《固体物理 Solid State Physics》课程讲义：第五章 半导体 Semiconductor Semiconductor

第五章半导体 Semiconductor

第五章 半导体 Semiconductor Semiconductor

50引言 主要内容 半导体载流子的有效质量 杂质半导体 热平衡载流子分布 n半导体的光吸收 半导体界面特性 典型半导体材料的能带结构 学习提示 以下问题是难点,须认真学习和体会 有效质量的物理意义 n杂质对半导体费米能级及导电性的影响 半导体界面特性

5.0 引言 ￾ 半导体载流子的有效质量 ￾ 杂质半导体 ￾ 热平衡载流子分布 ￾ 半导体的光吸收 ￾ 半导体界面特性 ￾ 典型半导体材料的能带结构 主要内容 学习提示 以下问题是难点，须认真学习和体会 ￾ 有效质量的物理意义 ￾ 杂质对半导体费米能级及导电性的影响 ￾ 半导体界面特性

5.1典型的半导体能带结构 金钢石结构和面心立方晶体的第一布里渊区示意图 Si的能带结构

金钢石结构和面心立方晶体的第一布里渊区示意图 5.1 典型的半导体能带结构 典型的半导体能带结构 Si的能带结构

5.1典型的半导体能带结构 理想半导体的能带结构 导带边 导带边 价带边 价带边 (b) 直接带隙半导体(a)和间接带隙半导体(b)能带示意图

直接带隙半导体 (a) 和间接带隙半导体 (b) 能带示意图 （a） （b） 5.1 典型的半导体能带结构 典型的半导体能带结构 理想半导体的能带结构

52电子的有效质量 一维情况 8 dk F=方 dk dk d e dk 1 d a F dt dadt dk dt h2 d%k 11d2E m h'dk 价带顶附近的有效质量量为负 导带底附近的有效质量为正 为了克服价劳顶电子有效质量负值的难,引入价带顶空穴的概念

dk d dk d vg ω −1 ε = = h 一维情况： F d k d dt dk d k d dkdt d dt dvg ) 1 ( 22 2 2 2 1 2 1 ε ε ε h = h = h = − − dt dk F = h 2 2 2 1 * 1 dk d m ε h = •价带顶附近的有效质量量为负 •导带底附近的有效质量为正 5.2电子的有效质量 电子的有效质量 为了克服价带顶电子有效质量负值的困难，引入价带顶空穴的概念

52电子的有效质量 三维情况: OE E OE ak- ak ak akak F OEOE 8E F E n akak. ak ak, ak E)mu*h dk, k OE OE OE ak ak ak ak ak2 de e 8E ak- ak ak akak I OEOE OE n ak ak. ak ak, ak OE OE OE akak. akak. ak

三维情况： μν μ ν ε dk dk d m 2 2 1 * 1 h = 5.2电子的有效质量 电子的有效质量 * 1 m =

53半导体的掺杂 施主掺杂 五价P提供的多余电子状态 Sisi sill si 束缚在P+周围形成弱的束缚态 if 参与价电子公有化,成为非局 域化电子 如何处理这个束缚恋 束缚态能级与能带之问的关系 Si中掺P后的共价网络示意图

Si中掺P后的共价网络示意图 5.3半导体的掺杂 五价P提供的多余电子状态 u 束缚在P+周围形成弱的束缚态 u 参与价电子公有化，成为非局 域化电子 u u 如何处理这个束缚态 u u 束缚态能级与能带之间的关系 一、施主掺杂

53半导体的掺杂 施主掺杂 束缚态能级的类氢原子处理 氢氢原子的位能函数为() 兀Er E 原 子 能级为 导带 l,2,3 施主 为了表达屏蔽作用,对势函数进行修正: Pe合e-合合能级 AE 满带 束缚态能级: m Ec-Er 8r

2 0 2 4 r e V r D πε ε = − e r e C D E m m E E ε 0 * − = 2 0 n E EH =－ n=1, 2, 3,… 氢原子的位能函数为 2 2 0 ( ) 4 H e V r πε r = − 能级为 5.3半导体的掺杂 一、施主掺杂 束缚态能级的类氢原子处理 氢 原 子 为了表达屏蔽作用，对势函数进行修正： 束缚态能级：

53半导体的掺杂 施主掺杂 E电子从施主 · 不不 E能级跃迂至 导带底部留 下的电离施 王 施主能级和施主电离示意图

电子从施主 能级跃迁至 导带底部留 下的电离施 主 施主能级和施主电离示意图 5.3半导体的掺杂 一、施主掺杂

53半导体的掺杂 受主掺杂 Sill si sill Si 利用类氢原子模型可以得到 E △E,=E,-E h10 Si中掺B后的共价键网络示意图

Si中掺B后的共价键网络示意图 5.3半导体的掺杂 一、受主掺杂 e r h A A V E m m E E E ε 0 * Δ = − = 利用类氢原子模型可以得到