半导体物理课件硅和锗的能带结构

1.6硅和锗的能带结构一、导带结构Si的导带底在△轴[100]上，与Γ点相距约为Γ点与Χ点距离的0.85处，共有6个等效能谷，等能面是以△轴为旋转轴的旋转椭球面。Ge

的导带底在Λ轴[111]上的L点，在简约布里渊区，有8个半球，共计4个整球，等能面是以Λ轴为旋转轴的旋转椭球面。二、价带结构Si、Ge的价带顶都位于Γ点，等能面是扭曲的球面。通常我们仍可将它们近似为一个球形。Si、Ge

的价带顶是简并的，k=0,布里渊区中心，能带是三度简并的。若考虑自旋－轨道耦合，消除部分简并。一般只考虑价带顶附近两只简并带。由于两个简并的价带的曲率不同，所以有效质量亦不同，有效质量小的称之为轻空穴mpl*，有效质量大的称为重空穴mph*.重空穴带的各向异性比轻空穴带更明显。硅和锗的禁带宽度随温度变化Eg(T)=Eg(0)–αT2/(T+β)硅：α=4.73×10-4eV/K;β=636K锗：α=4.774×10-4eV/K;β=235K

三、

Gel-xSix

混合晶体的能带Si、Ge都是间接带隙材料，Gel-xSix

的禁带宽度随成分x的变化如图所示：原因：随成分x

增大，Λ轴导带极值与△

轴导带极值以不同速率相对价带顶上升，Λ轴导带极小值上升较快，造成转折。能带结构由类锗转变为类硅型。1.7化合物半导体的能带结构砷化镓的能带结构GaAs的导带底位于Γ点，其导带底附近的等能面是球形的，其价带在Γ点简并，具有一个重空穴带和一个轻空穴带；1.III-V族化合物半导体GaAs

的导带在Λ轴上L点，还存在一个能谷，此能谷与带底能量差为0.29eV，在强场的作用下，电子能量较高时，可能会占据到此能谷的能级上，产生所谓电子转移效应。由于L谷的能带曲率小，故有效质量比导带底要大很多，电子转移L谷后，在电场中的运动速度要下降。这将导致高场下，负微分电导现象.锑化铟的能带结构导带极小值在k=0处,球形等能面,mn*=0.0135m0

非抛物线型

价带包含三个能带：重空穴带V1

轻空穴带V2

能带V3（L-S耦合）20K时

轻空穴有效质量

0.016m0沿[111]0.44m0沿[110]0.42m0沿[100]0.32m0重空穴有效质量价带顶在k=0III-V族能带结构的主要特征价带在布里渊区中心简并，一重空穴带、轻空穴带及第三个能带（L－S）价带极大值稍偏离布里渊区中心导带极小值在[100]、[111]方向和布里渊区中心

平均原子序数高的化合物，导带电子的有效质量小。

重空穴有效质量相差很少

原子序数较高的化合物，禁带宽度较窄III－V族混合晶体的能带结构GaAs1-xPx的Eg与组分的关系连续固溶体混合晶体能带结构随成分的变化而连续变化Ga1-xInxP1-yAsy的禁带宽度随x、y的变化Al1-xGaxAs1-ySby的禁带宽度随x、y的变化间接带隙混合晶体的Eg

随组分变化的特性

发光器件

GaAs1-xPx

发光二极管

x=0.38~0.40时，Eg=1.84~1.94eV

电－空复合发出640

~680nm红光

激光器件

Ga1-xInxP1-yAsy

长波长激光器调节x、y组分可获得1.3~1.6m红外光2.II－VI族化合物半导体的能带结构二元化合物的能带结构导带极小值和价带极大值位于k=0价带包含三个能带：重空穴带V1

轻空穴带V2

能带V3（L-S耦合）

禁带宽度较宽碲化镉的能带室温下，Eg

~1.50eV8碲化汞的能带Eg极小且为负值室温下，Eg

~－0.15eV半金属或零带隙材料8混合晶体的能带结构半导体＋半金属，如Hg1-xCdxTe的能带结构由半金属向半导体过渡x0.14x~0.14x~0.2Hg1-xCdxTe能带随x变化示意图Hg1-xCdxTe的Eg

随x的变化远红外探测器5.宽禁带半导体材料（Eg2.3）的能带SiC、金刚石、II族氧化物、II族硫化物、II族硒化物、III氮化物及其合金

高频、高功率、高温、抗辐射和高密度集成的电子器件

蓝光、绿光、紫外光的发光器件和光探测器件

直接带隙与间接带隙导带的最小极值与价带的最高极值都位于空间同一点(一般并不要求都在Γ点)的半导体称为直接带隙半导体(直接禁带半导体)，如GaAs等大部分化合物半导体；象Si,Ge半导体能带，其导带底与价带顶位于空间不同点，具这种类型的半导体为间接带隙半导体(间接禁带半导体)。

间接带隙半导体与直接带隙半导体在发光和光吸收方面有着很大的不同。理论上可以证明，电子吸收光子自价带状态跃进到导带状态时，除了必须满足能量守恒外，还必须符合准动量守恒的选样定则。这样，由于光子动量很小，对于间接带隙的半导体，必须在吸收光子的同时，伴随有吸收或发射一个声子，以满足准动量守恒。于是，与直接带隙相比，间接带隙半导体的光吸收或发射是一个二级过程，发生的几率要小得多。当AC，BC两种晶体，一个是直接