài)的電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同k狀態(tài)電子加速度：由于空穴具有正電荷，它的受力為：空穴加速度可表示為：由于空穴一般位于價(jià)帶頂，在價(jià)帶頂電子有效質(zhì)量為負(fù)值，所以空穴的有效質(zhì)量為正令即為空穴的有效質(zhì)量也就是空穴的加速度空穴的特征—具有正的有效質(zhì)量空穴與對(duì)應(yīng)的空缺k狀態(tài)的電子的運(yùn)8空穴概念小結(jié)空穴帶一個(gè)電子電量的正電荷空穴位于價(jià)帶頂，有效質(zhì)量是一個(gè)正常數(shù)，它與價(jià)帶頂附近空態(tài)電子有效質(zhì)量大小相等，符號(hào)相反空穴的運(yùn)動(dòng)速度就是價(jià)帶頂附近空態(tài)電子運(yùn)動(dòng)速度空穴的濃度就是價(jià)帶頂附近空態(tài)的濃度p空穴是一種假想粒子，它概括了未填滿價(jià)帶中大量電子對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電電流的貢獻(xiàn)空穴概念小結(jié)空穴帶一個(gè)電子電量的正電荷9例題1證明：對(duì)于能帶中的電子，k狀態(tài)和-k狀態(tài)的電子速度大小相等，方向相反，即v(k)=-v(-k),并解釋下列兩種情況下晶體總電流為零。①無(wú)外場(chǎng)力時(shí)的能帶②有外場(chǎng)力時(shí)的滿帶電子解：對(duì)一維情況K狀態(tài)電子的速度為：例題1證明：對(duì)于能帶中的電子，k狀態(tài)和-k狀態(tài)的電子速度大小10則：所以：因電子占據(jù)某個(gè)狀態(tài)的幾率只與能量有關(guān)，而顯然故電子占有K狀態(tài)和-k狀態(tài)的幾率相同，即兩種狀態(tài)的電子數(shù)量相同又兩個(gè)狀態(tài)的電子運(yùn)動(dòng)速度大小相等方向相反，電子電流相互抵消，則電子總電流為0則：所以：因電子占據(jù)某個(gè)狀態(tài)的幾率只與能量有關(guān)，而顯然故電子11例2通常，晶格勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的作用力fl不容易測(cè)得，但可以通過(guò)它與外場(chǎng)力fe的關(guān)系得到。證明它們關(guān)系為：例2通常，晶格勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的作用力fl不容易測(cè)得，但可12例3對(duì)與晶格常數(shù)為2.5x10-10m的一維晶格，當(dāng)外加102v/m的電場(chǎng)和107v/m的電場(chǎng)時(shí)，分別計(jì)算電子自能帶底到能帶頂所用的時(shí)間。例3對(duì)與晶格常數(shù)為2.5x10-10m的一維晶格，當(dāng)外加113代入數(shù)據(jù)當(dāng)電場(chǎng)為102v/m時(shí)，t=8.3x10-8

s當(dāng)電場(chǎng)為107v/m時(shí)，t=8.3x10-13

s代入數(shù)據(jù)當(dāng)電場(chǎng)為102v/m時(shí)，t=8.3x10-8s14例4根據(jù)如圖所示的能量曲線E(K)的形狀試分析，（1）那個(gè)能帶中，電子有效質(zhì)量數(shù)值最小。（2）設(shè)Ⅰ，Ⅱ?yàn)闈M帶，Ⅲ帶為空帶，若少量電子進(jìn)入Ⅲ帶，在Ⅱ帶中產(chǎn)生同樣數(shù)目的空穴，那么Ⅱ帶中空穴的有效質(zhì)量比Ⅲ帶中電子的有效質(zhì)量大，還是??？例4根據(jù)如圖所示的能量曲線E(K)的形狀試分析，15例5曲線A自由電子的E-K曲線，B為半