半导体物理学第一章2

第1章半导体中的电子状态1.1半导体的晶格结构和结合性质

1.2半导体中的电子状态和能带

1.3半导体中电子的运动有效质量

1.4本征半导体的导电机构空穴

1.5回旋共振

1.6硅和锗的能带结构

1.7Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构

1.8Ⅱ-Ⅵ族公合物半导体的能带结构

1.9SI1-xGex合金的能带

1.10宽禁带半导体材料

以上几节讨论了半导体能带的一些共同特征。不同的半导体，能带结构也不同。即E(k)~k关系不同。各向同性半导体，E(k)~k关系各向同性，能带结构简单，各向异性半导体，E(k)~k关系各向异性，能带结构较复杂。能带结构与电子有效质量密切相关，确定m*对了解能带结构有重要意义（对半导体主要研究导带底和价带顶的能带结构）。§1.5回旋共振（cyclotronresonance）确定m*的方法之一——回旋共振实验。测定有效质量，用来确定能带极值附近的能带结构。力的大小：力的方向：的右螺旋的反方向。（Lorentzforce）图1－21电子在磁场中受力§1.5回旋共振（cyclotronresonance）电子以速度进入恒磁场，受洛仑兹力：速度分解：平行的速度：垂直的速度：

上述两种运动的叠加，运动轨迹为沿方向的螺旋线。图1－21电子在磁场中受力为匀速直线运动；在垂直

的方向做圆周运动。在方向不受力螺旋线各向同性材料（各方向有效质量相同）是向心力，得回旋半径利用切线速度与回旋频率关系：

得回旋频率

实验方法：施加高频电场。当电场频率时，发生共振吸收（resonanceabsorbtion）一个共振吸收峰一个共振频率有一个有效质量各向同性材料量子力学解释：受激吸收电子在均匀磁场中形成量子化的朗道能级朗道能级间的跃迁回旋共振是高频电场引起带电粒子在磁场中产生的朗道能级间的跃迁讨论：固定磁场法：改变高频磁场频率，当时发生共振吸收，吸收峰的个数等于有效质量的个数；固定高频电场频率，及磁场的方向，改变B的大小，观察吸收峰。共振频率仍为,图固定磁场图固定电场频率具体进行测量时,往往是固定交变电磁场的频率,然后改变磁场B(大约为零点几特斯拉)来观察共振吸收现象。同时为了观察到明显的共振吸收峰,要求半导体样品比较纯净,而且一般是在低温下进行。为确保测量准确性，应用高纯样品，且低温环境。

样品纯度高，则减少了杂质对晶格势场的干扰（杂质散射）。低温（液He～4k）下，减少了晶格散射对电子运动轨迹的影响。有时用光照射样品，将电子激发到导带，提供较多的自由电子，有利于观察吸收峰。

只要测出吸收峰处的B值就可以确定

的值。

而且有几个

，就有几个吸收峰。

由知，必须有与B值相对应，共振时满足：第1章半导体中的电子状态1.1半导体的晶格结构和结合性质

1.2半导体中的电子状态和能带

1.3半导体中电子的运动有效质量

1.4本征半导体的导电机构空穴

1.5回旋共振

1.6硅和锗的能带结构

1.7Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构

1.8Ⅱ-Ⅵ族公合物半导体的能带结构

1.9SIGe合金的能带

1.10宽禁带半导体材料直接带隙半导体和间接带隙半导体Ec和Ev在布里渊区不同位置上，即k不同→间接带隙半导体若Ec和Ev在布里渊区相同位置上，即k相同→直接带隙半导体§1.6硅、锗的能带结构（导带和价带）图1-26Si、Ge的能带结构第1章半导体中的电子状态1.1半导体的晶格结构和结合性质

1.2半导体中的电子状态和能带

1.3半导体中电子的运动有效质量

1.4本征半导体的导电机构空穴

1.5回旋共振

1.6硅和锗的能带结构

1.7Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构

1.8Ⅱ-Ⅵ族公合物半导体的能带结构

1.9SIGe合金的能带

1.10宽禁带半导体材料§1.7III－V化合物半导体的能带结构化合物半导体——由几种元素化合而成的半导体化合物半导体的共同特征：频率特性好（迁移率较大）→利于制造高频器件工作温度高（Eg较大，但InSb，InAs，GaSb较小）→大功率器件抗辐射能力强→航天技术应用光电性能好（能带结构，GaAs两个导带极小值→光电器件、光电管、激光管等。）种类：§1.7III－V化合物半导体的能带结构III－V

族化合物半导体的“共同”特征：（目前研究和应用较多）晶体结构：闪锌矿结构。（两种原子的面心立方沿体对角线位移体对角线的1/4构成）能带结构：导带底大多位于k=0处（布里渊区中心），等能面为球面，各向同性；价带有三条，其中两条在k=0处重合（分为重空穴和轻空穴）第三条下移△；一般，平均原子序数较大的有效质量较小。例如，见下页表格。由①,②可知大多数III-V族化合物为直接带隙半导体（上面给出的例子中，GaP为间接带隙半导体）化合物原子序数有效质量备注InAs820.022m0有效质量小InSb1000.0135m0有效质量小GaSb820.049m0有效质量小AlSb640.39m0有效质量大GaP460.35m0有效质量大GaAs640.068m0特殊以上介绍了III-V族化合物的一些共同特征，下面主要介绍两种：1.7.1InSb的能带结构：导带极小值位于k=0处，极值附近等能面为球面，

Kane提出导带表达式：能量0点选在价带有三条，两条在k=0处简并，第三条处于低能状态

重空穴带轻空穴带分裂带p为参量图1－27InSb的能带结构1.7.2GaAs的能带结构导带极值在k=0处，k=0附近等能面为球面，电子有效质量各向同性，E(k)曲线的曲率大（曲率半径小），有效质量很小，为0.068m0；在[100]、[111]方向各有一个极小值，有效质量分别为0.85m0

、0.55m0

。两个导带极小值有效质量不同（0.068m0、0.55m0，高度相差0.29ev）→利于制作耿氏器件；价带有三条，两条在k=0处简并，第三条（讲义P29Fig1-26未画出）分裂能量△＝0.34v。图1-28GaAs的能带结构科技频道：凤凰网2012.12.9

乔布斯的死亡真相：工作性质导致接触致癌物乔布斯可能是电子行业因为职业缘故而接触致癌物质，导致高风险的癌症率，最著名的例子了。个人电脑中包含的金属有：铝、锑、砷、钡、铍、镉、铬、钴、铜、镓、金、铁、铅、锰、汞、钯、铂、硒、银和锌。GaAs乔布斯:苹果电脑创始人，患胰腺癌去世

最后指出：电子有效质量与温度有关，见下表：化合物Eg（ev）（300K）Eg(ev)（0K）InSb0.180.012（刘）0.0135Smith0.23~0.26Smith0.013GaAs1.430.068Smith1.5（刘）0.072InAs0.360.0240.40.025由此可见，温度低时，有效质量较大。解释：T下降，电子共有化运动程度变弱，能级分裂程度低（Eg增大）,能带变窄，有效质量增大。另外，Smith《半导体》中提到，温度T很高时，电子有效质量有增大的现象，例如InAs在500K时电子有效质量＝0.0575m0，此现象被认为是导带底附近在高温下被电子填满，测得的电子有效质量对应较高能级上的电子的有效质量，这于能带论的简单模型也是相符合的。1.7.3GaP、InP能带结构GaP：III-V族，闪锌矿结构，导带极值位于<100>方向，价带在k=0，间接带隙半导体，自旋轨道分裂第三价带△=0.13ev。InP：III-V族，闪锌矿结构，导带、价带极值在k=0，直接带隙半导体1.7.4混合晶体(混晶)能带结构IV族元素Si、Ge之间和许多III-V族化合物之间以及II-VI族化合物之间可形成连续固溶体－混合晶体。例如

的Eg随x变化，x=0~1，Eg=Eg(Ge)~Eg(Si)当x<0.53时，晶体为类GaAs，直接带隙半导体当x>0.53时，晶体为类GaP，间接带隙半导体二元合金带隙：Eg(AxB1-x)=xEg(A)+(1-x)Eg(B)

Eg随x变化，x=0~1，Eg=Eg(GaAs)~Eg(GaP)x=0.38~0.40时，Eg=1.84~1.94ev 四元：

作激光器，λ＝1.3～1.6μm

光纤通信多用λ＝1.5μm

常用光纤的频率适用范围有三个传输窗口。850nm、1310nm、1550nm是三个波长。

衰耗在0.6dB/KM、0.36dB/KM、0.20dB/KM。

1.8Ⅱ-Ⅵ族公合物半导体的能带结构1。Ⅱ-Ⅵ族半导体异质结构材料的特点及研究意义同以GaAs为代表的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料相比，以ZnSe和ZnO为代表的宽带Ⅱ-Ⅵ族半导体及其混晶具有带隙宽、直接带跃迁和能以任何比例组成混晶等优点，除此之外，Ⅱ-Ⅵ族半导体材料还具有较大的有效质量和较小的静态介电常数，具有较大的激子结合能，较小的激子半径，较小的抗磁能移，激子发光可延续到室温等特点，所以长期以来一直被认为是紫、蓝和绿色发光、激光以及在该波段响应的光学双稳和光学非线性应用的重要侯选材料。另外，由于目前GaAs是许多Ⅱ-Ⅵ族半导体外延生长的衬底，而ZnSe和GaAs的晶格失配仅为0.27%，非常适合集成光电子技术的需要。2。研究现状和发展预测ZnSe

材料80年代末90年代初的两项重大突破：

第一，ZnSe

的p掺杂的实现；第二，p-ZnSe的低阻欧姆接触的实现。

Ⅱ-Ⅵ族宽带半导体量子阱研究工作的主要进展：第一，获得了室温和连续工作的蓝/绿色半导体激光器；第二，获得室温和具有ns及ps量级响应的光双稳器件。目前国际上对于Ⅱ-Ⅵ族宽带半导体异质结构材料的研究的注意力已经转向ZnO薄膜及其低维结构材料的研究和Ⅱ-Ⅵ族量子点材料的研究。但传统Ⅱ-Ⅵ族宽带半导体异质结构材料，如ZnSe基量子阱材料的研究仍然显示出蓬勃的生命力，仍需进一步深入的工作。1.9SI1-xGex合金的能带晶格失配应变半导体应变Si技术第一章复习常见半导体的晶体结构有哪些类型？能带是怎样形成的？什么是有效质量？什么是空穴？什么是第一代、第二代、第三代半导体材料？（Si\GaAs\ZnO、SiC、GaN宽带半导体)举例说明什么是元素半导体、化合物半导体、三元混晶、四元混晶？什么是直接带隙半导体、间接带隙半导体？回旋共振实验能做什么？例1在等能面为球面的等能面中，运动的电子在磁场B作用下作回旋运动，其回旋频率与磁场B,电子有效质量有关设，试分别求出B=0.5和0.1韦伯/平米时的电子回旋频率。解答：∴当