1.4半导体的导电机构.ppt

1、1.4半导体的导电机构、空穴,本征半导体： 不含杂质且结构非常完整的单晶半导体。所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。 本征半导体的原子结构 半导体锗和硅都是四价元素，它们的最外层都有4个电子，带4个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核,满带,对电流无贡献,不满带,对电流有贡献,本征激发 一般来说，共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子。 理论和实验表明：在常温（T300K）下，硅共

2、价键中的价电子只要获得大于电离能EG（= 1.1eV）的能量便可激发成为自由电子。本征锗的电离能更小，只有0.72 eV。 当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称为空穴。当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。,为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正点荷的载流子 复

3、合： 当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个“电子一空穴”对，这一相反过程称为复合。 动态平衡： 在一定温度条件下，产生的“电子一空穴对”和复合的“电子一空穴对”数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时“电子一空穴对”维持一定的数目。 可见，在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而金属导体中只有自由电子一种载流子，这也是半导体与导体导电方式的不同之处。,半导体中的空穴,空穴的波矢kp和速度,空穴的波矢kP=-kn,空穴的能量,设价带顶的能量 Ev=0,电子从价带顶Evkn，将释放出能量：E(kn)= -E,所以：V(kp

4、)=V(kn),E(kn),kn,kn,kn,mn*,mn*,导电条件： 有外加电压，有载流子 空穴是一个假想的带正电粒子，有正电粒子导电特性，实际是不存在的，是为了描述价带中电子移动对电流的贡献而引入的。为分析方便，引入空穴有效质量概念。,导电机构（电子导电、空穴导电） 在外电场作用下，导带上电子和价带上的空穴共同参与导电称为半导体的导电机构,金属与半导体导电机理(机构),金属：只有电子一种载流子 半导体：导带电子和价带空穴 对本征半导体： 导带电子数=价带空穴数,1.5半导体的能带结构,不同材料，各向异性，复杂，理论上无法确定电子的全部能态。 因此： 理论与实验相结合：,有效质量,能带结构

5、,推导,回旋共振,测试,一、半导体能带极值附近E(k)的分布 K空间的等能面 设极值点k0为(kx0,ky0,kz0). 能量E在极值点k0附近的展开,其中：,上式代表的是一个椭球等能面。等能面上的波矢k与电子能量E之间有着一一对应的关系，即： k空间中的一个点对应一个电子态因此，为了形象直观地表示 E（k）- k 的三维关系，可以用k空间中的等能面来反映 E（k）- k 关系。,在长轴方向:m*大,E的变化缓慢 在短轴方向:m*小,E的变化快,极值点k0正好在某一坐标轴上,能量E在K空间的分布为一旋转椭球曲面,极值点k0在原点,能量E在波矢空间的分布为球形曲面,二. Si.Ge.GaAs半导

6、体的能带结构,1.元素半导体Si,金刚石结构,00,100,00,010,00,001,硅导带等能面示意图,极大值点k0在坐标轴上。 共有6个形状一样的旋转椭球等能面（演示动画）,(1)导带,A,B,C,D,导带最低能值,100方向,价带极大值,位于布里渊区的中心（坐标原点K=0）。,存在极大值相重合 的两个价带,外面的能带曲率小，对应的有效质量大，称该能带中的空穴为重空穴 ，(mp*)h 。,内能带的曲率大，对应的有效质量小，称此能带中的空穴为轻空穴。（mp*)l 。,E(k)为球形等能面,2.价带,2、锗的能带结构,导带最低能值位于,111方向布里渊区边界上，共有八个。（演示动画）,E(k)为以111方向为旋转轴的椭圆等能面,存在有四个这种能量最小值,锗、硅的导带分别存在四个和六个能量最小值，导带电子主要分布在这些极值附近，通常称锗、硅的导带具有多能谷结构。,硅和锗的导带底和价带顶在k空间处于不同的k值，为间