第1章半导体中的电子状态资料课件

1第一章 半导体中的电子状态半导体的晶格结构和结合性质半导体的晶格结构和结合性质半导体中电子状态和能带半导体中电子状态和能带半导体中电子的运动和有效质量半导体中电子的运动和有效质量半导体中载流子的产生及导电机构半导体中载流子的产生及导电机构半导体的能带结构半导体的能带结构21 1、金、金刚石型石型结构和共价构和共价键n化学化学键:构成晶体的构成晶体的结合力合力.共价共价键:由同种晶体由同种晶体组成的元素半成的元素半导体体,其原子其原子间无无电负性差性差,它它们通通过共用共用 一一对自旋相反而配自旋相反而配对的价的价电子子结合在一起合在一起.（饱和性饱和性 ，方向性，方向性 ，正，正四面体结构）四面体结构）11 半半导体的晶体体的晶体结构和构和结合性合性质3特点：特点：spsp3 3杂化轨道为基础形成正四面体结构，夹角杂化轨道为基础形成正四面体结构，夹角109109 2828。两两个个面面心心立立方方晶晶胞胞沿沿立立方方体体的的空空间间对对角角线线平平移移1/41/4空空间对角线套构而成。间对角线套构而成。固固体体物物理理学学原原胞胞（包包含含两两个个原原子子）和和面面心心立立方方晶晶格格（包包含含一一个个原原子子）相相同同，为为复复式式晶晶格格。硅硅、锗锗（族元素）的典型结构，共价键结合族元素）的典型结构，共价键结合。Ge:a=5.43089埃 Si:a=5.65754埃4金刚石型结构金刚石型结构硅、锗的金刚石结构硅、锗的金刚石结构(111)面的堆积面的堆积100面上的投影面上的投影5金刚石型晶胞金刚石型晶胞100100面上的投影面上的投影6沿着沿着111111方向看，（方向看，（111111）面以双原子）面以双原子层的形式按层的形式按ABCABCAABCABCA顺序堆积起来。顺序堆积起来。立方对称性立方对称性7硅、锗的金刚石结构硅、锗的金刚石结构8特点：特点：两类原子各自组成的面心立方晶格套构而成。两类原子各自组成的面心立方晶格套构而成。双原子双原子复式格子。复式格子。化学键化学键:共价键共价键+离子键离子键(共价键占优势）共价键占优势）结合性质具有不同程度的离子性（极性半导体）。结合性质具有不同程度的离子性（极性半导体）。族族、族族化化合合物物。例例:ZnSZnS、ZnSeZnSe、GaAsGaAs、GaPGaP2 2、闪锌矿结构和混合构和混合键9闪锌矿型结构闪锌矿型结构(111)(111)面的堆积在（面的堆积在（110110）面上的投影）面上的投影10闪锌矿结构的结晶学原胞闪锌矿结构的结晶学原胞 113.3.纤锌矿型结构纤锌矿型结构特点：特点：六六方方对对称称性性的的正正四四面面体体结结构构为为基基础础，不不是是立立方方对对称性（称性（与闪锌矿区别与闪锌矿区别）。）。离子性结合占优。离子性结合占优。硫硫化化锌锌、硒硒化化锌锌、硫硫化化镉镉、硒硒化化镉镉可可以以闪闪锌锌矿矿型型和纤锌矿型两种方式结晶。和纤锌矿型两种方式结晶。12纤锌矿型纤锌矿型结构结构13纤维锌矿结构：纤维锌矿结构：ZnOZnO、GaNGaN、AlNAlN、ZnSZnS、ZnTeZnTe、CdSCdS、CdTeCdTe 144.氯化钠型结构氯化钠型结构特点：特点：两两个个面面心心立立方方（不不同同的的离离子子构构成成）对对角角线线方方向向平移平移1/2对角线长套构而成。对角线长套构而成。离子性强。离子性强。硫化铅、硒化铅、碲化铅等。硫化铅、硒化铅、碲化铅等。15氯化钠型结构氯化钠型结构16 1.2 1.2 半半导体中体中电子的状子的状态与能与能带的形成的形成研究固态晶体中电子的能量状态的方法研究固态晶体中电子的能量状态的方法 单电子近似单电子近似17 假设每个电子是在周期性排列且固定不动的假设每个电子是在周期性排列且固定不动的 原子核势场及其他电子的平均势场中运动，原子核势场及其他电子的平均势场中运动，该势场是具有与晶格同周期的周期性势场。该势场是具有与晶格同周期的周期性势场。单电子近单电子近似能带论能带论 用单电子近似法研究晶体中电子用单电子近似法研究晶体中电子 状态的理论。状态的理论。18能带论的主要结果能带论的主要结果 (1)(1)原子的能级和晶体的能带原子的能级和晶体的能带(2)(2)近自由电子近似下的电子状态和能带近自由电子近似下的电子状态和能带(3)(3)半导体半导体 用单电子近似法研究晶体中电子状态的理论。用单电子近似法研究晶体中电子状态的理论。能带论能带论19一一.能带论的定性叙述能带论的定性叙述1.1.孤立原子中的电子状态孤立原子中的电子状态 主量子数主量子数 n:1,2,3,n:1,2,3,，决定能量的主要因素决定能量的主要因素 角量子数角量子数 l l：0 0，1 1，2 2，（n n1 1），决定角动量，），决定角动量，对能量有一定影响对能量有一定影响 磁量子数磁量子数 m ml l：0 0，1 1，2 2，l l，决定，决定 L L的的空间取向，引起磁场中的能级分裂空间取向，引起磁场中的能级分裂 自旋量子数自旋量子数 m ms s：1/21/2，产生能级精细结构，产生能级精细结构20固体结构固体结构非晶材料非晶材料：只短程有序（几个原子，最近邻或近邻）：只短程有序（几个原子，最近邻或近邻）多晶材料多晶材料：有序区域包含许多原子，这些有序区域被：有序区域包含许多原子，这些有序区域被称为晶粒称为晶粒(grains)(grains)，不同晶粒被晶界，不同晶粒被晶界(grain(grain boundary)boundary)分开。分开。单晶材料单晶材料：在整个材料中完全有序：在整个材料中完全有序212.2.晶体中的电子晶体中的电子（1 1）电子的共有化运动）电子的共有化运动在晶体中，在晶体中，电子电子由一个原子转移到相邻的原子去，由一个原子转移到相邻的原子去，因而，因而，电子将可以在整个晶体中运动电子将可以在整个晶体中运动。222p2p2p2p3s3s3s3s电子共有化运动示意图电子共有化运动示意图23(2 2)能能 级级 分分 裂裂s s 能能级级设设有有A A、B B两两个个原原子子孤立孤立时,波函数（描述微波函数（描述微观粒子的状粒子的状态）为 A A和和 B,B,不重叠不重叠.简简并并度度=状状态态/能能级级数数=2 2/1 1=2 2孤立原子的能级孤立原子的能级24A.B A.B 两原子相互靠近两原子相互靠近,电子波函数应是电子波函数应是 A A和和 B B的的线形叠加形叠加:1 1=A A+B B E E1 1 2 2=A A-B B E E2 2四个原子的能四个原子的能级的分裂的分裂25相互中间隔的很远时：相互中间隔的很远时：是是N N度简并的。度简并的。(不计原子简并）不计原子简并）它们的能级便分裂成它们的能级便分裂成N N个彼此靠得很近的能级个彼此靠得很近的能级准连续能级准连续能级，简并消失。，简并消失。这这N N个能级组成一个能带，称为个能级组成一个能带，称为允带允带。N N 1010222210102323/cm/cm3 3当有当有N N个原子时，个原子时，相互靠近组成晶体后：相互靠近组成晶体后：26p p 能能级级（l l=1 1,m ml l=0 0,1 1）一个一个p p能级对应三个状态，三度简并；能级对应三个状态，三度简并；N N个孤立个孤立原子原子3N3N度简并。度简并。组成晶体后，组成晶体后，p p能级分裂成能级分裂成3N3N个能级个能级 d d 能能级级（l l=2 2,m ml l=0 0,1 1,2 2）d d能级，能级，N N个原子组成晶体后，个原子组成晶体后，d d能级分裂成能级分裂成5N5N个能级。个能级。27允带能带原子级能禁带禁带原子轨道原子能级分裂为能带的示意图原子能级分裂为能带的示意图dps能量E28实际晶体的能带不一定同孤立原子的某个能级相当。实际晶体的能带不一定同孤立原子的某个能级相当。s能级：共有化运动弱，能级分裂晚，形成能带窄；p、d能级：共有化运动强，能级分裂早，形成的能带宽。29金刚石型结构价电子的能带 对N个原子组成的晶体:共有4N个价电子n空带，即导带 n满带，即价带 2s和和2p能级分裂的两个能带能级分裂的两个能带30波函数：波函数：描述微描述微观粒子的状粒子的状态薛定薛定谔方程：方程：决定粒子决定粒子变化的方程化的方程二二 半半导体中体中电子的状子的状态和能和能带311.自由电子电子在空子在空间是是等几率分布等几率分布的，即自由的，即自由电子在空子在空间作自由作自由运运动。32微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性由粒子性由粒子性由德布罗意关系由德布罗意关系33波矢波矢k描述自由电子的运动状态。描述自由电子的运动状态。当波矢当波矢k 确定时，确定时，E、p、，均有确定值，均有确定值342.晶体中的电子一维理想晶格一维理想晶格（1 1）一维理想晶格的势场和电子能量）一维理想晶格的势场和电子能量E E（）（）孤立原子的势场是：孤立原子的势场是：N N个原子有规则的沿个原子有规则的沿x x轴方向排列：方向排列：35xva晶体的势能曲线晶体的势能曲线36电子的运动方程（薛定谔方程）为电子的运动方程（薛定谔方程）为其中：其中：37布洛赫函数布洛赫函数 uk(x),是一个具有晶格周期的周期函数是一个具有晶格周期的周期函数,n n 为任意整数任意整数,a a 为晶格周期晶格周期.分布几率是晶格的周期函数分布几率是晶格的周期函数，但，但对每个原胞的相每个原胞的相应位位置，置，电子的分布几率一子的分布几率一样的。的。波矢波矢k k描述晶体中描述晶体中电子的共有化运子的共有化运动状状态。38晶体中的电子与自由电子的比较晶体中的电子与自由电子的比较u 波函数形式相似波函数形式相似 振幅振幅uk(x)作周期变化，以一个作周期变化，以一个被调幅的平面波在晶体中传播被调幅的平面波在晶体中传播。u空间几率不同。空间几率不同。自由电子：自由电子：几率相等，自由运动几率相等，自由运动 晶体中电子：晶体中电子：周期性变化，电子共有化运动周期性变化，电子共有化运动 分别反映了电子的空间自由运动及在晶体中的共有化运动，分别反映了电子的空间自由运动及在晶体中的共有化运动，其中外层电子共有化运动较强（准自由电子）。其中外层电子共有化运动较强（准自由电子）。u布洛赫波函数的波矢与自由电子波函数中的一样，描述晶体中布洛赫波函数的波矢与自由电子波函数中的一样，描述晶体中 电子共有化运动状态，电子共有化运动状态，不同波矢标志不同的共有化运动状态不同波矢标志不同的共有化运动状态。3940自由电子自由电子E(k)与与k的关系的关系简约布里渊区简约布里渊区E和和k的关系的关系能能 带带 3.3.布里渊区与能带布里渊区与能带41能量不连续，形成允带和禁带。能量不连续，形成允带和禁带。允带出现在以下几个区（布里渊区）中：允带出现在以下几个区（布里渊区）中：第一布里渊区第一布里渊区第二布里渊区第二布里渊区第三布里渊区第三布里渊区42-/aE（k）0/ak允带允带允带自由电子称第一布里渊区为简约布里渊区称第一布里渊区为简约布里渊区43 禁带出现在布里渊区边界（禁带出现在布里渊区边界（k k=）上。）上。每一布里渊区对应于每一能带。每一布里渊区对应于每一能带。E E(k k)是是 k k 的周期性函数的周期性函数布里渊区的特征：布里渊区的特征：布里渊区的特征：布里渊区的特征：（1 1）每隔）每隔 的的 k k 表示的是同一表示的是同一 个电子态；个电子态；（2 2）波矢）波矢 k k 只能取一系列分立的值，对有限只能取一系列分立的值，对有限 晶体，每个晶体，每个 k k 占有的线度为占有的线度为1/1/L L；4445E E（k k）-k-k的的对应意意义：（1 1）一个）一个 k k 值与一个能与一个能级（能量状（能量状态）相）相对应；（2 2）每个布里渊区有）每个布里渊区有N N（N N：晶体的固体：晶体的固体 物理学原胞数）物理学原胞数）个个 k k 状状态，故每个能，故每个能带 中有中有N N个能个能级；（3 3）每个能）每个能级最多可容最多可容纳自旋相反的两个自旋相反的两个电子，故每子，故每个能个能带中最多可容中最多可容纳 2N 2N 个个电子。子。46 能带的宽窄由晶体的性质决定能带的宽窄由晶体的性质决定,与晶体中含与晶体中含的原子数目无关的原子数目无关,但每个能带中所含的能级数目与晶体中的但每个能带中所含的能级数目与晶体中的原子数有关。原子数有关。注意注意:47电子刚好填满最后一个带电子刚好填满最后一个带电子填充允许带时电子填充允许带时,可能出现可能出现:最后一个带仅仅是部分被电子占有最后一个带仅仅是部分被电子占有导体导体绝缘体和半导体绝缘体和半导体483s2p2s1s11#Na,它的电子组态是它的电子组态是:1s22s22p63s11.导体的能带导体的能带三、三、导体、绝缘体和半导体的能带导体、绝缘体和半导体的能带492.2.绝缘体和半导体的能带绝缘体和半导体的能带6 6#C C电子组态是电子组态是:1s:1s2 22s2s2 22p2p2 22p2p2s2s1s1s50（1）满带中的电子不导电 I（k）=-I（-k）即是说，+k态和-k态的电子电流互相抵消。（2）对部分填充的能带，将产生宏观电流。51Eg电子能量EcEv能带图可简化成:禁带宽度禁带宽度52导带导带半满带禁带价带禁带价带满带绝缘体、半导体和导体的能带示意图绝缘体、半导体和导体的能带示意图绝缘体半导体导体53常温下：Si：Eg=1.12 eV Ge:Eg=0.67 eV GaAs:Eg=1.43 eV绝缘体的能带宽度：绝缘体的能带宽度：67ev67ev半导体的能带宽度：半导体的能带宽度：13ev13ev54本征激发 当温度一定时，价带电子受到激发而成为导带电子的过程。激激 发 后：后：空的量子空的量子态（空穴）空穴）价价带电子子激激 发发 前：前：导带电子55空穴将价带电子的导电作用等效为带正电荷的准粒子的导电作用。空穴的主要特征：A、荷正电：+q；B、空穴浓度表示为p（电子浓度表示为n）；C、EP=-En D、mP*=-mn*56因此，在半导体中存在两种载流子：（1）电子；（2）空穴；而在本征半导体中，n=p。空穴与空穴与导电电子子571.3 1.3 半导体中电子的运动半导体中电子的运动 有效质量有效质量从粒子性出发从粒子性出发,它具有一定的质量它具有一定的质量 m m0 0和和运运动速度速度 V V,它的能量它的能量E E 和和动量量P P 分分别为:一、自由空间的电子一、自由空间的电子58从波动性出发从波动性出发,电子的运动看成频率为电子的运动看成频率为、波矢波矢为 K K 的平面波在波矢方向的的平面波在波矢方向的传输过程程.59自由电子自由电子E与与k 的关系的关系Ek01.能量能量E(k)德布罗意关系德布罗意关系60对对 E(E(k)k)微分微分,得到得到当有当有外力外力 F F 作用于电子时作用于电子时,在在 dtdt 时间内内,电子子位移了位移了dsds 距离距离,那么外力那么外力对电子所作的功等于子所作的功等于能量的能量的变化化,即即:2.2.速度速度 V(k)V(k)3.3.加速度加速度 a a616263二、半导体中的电子：二、半导体中的电子：晶体中作共有化运动的电子平均速度晶体中作共有化运动的电子平均速度:1.1.速度速度 V V设导带底或价带顶位于设导带底或价带顶位于 k k=0,=0,则则64以一维情况为例：以一维情况为例：设设 E E(k k)在在 k k=0=0 处取得极值，在极值附近处取得极值，在极值附近按泰勒级数展开：按泰勒级数展开：65m m*为导带底或价底或价带顶电子的有效子的有效质量量导带底价带顶电子的m*0;电子的m*0,0,m m*00。0,0,m m*00;*0;电子的电子的m m*0;*空态数空态数导带：电子数导带：电子数 m mt t,为长旋旋转椭球球m mt t m ml l,为扁形旋扁形旋转椭球球97(3)(3)极值点极值点 k k0 0 在原点在原点能量 E 在波矢空间的分布为球形曲面98kokxkykz99将一半导体样品放在一均匀恒定的磁场将一半导体样品放在一均匀恒定的磁场B B中中,电子在磁场中作螺旋运动电子在磁场中作螺旋运动,它的回旋频率它的回旋频率c c与有效与有效质量量(对于球形等能面于球形等能面)的关系的关系为:2.2.回旋共振法回旋共振法100测出共振吸收时电磁波的频率测出共振吸收时电磁波的频率 和磁感应强和磁感应强度度 B B，便可算出有效质量，便可算出有效质量 m m*。再以电磁波通过半导体样品，当交变电磁场频率 等于 c 时，就可以发生共振吸收共振吸收。确定能带极值附近 E(k)与 k 的关系。101设 B B 沿 k kx,k ky y,k kz 轴的方向余弦分别为，则如果等能面是椭球面，则有效质量是各向异性的。如果等能面是椭球面，则有效质量是各向异性的。沿沿k kx x,k ky y,k kz z 轴方向分别为轴方向分别为m mx x*,*,m my y*,*,m mz z*。E E(k k)等能面的球半径等能面的球半径为:102二二.半半导体的能体的能带结构构1.1.元素半导体元素半导体的能的能带结构构金刚石结构金刚石结构xyz103导带价价带带硅和锗的能带结构硅和锗的能带结构104001000001000001硅导带等能面示意图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。(1)(1)导带导带ABCD导带最低能值导带最低能值 100方向 硅的能带结构硅的能带结构 105价带极大值价带极大值 位于布里渊区的中心（坐标位于布里渊区的中心（坐标原点原点K K=0=0）存在极大值相重存在极大值相重合的两个价带合的两个价带 外面的能带曲率小，对应的有效外面的能带曲率小，对应的有效质量大，称该能带中的空穴为重质量大，称该能带中的空穴为重空穴空穴 ，(m(mp p*)h h 。内能带的曲率大，对应的有效质内能带的曲率大，对应的有效质量小，称此能带中的空穴为轻空量小，称此能带中的空穴为轻空穴，（穴，（m mp p*)l l 。E E(k k)为球形等能面为球形等能面（2 2）价带）价带106锗的能带结构锗的能带结构 导带最低能值导带最低能值 111111方向布里渊区边界方向布里渊区边界 存在有四个这种能量最小值存在有四个这种能量最小值 E E(k k)为以为以111111方向为旋方向为旋转轴的椭圆等能面转轴的椭圆等能面107价带极大值价带极大值 位于布里渊区的中心（位于布里渊区的中心（K K=0=0）存在极大值相重合存在极大值相重合的两个价带的两个价带 外面的能带曲率小，对应的有外面的能带曲率小，对应的有效质量大，称该能带中的空穴效质量大，称该能带中的空穴为重空穴为重空穴 。内能带的曲率大，对应的有内能带的曲率大，对应的有效质量小，称此能带中的空效质量小，称此能带中的空穴为轻空穴。穴为轻空穴。108 禁带宽度 Eg 随温度增加而减小且 Si：dEg/dT=-2.810-4 eV/K Ge:dEg/dT=-3.910-4 eV/KEg:T=0:Eg(Si)=0.7437 eV Eg(Ge)=1.170 eV GeGe、SiSi能带结构的主要特征能带结构的主要特征109 多能谷结构：多能谷结构：锗、硅的导带分别存在四个和六个这种能量锗、硅的导带分别存在四个和六个这种能量最小值，导带电子主要分布在这些极值附近，最小值，导带电子主要分布在这些极值附近，通常称锗、硅的导带具有通常称锗、硅的导带具有。间接带隙半导体：间接带隙半导体：硅和锗的导带底和价带顶在硅和锗的导带底和价带顶在 k k 空间处于不空间处于不同的同的 k k 值。值。1102.2.IIIIIIV V族化合物的能族化合物的能带结构构GaAs的能带结构闪锌矿结构111EGaAsEg036eVLX111100导带有两个极小值：一个在k=0处，为球形等能面，另一个在100方向，为椭球等能面，能量比 k=0处的高 0.36eV，112价带顶也在坐标原点，价带顶也在坐标原点，k=0k=0，球形等能，球形等能面，也有两个价面，也有两个价带，存在重、，存在重、轻空穴。空穴。GaAsGaAs的的导带的极小的极小值点和价点和价带的极大的极大值点位于点位于K K空空间的同一点，的同一点，这种半种半导体称体称为直接直接带隙隙半半导体。体。113锑化铟的能带结构导带极小值在 k=0处,球形等能面,mn*=0.0135 m0 非抛物线型 114价带价带包含三个能带：重空穴带V1 轻空穴带V2 能带V3（L-S耦合）20K时 轻空穴有效质量轻空穴有效质量 0.016m0沿111 0.44m0沿110 0.42m0沿100 0.32m0重空穴有效质量重空穴有效质量价带顶在k=0115III-V 族能带结构的主要特征族能带结构的主要特征能带在布里渊区中心简并，一重空穴带、轻空穴带及第三个能带（LS）价带极大值稍偏离布里渊区中心导带极小值在100、111方向和布里渊 区中心导带电子的有效质量不同重空穴有效质量相差很少原子序数较高的化合物，禁带宽度较窄116IIIV族混合晶体族混合晶体的能的能带结构构GaAs1-xPx的的Eg与组分的关系与组分的关系连续固溶体连续固溶体混合晶体混合晶体能带结构随成分的能带结构随成分的变化而连续变化变化而连续变化117Ga1-xInxP1-yAsy 的禁带的禁带宽度随宽度随 x、y 的变化的变化118Al1-xGaxAs1-ySby 的禁带的禁带宽度随宽度随 x、y 的变化的变化间接带隙间接带隙119混合晶体的混合晶体的 E Eg g 随组分变化的特性随组分变化的特性 发光器件发光器件 GaAsGaAs1-x1-xP Px x 发光二极管发光二极管 x=0.38x=0.380.400.40时，E Eg g=1.841.94 eV=1.841.94 eV 电空复合空复合发出出 640640 680 nm 680 nm红光光 激光器件激光器件 GaGa1-x1-xInInx xP P1-y1-yAsAsy y 长波长激光器长波长激光器 调节调节 x x、y y 组分可获得组分可获得1.31.31.61.6 m m 红外光外光1203.3.IIIIVIVI族化合物半族化合物半导体的能体的能带结构构二元化合物的能二元化合物的能带结构构 导带极小值和价带极大值位于导带极小值和价带极大值位于 k=0k=0 价带包含三个能带：重空穴带价带包含三个能带：重空穴带V V1 1 轻空穴带轻空穴带V V2 2 能带能带V V3 3（L-SL-S耦合）耦合）禁带宽度较宽禁带宽度较宽121 禁带宽度禁带宽度 ZnS 3.6 eV ZnSe 2.58 eV ZnTe 2.28 eV 电子有效质量电子有效质量 ZnS 0.39 m0 ZnSe 0.17 m0 ZnTe 0.15 m0 122碲化镉的能带碲化镉的能带室温下，室温下，Eg 1.50 eV8123碲化汞的能带碲化汞的能带Eg极小且为负值极小且为负值室温下，室温下，Eg 0.15 eV半金属或零带隙材料半金属或零带隙材料8124混合晶体的能混合晶体的能带结构构半导体半导体 半金属，如半金属，如 Hg1-xCdxTe的能带结构由半金属向半导体过渡的能带结构由半金属向半导体过渡x0.14x0.14x0.2Hg1-xCdxTe能带能带随随 x 变化示意图变化示意图125Hg1-xCdxTe的的 Eg 随随 x 的变化的变化远红外探测器远红外探测器1264.Si1-xGex合金的能合金的能带Vegard 定律定律(0 x 1)Si1-xGex 与与 Si 的晶格失配为的晶格失配为127Si1-xGex合金的能带特点合金的能带特点 间接带隙间接带隙 当当 x 01.0,能带结构从能带结构从 Si 的渐变到的渐变到 Ge 的的 x 0.85，能带结构与，能带结构与 Si 的类似的类似 0.85 x 1.00,能带结构与能带结构与 Ge 的类似的类似在在 Si 中中 X 点二度简并，而点二度简并，而Si1-xGex在在 X 点点 简并消失简并消失128赝晶（共格）生长赝晶（共格）生长 用分子束外（MBE）延法，在Si上外延生长Si1-xGex合金薄膜，当外延层厚度在适当的范围时，晶格的失配可通过Si1-xGex合金层的应变补偿或调节，则得到无界面失配的Si1-xGex合金薄膜。129无应变的体无应变的体Si1-xGex合金合金的禁带宽度（的禁带宽度（4.2K）130应变应变Si1-xGex合金的禁带宽度合金的禁带宽度 改变改变 Ge 组分组分 x 和应变的大小，则可调整和应变的大小，则可调整应变应变Si1-xGex合金的禁带宽度。合金的禁带宽度。131应变和无应变的应变和无应变的Si1-xGex的的Eg与与Ge 组分的关系组分的关系020406080100Ge 组分 x(%)0.60.70.80.91.01.1禁带宽度(eV)23应变的无应变轻空穴带轻空穴带重空穴带重空穴带SiGe/Si应变层超晶格材料新一代通信1325.宽禁禁带半半导体材料（体材料（Eg 2.3）的能的能带SiC、金刚石、金刚石、II族氧化物、族氧化物、II族硫化物、族硫化物、II族硒化物、族硒化物、III氮化物及其合金氮化物及其合金高频、高功率、高温、抗辐射和高密度高频、高功率、高温、抗辐射和高密度 集成的电子器件集成的电子器件 蓝光、绿光、紫外光的发光器件和光探蓝光、绿光、紫外光的发光器件和光探 测器件测器件133SiCSiC的晶格的晶格结构和能构和能带同质多象变体（同质多型体）：同质多象变体（同质多型体）：在不同的物理化学环境下，形成两种或两种以上的晶体，这些成分相同，形态、构造和物理性质有差异的晶体称为 。SiCSiC的多象变体约的多象变体约 200 200 多种。多种。134结构的差异使结构的差异使 SiC 的禁带宽度不同的禁带宽度不同 SiC:SiC:立方晶体结构的立方晶体结构的 SiC SiC 变体变体 SiC:SiC:六方和菱形晶体结构的六方和菱形晶体结构的 SiC SiC 变体变体135 SiC 晶体的能带特点晶体的能带特点 间接带隙间接带隙导带极小值在导带极小值在 X 点（点（X1c）价带极大值在价带极大值在 点（点（15v）1360.400.440.4824681012晶格常数 a(nm)能量E(eV)X1cL1c15c1c压力显压力显著改变著改变能带结能带结构构 SiC 的能隙与晶格常数的能隙与晶格常数 a 的关系的关系137GaN,AlN 的晶格的晶格结构和能构和能带III族氮化物：族氮化物：GaN,AlN,InN,AlGaN,GaInN,AlInN,AlGaInN等等禁带宽度范围：禁带宽度范围：红、黄、绿、蓝和紫外光红、黄、绿、蓝和紫外光晶格结构：晶格结构：闪锌矿和纤锌矿闪锌矿和纤锌矿138GaN晶体的能带特点晶体的能带特点 直接带隙直接带隙导带极小值与价带极大值在导带极小值与价带极大值在 点点对纤锌矿和闪锌矿结构对纤锌矿和闪锌矿结构139AlN晶体的能带特点晶体的能带特点对纤锌矿结构对纤锌矿结构 直接带隙直接带隙导带极小值与价带极大值在导带极小值与价带极大值在 点点对闪锌矿结构对闪锌矿结构 间接带隙间接带隙 导带极小值在导带极小值在 X 点，价带极大值在点，价带极大值在 点点140第一章第一章 小结小结在在完完整整的的半半导导体体中中，电电子子的的能能谱谱是是一一些些密密集集的的能能级级组组成成的的带带（能能带带），能能带带与与能能带带之之间间被被禁禁带带隔隔开开。在在每每个个能能带带中中，电电子子的的能能量量E可可表表示示成成波波矢矢的的函函数数E(k)。在在绝绝对对零零度度时时，完完全全被被电电子子充充满满的的最最高高能能带带，称称为为价价带带，能能量量最最低低的的空空带带称称为为导带。导带。141有效质量的概念及物理意义。有效质量的概念及物理意义。142两种载流子的比较两种载流子的比较价带附近的空状态，称为空穴。可以价带附近的空状态，称为空穴。可以把它看成是一个携带电荷（把它看成是一个携带电荷（+q)、以、以与空状态相对应的电子速度运动的粒与空状态相对应的电子速度运动的粒子。空穴具有正的有效质量。子。空穴具有正的有效质量。直接带隙半导体和间接带隙半导体直接带隙半导体和间接带隙半导体143第一章习题第一章习题1.P44习题习题12.已知一维晶体的电子能带可写成：已知一维晶体的电子能带可写成：式中式中a是晶格常数，试求：是晶格常数，试求：（1）能带宽度的表达式。）能带宽度的表达式。（2）电子在波矢）电子在波矢k状态时的速度表达式。状态时的速度表达式。1443.右图为能量曲线右图为能量曲线E(k)的形状，试回答：的形状，试回答：（1）在在、三三个个带带中中，哪哪一一个个带带的的电电子子有有效效质质量数值最小？量数值最小？（2）在在考考虑虑、两两个个带带充充满满电电子子，而而第第个个带带全全空空的的情情况况，如如果果少少量量电电子子进进入入第第个个带带，在在带带中中产产生生同同样样数数目目的的空空穴穴，那那么么带带中中的的空空穴穴有有效效质质量量同同带带中中的的电电子子有有效效质质量量相相比比，是是一一样样、还是大或小？还是大或小？-/a/aP13图图1-10(c)人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。