固体物理--半导体晶体 8.1 带隙

8,.,1,带隙,*,第,8,章 半导体晶体,固体,物理,导论,1,金属、半金属和半导体的载流子浓度,半导体的电阻率强烈地依赖于温度,绝对零度时，绝大多数半导体的纯净、完美晶体都将成为绝缘体,2,本征导电,高纯样品呈现本征导电性。在本征温度范围内，半导体的电学性质基本上不受晶体中杂质的影响,0 K,下半导体价带填满，导带全空,升温，电子由价带被热激发到导带,电导率为,0,（本征载流子）,可导电,最下面的空带称为,导带,最上面的满带称为,价带,3,带隙（能隙）,导带的最低点和价带的最高点的能量之差,导带的最低点称为,导带边,(,底,),价带的最高点称为,价带边,(,顶,),4,电子与空穴,电子由价带被热激发到导带后，在价带上会留下空轨道，被称为,空穴,。导带上的电子与价带上的空穴都会对电导率有贡献,本征条件下,空穴浓度,=,电子浓度,5,影响本征电导率的主要因素,带隙,E,g,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,温度,T,温度越高，被激发到导带的电子浓度就越大，本征载流子浓度就越大，电导率也就越大,即本征电导率主要受带隙与温度之比 的控制,6,本征光吸收,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，这个过程称为本征光吸收,本征光吸收的光子能量条件,直接光吸收过程：,吸收一个光子，产生一个电子和空穴,间接光吸收过程：,吸收光子的同时伴随吸收或者发射一个声子,准动量守恒条件,7,直接光吸收过程,(,竖直跃迁,),对应于导带边和价带边在 空间相同点的情况,本征光吸收的光子波矢的量级,布里渊区尺度,2,p,/,a,的量级,因此,可,忽略,光子动量,带隙,8,间接光吸收过程,(,非竖直跃迁,),对应于导带边和价带边在 空间,不同,点的情况,为满足准动量守恒需要声子的参与,价带边与导带边相差一大波矢,9,准动量守恒和能量守恒,吸收声子,“,+,”,发射声子,“,-,”,声子频率,声子波矢,在间接光吸收过程中，光子主要提供跃迁所需能量，声子主要提供所需的准动量,一般情况下 ，典型的声子能量约,0.010.03 eV,二级过程,10,直接能隙半导体与间接能隙半导体,导带边和价带边处于 空间,相同,点的半导体通常被称为,直接能隙半导体,导带边和价带边处于 空间,不同,点的半导体通常被称为,间接能隙半导体,在间接能隙半导体中发生的非竖直跃迁是一个二级过程，发生的几率比竖直跃迁要小得多,11,电子,-,空穴对复合发光,导带中的电子跃迁到价带空轨道而发射光子的过程，是光吸收过程的逆过程，称为电子,-,空穴对复合发光,一般情况下，电子集中在导带底，空穴集中在价带顶，发射光子的能量基本上等于带隙,和光吸收的情况相同，在直接能隙半导体中这种发光的几率远大于间接能隙半导体,制作利用电子,-,空穴复合发光的发光器一般使用直接能隙半导体，发光的颜色取决于带隙的大小,12,带隙的测量,带隙的测量可以利用光吸收方法测定，由连续光吸收频率的阈值就可以确定带隙,也可由本征范围内的电导率或者载流子浓度随温度的变化测定。载流子浓度可由霍尔电压测定有时以电导率测量作为补充,用光学测量方法还可确定带隙是直接的还是间接的,Ge,和,Si,是间接带隙半导体，,GaAs,和,InSb,是直接带隙半导体,13,纯锑化铟,(InSb),的光吸收，跃迁是直接的,