高二物理竞赛本征半导体的导电机构电子、空穴课件

1、本征半导体的导电机构（电子、空穴）绝对温度为零时纯净半导体的价带被价电子填满，导带空一定温度下激发价带顶部附近电子到导带外电场导电价带成为不满带（导电作用）空穴1.空穴的电荷空穴和导电电子激发共价键上少一个电子而出现一个空状态晶格间隙出现一个导电电子电中性原理空状态电荷为＋qk空间空穴运动示意图k的变化率为空状态A移动到CJ＝价带（k状态空出）电子总电流设空状态出现在能带顶部A如何求电流BAZYXDCBZDAXDCBZYCXAY0E(k)价带又被填满，总电流为零价带k态空出时，价带电子总电流如同一个带正电荷的粒子以k状态电子速度运动所产生的电流可以很简便地描述价带（未填满）的电流假设一个电子填充到空的k状态，电流＝J＝价带（k状态空出）电子总电流求解J的值？（价带中的空状态看成是带正电的粒子——空穴）空穴k状态的变化与电子相同，同样满足对于空穴，，a似乎是负值？2.空穴的有效质量空穴A、B、C运动时，曲线斜率增加，空穴速度增加，加速度为正空状态在价带顶部附近，价带顶部附近电子的有效质量是负值空穴是正电荷＋q和正有效质量的粒子，速度等于k状态电子速度。导带电子和价带上空穴导电，即为本征半导体的导电机构。But，价带顶部附近电子的加速度为载流子1.k空间等能面——导带底或价带顶(1)等能球面一般情况下能带极值在k＝0处实际的三维晶体设导带底位于k=0，其能值为Ec(0)，则导带底附近球面等能面：等能面：当E(k)为某一定值时，(kx，ky，kz)构成一个封闭面，在这个面上的能值均相等，这个面称为等能面。理想情况下：(2)等能椭球面

设导带底位于k0，能量为E(k0)

，分别表示沿kx，ky，kz三个方向导带底电子的有效质量。

同理可得：

为一椭球方程

同理椭球等能面时：

分别为椭球等能面三个主轴方向上电子的有效质量

为B沿kx，ky，kz轴的方向余弦。对旋转椭球等能面情况坐标系的选取K空间的等能面

针对导带底的电子或价带顶的空穴常见的晶体各向同性，即电子/空穴可用统一的有效质量、来描述

等能面为球面各向异性晶体，不同方向（如(111)和(100)）有效质量不同等能面为椭球面2.回旋共振电子在恒定磁场中的运动(1)均匀恒定磁场电子沿磁场方向作匀速运动，在垂直B的平面内作匀速圆周运动等能面为球面磁场作用下电子运动轨迹在垂直B的平面内加上一个高频电场，当频率等于回旋频率时，高频电场的能量将被电子共振吸收，这称为回旋共振。通过上式求出有效质量。回旋共振吸收示意图实际实验中，比较方便是改变B的大小（即），当回旋频率与外电场频率相等时，发生强烈的共振吸收，由吸收峰对应的B值和高频电场的频率就可得到有效质量。为了得到清晰的共振吸收峰，必须减少散射，使得两次散射间的自由时间内能够多回旋几圈（远大于1），要求高纯样品且温度低（液氮），使得自由时间足够大。w1.锗和硅的能带结构Ge：导带最低能值位于[111]方向布里渊区边界上，共有8个等价点每一个等价点在简约布里渊区只有半个能谷，共有4个等价谷，在k=0和

<100>方向还有较高的能谷。Si：导带极小值在k空间[100]方向，但不在布里渊区的边界而在布里渊区中心到边界距离的0.85倍处，共有6个等价的能谷。

Ge,Si的导带具有多能谷结构Ge和Si的价带极大值均位于布里渊区的中心（k=0），价带中空穴主要分布在极大值附近，对应同一k值，E(k)可以有两个值，k=0处，能量重合，表明存在有效质量不同的空穴。

曲率小→有效质量大→重空穴→(mp)h

曲率大→有效质量小→轻空穴→(mp)l(1)导带(2)价带Eg(T)=Eg(0)+βT

大多数半导体禁带宽度随T↑而↓

Eg(0)：T=0K时禁带宽度，（一般小于0）

(3)(4)间接带隙半导体像Si，Ge一样半导体，其导带底和价带顶在k空间处于不同的k值。2.砷化镓能带结构（研究和应用较多）极小值k=0处，等能面为球面

=0.067m0价带中心简并砷化镓的能带结构重空穴带V1，轻空穴带V2自旋轨道耦合(1)导带(2)价带Si是间接带隙半导体，GaAs是直接带隙半导体能带中最关键的是导带底和价带顶

导带Conductionband价带ValencebandEg3.宽禁带半导体材料（禁带宽度≥2.3eV）SiC

金刚石

Ⅱ族氧化合物

Ⅱ族硫化合物

Ⅱ族硒化合物

Ⅲ族氮化合物上述材料的合金重点：SiC，GaN及III族氮化合物

特点：禁带宽度大、热导率高、介电常数低、电子漂移饱和速度高，适合于制作高频、高功率、高温、抗辐射和高密度集成的电子器件；制作蓝光、绿光、紫外光发光器和光探测器。作业单胞与原胞的定义、区别。