能带与半导体

直接和间接带隙半导体 主要内容 半导体及其性质直接带隙和间接带隙半导体定义直接带隙和间接带隙半导体的性质 半导体的定义 半导体 半导体 semiconductor 是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的材料 并有负的电阻温度系数的材料 这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度 电阻率下降 如硅 锗 硒等 半导体之所以得到广泛应用 是因为它的导电能力受掺杂 温度和光照的影响十分显着 半导体的分类 常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体 元素半导体是由单一元素制成的半导体材料 主要有硅 锗 硒等 以硅 锗应用最广 化合物半导体分为二元系 三元系 多元系和有机化合物半导体 二元系化合物半导体有 族 如砷化镓 磷化镓 磷化铟等 族 如硫化镉 硒化镉 碲化锌 硫化锌等 族 如硫化铅 硒化铅等 族 如碳化硅 化合物 三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体 如镓铝砷固溶体 镓锗砷磷固溶体等 有机化合物半导体有萘 蒽 聚丙烯腈等 还处于研究阶段 此外 还有非晶态和液态半导体材料 这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构 半导体导电原理 半导体和绝缘体在正常情况下 几乎所有电子都在价带或是其下的量子态里 因此没有自由电子可供导电 半导体和绝缘体之间的差异在於两者之间能隙 energybandgap 宽度不同 亦即电子欲从价带跳入传导带 conductionband 时所必须获得的最低能量不一样 通常能隙宽度小於3电子伏特 eV 者为半导体 以上为绝缘体 半导体的基本能带结构 半导体的基本能带图如左图所示 但在一般温度下 由于热激发价带顶部有少量的空穴 导带底部有少量的电子 如右图所示 这些电子和空穴就是半导体的载流子 决定了半导体的导电能力 带隙 带隙 导带的最低点和价带的最高点的能量之差 也称能隙 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 本征光的吸收 半导体吸收光子使电子由价带激发到导带 形成电子 空穴对的过程就叫本征光吸收 光子能量满足的条件是 准动量守恒条件是 竖直跃迁 直接带隙半导体 直接半导体 在跃迁过程中 波矢可以看做是不变的 在能带图示上 初态和末态基本上在一条直线上 价带顶和导带底处于k空间同一点 电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴 形成半满能带 只需要吸收能量这样的跃迁称为竖直跃迁 相应的半导体称为直接带隙半导体常见的直接半导体 GaAs InP半导体 非竖直跃迁 间接带隙半导体 间接带隙半导体 间接跃迁时 在K空间 电子吸收光子从价带顶部跃迁到导带底部状态 在这一过程中 因为光子的能量太小 所以单纯吸收光子不能使电子由价带顶跃迁到导带底部 因此电子在吸收光子的同事伴随着吸收或者发出一个声子 光子提供跃迁所需要的能量 声子提供跃迁所需要的动量 这种跃迁方式称为非竖直跃迁 非竖直跃迁是一个二级过程 发生几率要比竖直跃迁小的多 这类半导体称为间接带隙半导体常见的间接带隙半导体 Ge Si 直接带隙半导体性质 当价带电子往导带跃迁时 电子波矢不变 在能带图上即是竖直地跃迁 这就意味着电子在跃迁过程中 动量可保持不变 满足动量守恒定律 相反 如果导带电子下落到价带 即电子与空穴复合 时 也可以保持动量不变 直接复合 即电子与空穴只要一相遇就会发生复合 不需要声子来接受或提供动量 因此 直接带隙半导体中载流子的寿命必将很短 同时 这种直接复合可以把能量几乎全部以光的形式放出 因为没有声子参与 故也没有把能量交给晶体原子 发光效率高 这也就是为什么发光器件多半采用直接带隙半导体来制作的根本原因 间接带隙半导体的重要性质 简单点说 从能带图谱可以看出 间接带隙半导体中的电子在跃迁时K值会发生变化 这意味着电子跃迁前后在K空间的位置不一样了 这样会极大的几率将能量释放给晶格 转化为声子 变成热能释放掉 而直接带隙中的电子跃迁前后只有能量变化 而无位置变化 于是便有更大的几率将能量以光子的形式释放出来 另一方面 对于间接跃迁型 导带的电子需要动量与价带空穴复合 因此难以产生基于再结