2022-2023学年高二物理竞赛课件：晶体的能带

晶体的能带

晶体的能带Eg随x的变化关系IV族元素Si、Ge可以形成连续固溶体,构成混合晶体，其能带结构随合金成分的变化而变化。写为Si1-xGex(0≤x≤1)，x称为混晶比(或固相组分).在0≤x≤0.85时，其能带结构与Si类似；0.85≤x≤1时，能带结构与Ge类似。因为当Si含量小时，<111>能谷为导带底;随着Si含量的增大，<111>导带极值和<100>导带极值以不同速率相对价带顶上移，<111>极值上升较快，在x＝0.85时，两种能谷达到同一水平，在Si含量大于0.15后，<100>能谷代替<111>能谷为导带底，能带变为类硅型的。五、III－V族化合物半导体的能带：1、GaAs1-xPx2、Ga1-xInxAsyP1-yGaAsP的Eg与组分的关系GaPGaAsInPInAsGaInAsP的Eg与组分的关系实线为等带隙线，虚线为等晶格常数线。阴影表示该组分内材料为间接带隙半导体虚线表示间接带隙半导体1.82.02.22.42.62.83.01234567Bandgapenergy(eV)Bondlength

(Å)AlNGaNMgSMgSeZnSInNZnSeCdTeInPGaAsZnOAlPGaPAlAsDirectbandgapIndirectbandgapGroupIII-nitrides:coveringthewavelengthregionfromUV

to

IRInN-GaN-AlNsystemcoversawiderangeofspectrumAlInGaN体系的能带结构，在自然界材料体系中是空前绝后的能带间隙全部是直接带隙，从深紫外到远红外上堂课回顾：B

Si、Ge和GaAs的能带结构：Si的导带：极小值在[100]方向上，6个能谷，等能面为旋转椭球；Ge的导带：极小值在[111]方向的BZ边界上，4个能谷，等能面为旋转椭球；Si和Ge的价带：极大值在BZ中心(k=0处)，3个能带，重空穴带，轻空穴带，自旋－轨道耦合劈裂带;Si和Ge：导带极小值和价带极大值在k空间不同点间接带隙半导体；GaAs的导带和价带：导带极小值和价带极大值皆在BZ中心，等能面为球面。直接带隙半导体B化合物半导体：

二元合金，如GaAs三元合金，如GaAs1-xPx

四元合金，如Ga1-xInxAsyP1-y另一种表述方法：

受主杂质电离过程

中性受主＝带负电的受主离子＋空穴空穴激发到价带，失去空穴杂质电离思考题：p61图3.20(b)受主能级杂质补偿：

(impuritycompensation)如果半导体中同时含有施主和受主杂质，由于受主能级比施主能级低得多，受主杂质也要首先接受来自施主杂质的电子，剩余的受主杂质才能接受来自价带的电子。施主和受主杂质之间这种互相抵消的作用，称为杂质补偿。在这种情况下，半导体的导电类型由浓度大的杂质来决定。施主浓度大于受主浓度时，半导体是N型；反之则为P型。

二、III－V族化合物半导体中的杂质在Ⅳ族元素半导体中，取代Ⅳ族原子占据晶格位置的Ⅴ族原子成为施主杂质，而Ⅲ族原子却成为受主杂质。这个结果说明，在半导体中，杂质原子的价电子数与晶格原子的价电子数之间的关系，是决定杂质行为的一个重要因素。则可知，在Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体中，取代晶格中Ⅴ族原子的Ⅵ族原子(如Se、Te)，是施主杂质；取代Ⅲ族原子的Ⅱ族原子(如Zn、Mg、Cd)，是受主杂质。两性杂质：IV族原子(如Si、Ge)在III－V族半导体中为两性杂质。若取代III族原子，是施主杂质；若取代V族原子，是受主杂质，这种杂质称为两性杂质。具体行为与杂质浓度和外部条件有关：如GaAs:Si，Si浓度<1018cm-3时,Si基本只取代Ga施主;Si浓度>1018cm-3时，部分Si取代As受主,补偿SiGa施主.等电子杂质和等电子陷阱：当杂质原子和晶格原子的价电子数相等时，杂质通常称为等电子杂质。等电子杂质替代相同价电子数的晶格原子(组分原子)后，由于其负电性不同，可以束缚电子。由等电子杂质形成的陷阱称为等电子陷阱。应用：如GaP:NLEDN与P同为V族元素，N比P的原子序数小，而负电性大，则可形成等电子陷阱。深能级

硅或锗中的Ⅲ族和Ⅴ族杂质，Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体中的ⅡB族和Ⅵ族杂质，都在禁带中引入浅能级，实际上，在半导体中还存在另一类杂质：它们的能级在禁带中心附近，常称这样的能级为深能级。深能级杂质的特点：①电离能大，对热平衡中的载流子浓度无显著影响