半导体物理学第一章课件

半导体物理学陈延湖半导体物理学陈延湖1§1.4本征半导体的导电机构空穴半导体导电机构在温度T=0K时，导带为空，价带为满带，半导体不导电导带价带空穴的特性和意义？§1.4本征半导体的导电机构空穴半导体导电机构在温度T=2半导体导电机构导带价带电子空穴当温度上升，由于半导体禁带宽度较窄（1eV左右），价带中部分电子被激发到导带中，发生本征激发，导致导带和价带均为不满带，导带中的电子和价带中的电子均可以参与导电。且价带中的电子导电效果用空穴来等效。半导体导电机构导带价带电子空穴当温度上升，由于半导体3半导体导电机构半导体的导电机构—电子和空穴同时参与导电：电子：是价电子脱离原子束缚后形成的准自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位半导体中能够导电的电子和空穴被称为载流子，半导体同金属的最大差异，正是由于这两种载流子的作用，使半导体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件。半导体导电机构半导体的导电机构—电子和空穴同时参与导电：半导4载流子载流子的不同特性：电子：带负电，在导带底具有正的有效质量空穴：带正电，在价带顶具有正的有效质量载流子载流子的不同特性：5空穴的特征—带正电荷设一个波矢为K的电子被本征激发，在价带顶留下了空穴A。右图表示，在外电场力f的作用下空穴A与其它价带中的电子一样，在k空间以相同的速率从带顶到带底运动。即空穴与对应空缺的k状态的电子的运动规律相同空穴的特征—带正电荷设一个波矢为K的电子被本征激发，在价带顶6空穴的特征—带正电荷因为价带有一个空态，在外力下存在电流。设为JJ=存在A空位的价带电子总电流设想以一个电子填充到空的k状态，该电子电流为填入这个电子后价带又被填满,总电流应为零表明当价带k状态空出时，价带电子的总电流，如同一个正电荷的粒子以k状态电子速度v（k）运动时所产生的电流，因而通常把空穴看做具有正电荷空穴的特征—带正电荷因为价带有一个空态，在外力下存在电流。设7空穴的特征—具有正的有效质量空穴与对应的空缺k状态的电子的运动规律相同k状态电子加速度：由于空穴具有正电荷，它的受力为：空穴加速度可表示为：由于空穴一般位于价带顶，在价带顶电子有效质量为负值，所以空穴的有效质量为正令即为空穴的有效质量也就是空穴的加速度空穴的特征—具有正的有效质量空穴与对应的空缺k状态的电子的运8空穴概念小结空穴带一个电子电量的正电荷空穴位于价带顶，有效质量是一个正常数，它与价带顶附近空态电子有效质量大小相等，符号相反空穴的运动速度就是价带顶附近空态电子运动速度空穴的浓度就是价带顶附近空态的浓度p空穴是一种假想粒子，它概括了未填满价带中大量电子对半导体导电电流的贡献空穴概念小结空穴带一个电子电量的正电荷9例题1证明：对于能带中的电子，k状态和-k状态的电子速度大小相等，方向相反，即v(k)=-v(-k),并解释下列两种情况下晶体总电流为零。①无外场力时的能带②有外场力时的满带电子解：对一维情况K状态电子的速度为：例题1证明：对于能带中的电子，k状态和-k状态的电子速度大小10则：所以：因电子占据某个状态的几率只与能量有关，而显然故电子占有K状态和-k状态的几率相同，即两种状态的电子数量相同又两个状态的电子运动速度大小相等方向相反，电子电流相互抵消，则电子总电流为0则：所以：因电子占据某个状态的几率只与能量有关，而显然故电子11例2通常，晶格势场对电子的作用力fl不容易测得，但可以通过它与外场力fe的关系得到。证明它们关系为：例2通常，晶格势场对电子的作用力fl不容易测得，但可12例3对与晶格常数为2.5x10-10m的一维晶格，当外加102v/m的电场和107v/m的电场时，分别计算电子自能带底到能带顶所用的时间。例3对与晶格常数为2.5x10-10m的一维晶格，当外加113代入数据当电场为102v/m时，t=8.3x10-8

s当电场为107v/m时，t=8.3x10-13

s代入数据当电场为102v/m时，t=8.3x10-8s14例4根据如图所示的能量曲线E(K)的形状试分析，（1）那个能带中，电子有效质量数值最小。（2）设Ⅰ，Ⅱ为满带，Ⅲ带为空带，若少量电子进入Ⅲ带，在Ⅱ带中产生同样数目的空穴，那么Ⅱ带中空穴的有效质量比Ⅲ带中电子的有效质量大，还是小？例4根据如图所示的能量曲线E(K)的形状试分析，15例5曲线A自由电子的E-K曲线，B为半