半導體物理學第一章課件

半導體物理學陳延湖半導體物理學陳延湖1§1.4本征半導體的導電機構(gòu)空穴半導體導電機構(gòu)在溫度T=0K時，導帶為空，價帶為滿帶，半導體不導電導帶價帶空穴的特性和意義？§1.4本征半導體的導電機構(gòu)空穴半導體導電機構(gòu)在溫度T=2半導體導電機構(gòu)導帶價帶電子空穴當溫度上升，由于半導體禁帶寬度較窄（1eV左右），價帶中部分電子被激發(fā)到導帶中，發(fā)生本征激發(fā)，導致導帶和價帶均為不滿帶，導帶中的電子和價帶中的電子均可以參與導電。且價帶中的電子導電效果用空穴來等效。半導體導電機構(gòu)導帶價帶電子空穴當溫度上升，由于半導體3半導體導電機構(gòu)半導體的導電機構(gòu)—電子和空穴同時參與導電：電子：是價電子脫離原子束縛后形成的準自由電子，對應于導帶中占據(jù)的電子空穴：是價電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對應于價帶中的電子空位半導體中能夠?qū)щ姷碾娮雍涂昭ū环Q為載流子，半導體同金屬的最大差異，正是由于這兩種載流子的作用，使半導體表現(xiàn)出許多奇異的特性，可用來制造形形色色的器件。半導體導電機構(gòu)半導體的導電機構(gòu)—電子和空穴同時參與導電：半導4載流子載流子的不同特性：電子：帶負電，在導帶底具有正的有效質(zhì)量空穴：帶正電，在價帶頂具有正的有效質(zhì)量載流子載流子的不同特性：5空穴的特征—帶正電荷設一個波矢為K的電子被本征激發(fā)，在價帶頂留下了空穴A。右圖表示，在外電場力f的作用下空穴A與其它價帶中的電子一樣，在k空間以相同的速率從帶頂?shù)綆У走\動。即空穴與對應空缺的k狀態(tài)的電子的運動規(guī)律相同空穴的特征—帶正電荷設一個波矢為K的電子被本征激發(fā)，在價帶頂6空穴的特征—帶正電荷因為價帶有一個空態(tài)，在外力下存在電流。設為JJ=存在A空位的價帶電子總電流設想以一個電子填充到空的k狀態(tài)，該電子電流為填入這個電子后價帶又被填滿,總電流應為零表明當價帶k狀態(tài)空出時，價帶電子的總電流，如同一個正電荷的粒子以k狀態(tài)電子速度v（k）運動時所產(chǎn)生的電流，因而通常把空穴看做具有正電荷空穴的特征—帶正電荷因為價帶有一個空態(tài)，在外力下存在電流。設7空穴的特征—具有正的有效質(zhì)量空穴與對應的空缺k狀態(tài)的電子的運動規(guī)律相同k狀態(tài)電子加速度：由于空穴具有正電荷，它的受力為：空穴加速度可表示為：由于空穴一般位于價帶頂，在價帶頂電子有效質(zhì)量為負值，所以空穴的有效質(zhì)量為正令即為空穴的有效質(zhì)量也就是空穴的加速度空穴的特征—具有正的有效質(zhì)量空穴與對應的空缺k狀態(tài)的電子的運8空穴概念小結(jié)空穴帶一個電子電量的正電荷空穴位于價帶頂，有效質(zhì)量是一個正常數(shù)，它與價帶頂附近空態(tài)電子有效質(zhì)量大小相等，符號相反空穴的運動速度就是價帶頂附近空態(tài)電子運動速度空穴的濃度就是價帶頂附近空態(tài)的濃度p空穴是一種假想粒子，它概括了未填滿價帶中大量電子對半導體導電電流的貢獻空穴概念小結(jié)空穴帶一個電子電量的正電荷9例題1證明：對于能帶中的電子，k狀態(tài)和-k狀態(tài)的電子速度大小相等，方向相反，即v(k)=-v(-k),并解釋下列兩種情況下晶體總電流為零。①無外場力時的能帶②有外場力時的滿帶電子解：對一維情況K狀態(tài)電子的速度為：例題1證明：對于能帶中的電子，k狀態(tài)和-k狀態(tài)的電子速度大小10則：所以：因電子占據(jù)某個狀態(tài)的幾率只與能量有關，而顯然故電子占有K狀態(tài)和-k狀態(tài)的幾率相同，即兩種狀態(tài)的電子數(shù)量相同又兩個狀態(tài)的電子運動速度大小相等方向相反，電子電流相互抵消，則電子總電流為0則：所以：因電子占據(jù)某個狀態(tài)的幾率只與能量有關，而顯然故電子11例2通常，晶格勢場對電子的作用力fl不容易測得，但可以通過它與外場力fe的關系得到。證明它們關系為：例2通常，晶格勢場對電子的作用力fl不容易測得，但可12例3對與晶格常數(shù)為2.5x10-10m的一維晶格，當外加102v/m的電場和107v/m的電場時，分別計算電子自能帶底到能帶頂所用的時間。例3對與晶格常數(shù)為2.5x10-10m的一維晶格，當外加113代入數(shù)據(jù)當電場為102v/m時，t=8.3x10-8

s當電場為107v/m時，t=8.3x10-13

s代入數(shù)據(jù)當電場為102v/m時，t=8.3x10-8s14例4根據(jù)如圖所示的能量曲線E(K)的形狀試分析，（1）那個能帶中，電子有效質(zhì)量數(shù)值最小。（2）設Ⅰ，Ⅱ為滿帶，Ⅲ帶為空帶，若少量電子進入Ⅲ帶，在Ⅱ帶中產(chǎn)生同樣數(shù)目的空穴，那么Ⅱ帶中空穴的有效質(zhì)量比Ⅲ帶中電子的有效質(zhì)量大，還是??？例4根據(jù)如圖所示的能量曲線E(K)的形狀試分析，15例5曲線A自由電子的E-K曲線，B為半