2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：晶體的能帶

晶體的能帶

晶體的能帶Eg隨x的變化關(guān)系IV族元素Si、Ge可以形成連續(xù)固溶體,構(gòu)成混合晶體，其能帶結(jié)構(gòu)隨合金成分的變化而變化。寫為Si1-xGex(0≤x≤1)，x稱為混晶比(或固相組分).在0≤x≤0.85時(shí)，其能帶結(jié)構(gòu)與Si類似；0.85≤x≤1時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)與Ge類似。因?yàn)楫?dāng)Si含量小時(shí)，<111>能谷為導(dǎo)帶底;隨著Si含量的增大，<111>導(dǎo)帶極值和<100>導(dǎo)帶極值以不同速率相對(duì)價(jià)帶頂上移，<111>極值上升較快，在x＝0.85時(shí)，兩種能谷達(dá)到同一水平，在Si含量大于0.15后，<100>能谷代替<111>能谷為導(dǎo)帶底，能帶變?yōu)轭惞栊偷摹Ｎ?、III－V族化合物半導(dǎo)體的能帶：1、GaAs1-xPx2、Ga1-xInxAsyP1-yGaAsP的Eg與組分的關(guān)系GaPGaAsInPInAsGaInAsP的Eg與組分的關(guān)系實(shí)線為等帶隙線，虛線為等晶格常數(shù)線。陰影表示該組分內(nèi)材料為間接帶隙半導(dǎo)體虛線表示間接帶隙半導(dǎo)體1.82.02.22.42.62.83.01234567Bandgapenergy(eV)Bondlength

(?)AlNGaNMgSMgSeZnSInNZnSeCdTeInPGaAsZnOAlPGaPAlAsDirectbandgapIndirectbandgapGroupIII-nitrides:coveringthewavelengthregionfromUV

to

IRInN-GaN-AlNsystemcoversawiderangeofspectrumAlInGaN體系的能帶結(jié)構(gòu)，在自然界材料體系中是空前絕后的能帶間隙全部是直接帶隙，從深紫外到遠(yuǎn)紅外上堂課回顧：B

Si、Ge和GaAs的能帶結(jié)構(gòu)：Si的導(dǎo)帶：極小值在[100]方向上，6個(gè)能谷，等能面為旋轉(zhuǎn)橢球；Ge的導(dǎo)帶：極小值在[111]方向的BZ邊界上，4個(gè)能谷，等能面為旋轉(zhuǎn)橢球；Si和Ge的價(jià)帶：極大值在BZ中心(k=0處)，3個(gè)能帶，重空穴帶，輕空穴帶，自旋－軌道耦合劈裂帶;Si和Ge：導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值在k空間不同點(diǎn)間接帶隙半導(dǎo)體；GaAs的導(dǎo)帶和價(jià)帶：導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值皆在BZ中心，等能面為球面。直接帶隙半導(dǎo)體B化合物半導(dǎo)體：

二元合金，如GaAs三元合金，如GaAs1-xPx

四元合金，如Ga1-xInxAsyP1-y另一種表述方法：

受主雜質(zhì)電離過程

中性受主＝帶負(fù)電的受主離子＋空穴空穴激發(fā)到價(jià)帶，失去空穴雜質(zhì)電離思考題：p61圖3.20(b)受主能級(jí)雜質(zhì)補(bǔ)償：

(impuritycompensation)如果半導(dǎo)體中同時(shí)含有施主和受主雜質(zhì)，由于受主能級(jí)比施主能級(jí)低得多，受主雜質(zhì)也要首先接受來自施主雜質(zhì)的電子，剩余的受主雜質(zhì)才能接受來自價(jià)帶的電子。施主和受主雜質(zhì)之間這種互相抵消的作用，稱為雜質(zhì)補(bǔ)償。在這種情況下，半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型由濃度大的雜質(zhì)來決定。施主濃度大于受主濃度時(shí)，半導(dǎo)體是N型；反之則為P型。

二、III－V族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)在Ⅳ族元素半導(dǎo)體中，取代Ⅳ族原子占據(jù)晶格位置的Ⅴ族原子成為施主雜質(zhì)，而Ⅲ族原子卻成為受主雜質(zhì)。這個(gè)結(jié)果說明，在半導(dǎo)體中，雜質(zhì)原子的價(jià)電子數(shù)與晶格原子的價(jià)電子數(shù)之間的關(guān)系，是決定雜質(zhì)行為的一個(gè)重要因素。則可知，在Ⅲ—Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中，取代晶格中Ⅴ族原子的Ⅵ族原子(如Se、Te)，是施主雜質(zhì)；取代Ⅲ族原子的Ⅱ族原子(如Zn、Mg、Cd)，是受主雜質(zhì)。兩性雜質(zhì)：IV族原子(如Si、Ge)在III－V族半導(dǎo)體中為兩性雜質(zhì)。若取代III族原子，是施主雜質(zhì)；若取代V族原子，是受主雜質(zhì)，這種雜質(zhì)稱為兩性雜質(zhì)。具體行為與雜質(zhì)濃度和外部條件有關(guān)：如GaAs:Si，Si濃度<1018cm-3時(shí),Si基本只取代Ga施主;Si濃度>1018cm-3時(shí)，部分Si取代As受主,補(bǔ)償SiGa施主.等電子雜質(zhì)和等電子陷阱：當(dāng)雜質(zhì)原子和晶格原子的價(jià)電子數(shù)相等時(shí)，雜質(zhì)通常稱為等電子雜質(zhì)。等電子雜質(zhì)替代相同價(jià)電子數(shù)的晶格原子(組分原子)后，由于其負(fù)電性不同，可以束縛電子。由等電子雜質(zhì)形成的陷阱稱為等電子陷阱。應(yīng)用：如GaP:NLEDN與P同為V族元素，N比P的原子序數(shù)小，而負(fù)電性大，則可形成等電子陷阱。深能級(jí)

硅或鍺中的Ⅲ族和Ⅴ族雜質(zhì)，Ⅲ—Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中的ⅡB族和Ⅵ族雜質(zhì)，都在禁帶中引入淺能級(jí)，實(shí)際上，在半導(dǎo)體中還存在另一類雜質(zhì)：它們的能級(jí)在禁帶中心附近，常稱這樣的能級(jí)為深能級(jí)。深能級(jí)雜質(zhì)的特點(diǎn)：①電離能大，對(duì)熱平衡中的載流子濃度無顯著影響