直接和間接帶隙半導(dǎo)體

關(guān)于直接和間接帶隙半導(dǎo)體第1頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五主要內(nèi)容半導(dǎo)體定義及其性質(zhì)什么是帶隙直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體的性質(zhì)、區(qū)別半導(dǎo)體的應(yīng)用半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢(shì)第2頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五什么是半導(dǎo)體半導(dǎo)體：電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)稱(chēng)為半導(dǎo)體,換句話說(shuō)半導(dǎo)體是導(dǎo)電性可受控制，范圍可從絕緣體至導(dǎo)體之間的材料。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅更是各種半導(dǎo)體材料中，在商業(yè)應(yīng)用上最具有影響力的一種。第3頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五半導(dǎo)體的導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電性是由“導(dǎo)帶”（conductionband）中含有的電子數(shù)量決定。當(dāng)電子從“價(jià)帶”（valenceband）獲得能量而跳躍至“導(dǎo)帶”時(shí)，電子就可以在帶間任意移動(dòng)而導(dǎo)電。常見(jiàn)的金屬材料其導(dǎo)電帶與價(jià)電帶之間的“能量間隙”非常小，在室溫下電子很容易獲得能量而跳躍至導(dǎo)電帶而導(dǎo)電，而絕緣材料則因?yàn)槟芟逗艽螅ㄍǔ４笥?電子伏特），電子很難跳躍至導(dǎo)電帶，所以無(wú)法導(dǎo)電。一般半導(dǎo)體材料的能隙約為1至3電子伏特，介于導(dǎo)體和絕緣體之間。因此只要給予適當(dāng)條件的能量激發(fā)，或是改變其能隙之間距，此材料就能導(dǎo)電。第4頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五半導(dǎo)體的能帶分布結(jié)構(gòu)根據(jù)能帶理論，電子主要分布在滿價(jià)帶，當(dāng)半導(dǎo)體受到溫度影響時(shí)，滿價(jià)帶的電子會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶上，在價(jià)帶上留下空軌道，這些空軌道就是空穴。溫度越高，電子被激發(fā)到空導(dǎo)帶的概率越大。導(dǎo)帶上的電子和價(jià)帶上的空穴決定了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。第5頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五什么是帶隙？帶隙就是導(dǎo)帶的最低點(diǎn)和價(jià)帶的最高點(diǎn)的能量之差（Eg）第6頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五本征光的吸收半導(dǎo)體吸收光子使電子由價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對(duì)的過(guò)程就叫本征光吸收。光子能量滿足的條件是：

準(zhǔn)動(dòng)量守恒條件是：

第7頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五兩種躍遷方式

1.豎直躍遷（直接光吸收過(guò)程）對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在k空間相同點(diǎn)的情況躍遷需滿足準(zhǔn)動(dòng)量守恒光子的波矢2π/λ~104cm-1價(jià)帶頂部電子的波矢2π/a~108cm-1因此可以忽略光子動(dòng)量，在此次躍遷中，電子的波矢可以看作是不變的。我們稱(chēng)之為豎直躍遷，這種半導(dǎo)體我們稱(chēng)之為直接帶隙半導(dǎo)體。能量守恒：第8頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五2.非豎直躍遷（間接光吸收過(guò)程）

對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶邊和價(jià)帶邊在k空間不同點(diǎn)的情況

由上圖可以看出，單純吸收光子從價(jià)帶頂躍遷到導(dǎo)帶底，電子在吸收光子的同時(shí)伴隨著吸收或者發(fā)出一個(gè)聲子。滿足能量守恒：聲子的能量,可忽略不計(jì)，所以準(zhǔn)動(dòng)量守恒：聲子的準(zhǔn)動(dòng)量和電子的準(zhǔn)動(dòng)量數(shù)量相仿，同樣的，不計(jì)光子的動(dòng)量，我們有即光子提供電子躍遷所需的能量，聲子提供躍遷所需要的動(dòng)量第9頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五直接帶隙半導(dǎo)體（Directgapsemiconductor）導(dǎo)帶邊和價(jià)帶邊處于k空間相同點(diǎn)的半導(dǎo)體通常被稱(chēng)為直接帶隙半導(dǎo)體。電子要躍遷到導(dǎo)帶上產(chǎn)生導(dǎo)電的電子和空穴（形成半滿能帶）只需要吸收能量。直接帶隙半導(dǎo)體的例子：GaAs、InP、InSb等。第10頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五間接帶隙半導(dǎo)體導(dǎo)帶邊和價(jià)帶邊處于k空間不同點(diǎn)的半導(dǎo)體通常被稱(chēng)為間接帶隙半導(dǎo)體。形成半滿能帶不只需要吸收能量，還要改變動(dòng)量。間接帶隙半導(dǎo)體：Ge,Si等在間接帶隙半導(dǎo)體中發(fā)生的非豎直躍遷是一個(gè)二級(jí)過(guò)程，發(fā)生的幾率比豎直躍遷要小得多IndirectgapsemiconductorInEnglish？第11頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五直接帶隙半導(dǎo)體的重要性質(zhì)直接帶隙半導(dǎo)體的重要性質(zhì)：當(dāng)價(jià)帶電子往導(dǎo)帶躍遷時(shí)，電子波矢不變，在能帶圖上即是豎直地躍遷，這就意味著電子在躍遷過(guò)程中，動(dòng)量可保持不變——滿足動(dòng)量守恒定律。相反，如果導(dǎo)帶電子下落到價(jià)帶（即電子與空穴復(fù)合）時(shí)，也可以保持動(dòng)量不變——直接復(fù)合，即電子與空穴只要一相遇就會(huì)發(fā)生復(fù)合（不需要聲子來(lái)接受或提供動(dòng)量）。因此，直接帶隙半導(dǎo)體中載流子的壽命必將很短；同時(shí)，這種直接復(fù)合可以把能量幾乎全部以光的形式放出（因?yàn)闆](méi)有聲子參與，故也沒(méi)有把能量交給晶體原子）——發(fā)光效率高（這也就是為什么發(fā)光器件多半采用直接帶隙半導(dǎo)體來(lái)制作的根本原因）。第12頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五間接帶隙半導(dǎo)體的重要性質(zhì)簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，從能帶圖譜可以看出，間接帶隙半導(dǎo)體中的電子在躍遷時(shí)K值會(huì)發(fā)生變化，這意味著電子躍遷前后在K空間的位置不一樣了，這樣會(huì)極大的幾率將能量釋放給晶格，轉(zhuǎn)化為聲子，變成熱能釋放掉。而直接帶隙中的電子躍遷前后只有能量變化，而無(wú)位置變化，于是便有更大的幾率將能量以光子的形式釋放出來(lái)。另一方面,對(duì)于間接躍遷型，導(dǎo)帶的電子需要?jiǎng)恿颗c價(jià)帶空穴復(fù)合。因此難以產(chǎn)生基于再結(jié)合的發(fā)光。想讓間接帶隙材料發(fā)光，可以采用摻雜引入發(fā)光體，將能量引入發(fā)光體使其發(fā)光（提高發(fā)光效率）。第13頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五半導(dǎo)體應(yīng)用

半導(dǎo)體器件光學(xué)窗口、透鏡等集成電路分立器件敏感元件能量轉(zhuǎn)換器件電子轉(zhuǎn)換器件電子電力器件激光管發(fā)光二級(jí)管晶體三極管晶體二極管Si集成電路混合集成電路

GaAs集成電路雙極型電路金屬氧化物半導(dǎo)體型電路雙極MOS電路第14頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五主要半導(dǎo)體器件所用材料及原理第15頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五展望微電子學(xué)、光電子學(xué)軍事應(yīng)用新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)、新現(xiàn)象第16頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五半導(dǎo)體發(fā)展趨勢(shì)硅在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)依然是主要元素化合物半導(dǎo)體材料在品種上、品質(zhì)上將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展，重點(diǎn)將是GaAs、InP、GaN等大直徑單晶制備技術(shù)及超精度晶片加工工藝將得到進(jìn)一步的發(fā)展低維結(jié)構(gòu)材料進(jìn)一步發(fā)展相關(guān)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展第17頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)15分，星期五半導(dǎo)體的發(fā)展歷史21世紀(jì)是信息技術(shù)的世紀(jì)，而半導(dǎo)體材料的發(fā)展則是推動(dòng)信息時(shí)代前進(jìn)的原動(dòng)力，作為現(xiàn)代高科技的核心，半導(dǎo)體材料的研究和新材料的開(kāi)發(fā)一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。從上世紀(jì)五十年代開(kāi)始，以硅(Si)材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料取代了笨重的電子管引發(fā)了以集成電路(IC)為核心的微電子領(lǐng)域的迅速發(fā)展。然而，由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場(chǎng)較低，Si在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用受到諸多限制，所以，以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導(dǎo)體材料開(kāi)始嶄露頭角，使半導(dǎo)體材料的應(yīng)用進(jìn)入光電子領(lǐng)域，尤其是在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面。它們?cè)诠馔ㄐ藕凸庑畔⑻幚淼阮I(lǐng)域起到了不可替代的作用，并由此帶來(lái)家用VCD、DVD和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展。第三代半導(dǎo)體材料的興起，是以氮化鎵(GaN)材料p型摻雜的突破為起點(diǎn)，以高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)和藍(lán)光激光器(LD)的研制成功為標(biāo)志，包括GaN、碳化硅(SiC)和氧化鋅(Zn0)等寬禁帶材料。具有強(qiáng)度大，耐高溫、耐缺陷、不易退化等優(yōu)點(diǎn)。第18頁(yè)，共20頁(yè)，2022