直接和間接帶隙半導(dǎo)體.pptVIP

直接和間接帶隙半導(dǎo)體,主要內(nèi)容,半導(dǎo)體定義及其性質(zhì) 什么是帶隙 直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體的性質(zhì)、區(qū)別 半導(dǎo)體的應(yīng)用 半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢,什么是半導(dǎo)體,半導(dǎo)體：電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體,換句話說半導(dǎo)體是導(dǎo)電性可受控制，范圍可從絕緣體至導(dǎo)體之間的材料。 常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅更是各種半導(dǎo)體材料中，在商業(yè)應(yīng)用上最具有影響力的一種。,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性,材料的導(dǎo)電性是由“導(dǎo)帶”（conduction band）中含有的電子數(shù)量決定。當(dāng)電子從“價帶”（valence band）獲得能量而跳躍至“導(dǎo)帶”時，電子就可以在帶間任意移動而導(dǎo)電。 常見的金屬材料其導(dǎo)電帶與價電帶之間的“能量間隙”非常小，在室溫下電子很容易獲得能量而跳躍至導(dǎo)電帶而導(dǎo)電，而絕緣材料則因為能隙很大（通常大于9電子伏特），電子很難跳躍至導(dǎo)電帶，所以無法導(dǎo)電。 一般半導(dǎo)體材料的能隙約為1至3電子伏特，介于導(dǎo)體和絕緣體之間。因此只要給予適當(dāng)條件的能量激發(fā)，或是改變其能隙之間距，此材料就能導(dǎo)電。,半導(dǎo)體的能帶分布結(jié)構(gòu),根據(jù)能帶理論，電子主要分布在滿價帶，當(dāng)半導(dǎo)體受到溫度影響時，滿價帶的電子會被激發(fā)到導(dǎo)帶上，在價帶上留下空軌道，這些空軌道就是空穴。溫度越高，電子被激發(fā)到空導(dǎo)帶的概率越大。導(dǎo)帶上的電子和價帶上的空穴決定了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。,什么是帶隙？,帶隙就是導(dǎo)帶的最低點和價帶的最高點的能量之差（Eg）,本征光的吸收,半導(dǎo)體吸收光子使電子由價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對的過程就叫本征光吸收。 光子能量滿足的條件是： 準(zhǔn)動量守恒條件是：,兩種躍遷方式,1.豎直躍遷（直接光吸收過程） 對應(yīng)于導(dǎo)帶底和價帶頂在k空間相同點的情況,躍遷需滿足準(zhǔn)動量守恒 光子的波矢 2/ 104cm-1 價帶頂部電子的波矢2/a108cm-1 因此可以忽略光子動量， 在此次躍遷中，電子的波矢可以看作是不變的。我們稱之為豎直躍遷，這種半導(dǎo)體我們稱之為直接帶隙半導(dǎo)體。,能量守恒：,2.非豎直躍遷（間接光吸收過程） 對應(yīng)于導(dǎo)帶邊和價帶邊在k空間不同點的情況,由上圖可以看出，單純吸收光子從價帶頂躍遷到導(dǎo)帶底，電子在吸收光子的同時伴隨著吸收或者發(fā)出一個聲子。 滿足能量守恒： 聲子的能量 ,可忽略不計，所以 準(zhǔn)動量守恒： 聲子的準(zhǔn)動量和電子的準(zhǔn)動量數(shù)量相仿，同樣的，不計光子的動量，我們有 即光子提供電子躍遷所需的能量，聲子提供躍遷所需要的動量,直接帶隙半導(dǎo)體（Direct gap semiconductor）,導(dǎo)帶邊和價帶邊處于k空間相同點的半導(dǎo)體通常被稱為直接帶隙半導(dǎo)體。電子要躍遷到導(dǎo)帶上產(chǎn)生導(dǎo)電的電子和空穴（形成半滿能帶）只需要吸收能量。 直接帶隙半導(dǎo)體的例子：GaAs、InP、InSb等。,間接帶隙半導(dǎo)體,導(dǎo)帶邊和價帶邊處于k空間不同點的半導(dǎo)體通常被稱為間接帶隙半導(dǎo)體。形成半滿能帶不只需要吸收能量，還要改變動量。 間接帶隙半導(dǎo)體：Ge,Si等 在間接帶隙半導(dǎo)體中發(fā)生的非豎直躍遷是一個二級過程，發(fā)生的幾率比豎直躍遷要小得多,Indirect gap semiconductor,In English？,直接帶隙半導(dǎo)體的重要性質(zhì),直接帶隙半導(dǎo)體的重要性質(zhì)：當(dāng)價帶電子往導(dǎo)帶躍遷時，電子波矢不變，在能帶圖上即是豎直地躍遷，這就意味著電子在躍遷過程中，動量可保持不變滿足動量守恒定律。相反，如果導(dǎo)帶電子下落到價帶（即電子與空穴復(fù)合）時，也可以保持動量不變直接復(fù)合，即電子與空穴只要一相遇就會發(fā)生復(fù)合（不需要聲子來接受或提供動量）。因此，直接帶隙半導(dǎo)體中載流子的壽命必將很短；同時，這種直接復(fù)合可以把能量幾乎全部以光的形式放出（因為沒有聲子參與，故也沒有把能量交給晶體原子）發(fā)光效率高（這也就是為什么發(fā)光器件多半采用直接帶隙半導(dǎo)體來制作的根本原因）。,間接帶隙半導(dǎo)體的重要性質(zhì),簡單點說，從能帶圖譜可以看出，間接帶隙半導(dǎo)體中的電子在躍遷時K值會發(fā)生變化，這意味著電子躍遷前后在K空間的位置不一樣了，這樣會極大的幾率將能量釋放給晶格，轉(zhuǎn)化為聲子，變成熱能釋放掉。而直接帶隙中的電子躍遷前后只有能量變化，而無位置變化，于是便有更大的幾率將能量以光子的形式釋放出來。另一方面,對于間接躍遷型，導(dǎo)帶的電子需要動量與價帶空穴復(fù)合。因此難以產(chǎn)生基于再結(jié)合的發(fā)光。想讓間接帶隙材料發(fā)光，可以采用摻雜引入發(fā)光體，將能量引入發(fā)光體使其發(fā)光（提高發(fā)光效率）。,半導(dǎo)體應(yīng)用,半導(dǎo)體器件,光學(xué)窗口、透鏡等,集成電路,分立器件,敏感元件,能量轉(zhuǎn)換器件,電子轉(zhuǎn)換器件,電子電力器件,激光管,發(fā)光二級管,晶體三極管,晶體二極管,Si集成電路,混合集成電路,GaAs集 成 電 路,雙極型電路,金屬氧化物半導(dǎo)體型電路,雙極MOS電路,主要半導(dǎo)體器件所用材料及原理,展望,微電子學(xué)、光電子學(xué) 軍事應(yīng)用 新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)、新現(xiàn)象,半導(dǎo)體發(fā)展趨勢,硅在可預(yù)見的將來依然是主要元素 化合物半導(dǎo)體材料在品種上、品質(zhì)上將會得到進一步的發(fā)展，重點將是GaAs、InP、GaN等 大直徑單晶制備技術(shù)及超精度晶片加工工藝將得到進一步的發(fā)展 低維結(jié)構(gòu)材料進一步發(fā)展 相關(guān)檢測技術(shù)發(fā)展,半導(dǎo)體的發(fā)展歷史,21世紀(jì)是信息技術(shù)的世紀(jì)，而半導(dǎo)體材料的發(fā)展則是推動信息時代前進的原動力，作為現(xiàn)代高科技的核心，半導(dǎo)體材料的研究和新材料的開發(fā)一直是人們關(guān)注的重點。 從上世紀(jì)五十年代開始，以硅(Si)材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料取代了笨重的電子管引發(fā)了以集成電路(IC)為核心的微電子領(lǐng)域的迅速發(fā)展。然而，由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低，Si在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用受到諸多限制，所以，以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭角，使半導(dǎo)體材料的應(yīng)用進入光電子領(lǐng)域，尤其是在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面。它們在光通信和光信息處理等領(lǐng)域起到了不可替代的作用，并由此帶來家用VCD、DVD和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展。 第三代半導(dǎo)體材料的興起，是以氮化鎵(GaN)材料p型摻雜的突破為起點，以高亮度藍光發(fā)光二極管(LED)和藍光激光器(LD)的研制成功為標(biāo)志，