半導體物理學第一章2

第1章半導體中的電子狀態(tài)1.1半導體的晶格結構和結合性質

1.2半導體中的電子狀態(tài)和能帶

1.3半導體中電子的運動有效質量

1.4本征半導體的導電機構空穴

1.5回旋共振

1.6硅和鍺的能帶結構

1.7Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的能帶結構

1.8Ⅱ-Ⅵ族公合物半導體的能帶結構

1.9SI1-xGex合金的能帶

1.10寬禁帶半導體材料

以上幾節(jié)討論了半導體能帶的一些共同特征。不同的半導體，能帶結構也不同。即E(k)~k關系不同。各向同性半導體，E(k)~k關系各向同性，能帶結構簡單，各向異性半導體，E(k)~k關系各向異性，能帶結構較復雜。能帶結構與電子有效質量密切相關，確定m*對了解能帶結構有重要意義（對半導體主要研究導帶底和價帶頂?shù)哪軒ЫY構）。§1.5回旋共振（cyclotronresonance）確定m*的方法之一——回旋共振實驗。測定有效質量，用來確定能帶極值附近的能帶結構。力的大?。毫Φ姆较颍旱挠衣菪姆捶较?。（Lorentzforce）圖1－21電子在磁場中受力§1.5回旋共振（cyclotronresonance）電子以速度進入恒磁場，受洛侖茲力：速度分解：平行的速度：垂直的速度：

上述兩種運動的疊加，運動軌跡為沿方向的螺旋線。圖1－21電子在磁場中受力為勻速直線運動；在垂直

的方向做圓周運動。在方向不受力螺旋線各向同性材料（各方向有效質量相同）是向心力，得回旋半徑利用切線速度與回旋頻率關系：

得回旋頻率

實驗方法：施加高頻電場。當電場頻率時，發(fā)生共振吸收（resonanceabsorbtion）一個共振吸收峰一個共振頻率有一個有效質量各向同性材料量子力學解釋：受激吸收電子在均勻磁場中形成量子化的朗道能級朗道能級間的躍遷回旋共振是高頻電場引起帶電粒子在磁場中產生的朗道能級間的躍遷討論：固定磁場法：改變高頻磁場頻率，當時發(fā)生共振吸收，吸收峰的個數(shù)等于有效質量的個數(shù)；固定高頻電場頻率，及磁場的方向，改變B的大小，觀察吸收峰。共振頻率仍為,圖固定磁場圖固定電場頻率具體進行測量時,往往是固定交變電磁場的頻率,然后改變磁場B(大約為零點幾特斯拉)來觀察共振吸收現(xiàn)象。同時為了觀察到明顯的共振吸收峰,要求半導體樣品比較純凈,而且一般是在低溫下進行。為確保測量準確性，應用高純樣品，且低溫環(huán)境。

樣品純度高，則減少了雜質對晶格勢場的干擾（雜質散射）。低溫（液He～4k）下，減少了晶格散射對電子運動軌跡的影響。有時用光照射樣品，將電子激發(fā)到導帶，提供較多的自由電子，有利于觀察吸收峰。

只要測出吸收峰處的B值就可以確定

的值。

而且有幾個

，就有幾個吸收峰。

由知，必須有與B值相對應，共振時滿足：第1章半導體中的電子狀態(tài)1.1半導體的晶格結構和結合性質

1.2半導體中的電子狀態(tài)和能帶

1.3半導體中電子的運動有效質量

1.4本征半導體的導電機構空穴

1.5回旋共振

1.6硅和鍺的能帶結構

1.7Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的能帶結構

1.8Ⅱ-Ⅵ族公合物半導體的能帶結構

1.9SIGe合金的能帶

1.10寬禁帶半導體材料直接帶隙半導體和間接帶隙半導體Ec和Ev在布里淵區(qū)不同位置上，即k不同→間接帶隙半導體若Ec和Ev在布里淵區(qū)相同位置上，即k相同→直接帶隙半導體§1.6硅、鍺的能帶結構（導帶和價帶）圖1-26Si、Ge的能帶結構第1章半導體中的電子狀態(tài)1.1半導體的晶格結構和結合性質

1.2半導體中的電子狀態(tài)和能帶

1.3半導體中電子的運動有效質量

1.4本征半導體的導電機構空穴

1.5回旋共振

1.6硅和鍺的能帶結構

1.7Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的能帶結構

1.8Ⅱ-Ⅵ族公合物半導體的能帶結構

1.9SIGe合金的能帶

1.10寬禁帶半導體材料§1.7III－V化合物半導體的能帶結構化合物半導體——由幾種元素化合而成的半導體化合物半導體的共同特征：頻率特性好（遷移率較大）→利于制造高頻器件工作溫度高（Eg較大，但InSb，InAs，GaSb較?。蠊β势骷馆椛淠芰姟教旒夹g應用光電性能好（能帶結構，GaAs兩個導帶極小值→光電器件、光電管、激光管等。）種類：§1.7III－V化合物半導體的能帶結構III－V

族化合物半導體的“共同”特征：（目前研究和應用較多）晶體結構：閃鋅礦結構。（兩種原子的面心立方沿體對角線位移體對角線的1/4構成）能帶結構：導帶底大多位于k=0處（布里淵區(qū)中心），等能面為球面，各向同性；價帶有三條，其中兩條在k=0處重合（分為重空穴和輕空穴）第三條下移△；一般，平均原子序數(shù)較大的有效質量較小。例如，見下頁表格。由①,②可知大多數(shù)III-V族化合物為直接帶隙半導體（上面給出的例子中，GaP為間接帶隙半導體）化合物原子序數(shù)有效質量備注InAs820.022m0有效質量小InSb1000.0135m0有效質量小GaSb820.049m0有效質量小AlSb640.39m0有效質量大GaP460.35m0有效質量大GaAs640.068m0特殊以上介紹了III-V族化合物的一些共同特征，下面主要介紹兩種：1.7.1InSb的能帶結構：導帶極小值位于k=0處，極值附近等能面為球面，

Kane提出導帶表達式：能量0點選在價帶有三條，兩條在k=0處簡并，第三條處于低能狀態(tài)

重空穴帶輕空穴帶分裂帶p為參量圖1－27InSb的能帶結構1.7.2GaAs的能帶結構導帶極值在k=0處，k=0附近等能面為球面，電子有效質量各向同性，E(k)曲線的曲率大（曲率半徑?。?，有效質量很小，為0.068m0；在[100]、[111]方向各有一個極小值，有效質量分別為0.85m0

、0.55m0

。兩個導帶極小值有效質量不同（0.068m0、0.55m0，高度相差0.29ev）→利于制作耿氏器件；價帶有三條，兩條在k=0處簡并，第三條（講義P29Fig1-26未畫出）分裂能量△＝0.34v。圖1-28GaAs的能帶結構科技頻道：鳳凰網2012.12.9

喬布斯的死亡真相：工作性質導致接觸致癌物喬布斯可能是電子行業(yè)因為職業(yè)緣故而接觸致癌物質，導致高風險的癌癥率，最著名的例子了。個人電腦中包含的金屬有：鋁、銻、砷、鋇、鈹、鎘、鉻、鈷、銅、鎵、金、鐵、鉛、錳、汞、鈀、鉑、硒、銀和鋅。GaAs喬布斯:蘋果電腦創(chuàng)始人，患胰腺癌去世

最后指出：電子有效質量與溫度有關，見下表：化合物Eg（ev）（300K）Eg(ev)（0K）InSb0.180.012（劉）0.0135Smith0.23~0.26Smith0.013GaAs1.430.068Smith1.5（劉）0.072InAs0.360.0240.40.025由此可見，溫度低時，有效質量較大。解釋：T下降，電子共有化運動程度變弱，能級分裂程度低（Eg增大）,能帶變窄，有效質量增大。另外，Smith《半導體》中提到，溫度T很高時，電子有效質量有增大的現(xiàn)象，例如InAs在500K時電子有效質量＝0.0575m0，此現(xiàn)象被認為是導帶底附近在高溫下被電子填滿，測得的電子有效質量對應較高能級上的電子的有效質量，這于能帶論的簡單模型也是相符合的。1.7.3GaP、InP能帶結構GaP：III-V族，閃鋅礦結構，導帶極值位于<100>方向，價帶在k=0，間接帶隙半導體，自旋軌道分裂第三價帶△=0.13ev。InP：III-V族，閃鋅礦結構，導帶、價帶極值在k=0，直接帶隙半導體1.7.4混合晶體(混晶)能帶結構IV族元素Si、Ge之間和許多III-V族化合物之間以及II-VI族化合物之間可形成連續(xù)固溶體－混合晶體。例如

的Eg隨x變化，x=0~1，Eg=Eg(Ge)~Eg(Si)當x<0.53時，晶體為類GaAs，直接帶隙半導體當x>0.53時，晶體為類GaP，間接帶隙半導體二元合金帶隙：Eg(AxB1-x)=xEg(A)+(1-x)Eg(B)

Eg隨x變化，x=0~1，Eg=Eg(GaAs)~Eg(GaP)x=0.38~0.40時，Eg=1.84~1.94ev 四元：

作激光器，λ＝1.3～1.6μm

光纖通信多用λ＝1.5μm

常用光纖的頻率適用范圍有三個傳輸窗口。850nm、1310nm、1550nm是三個波長。

衰耗在0.6dB/KM、0.36dB/KM、0.20dB/KM。

1.8Ⅱ-Ⅵ族公合物半導體的能帶結構1。Ⅱ-Ⅵ族半導體異質結構材料的特點及研究意義同以GaAs為代表的Ⅲ-Ⅴ族半導體材料相比，以ZnSe和ZnO為代表的寬帶Ⅱ-Ⅵ族半導體及其混晶具有帶隙寬、直接帶躍遷和能以任何比例組成混晶等優(yōu)點，除此之外，Ⅱ-Ⅵ族半導體材料還具有較大的有效質量和較小的靜態(tài)介電常數(shù)，具有較大的激子結合能，較小的激子半徑，較小的抗磁能移，激子發(fā)光可延續(xù)到室溫等特點，所以長期以來一直被認為是紫、藍和綠色發(fā)光、激光以及在該波段響應的光學雙穩(wěn)和光學非線性應用的重要侯選材料。另外，由于目前GaAs是許多Ⅱ-Ⅵ族半導體外延生長的襯底，而ZnSe和GaAs的晶格失配僅為0.27%，非常適合集成光電子技術的需要。2。研究現(xiàn)狀和發(fā)展預測ZnSe

材料80年代末90年代初的兩項重大突破：

第一，ZnSe

的p摻雜的實現(xiàn)；第二，p-ZnSe的低阻歐姆接觸的實現(xiàn)。

Ⅱ-Ⅵ族寬帶半導體量子阱研究工作的主要進展：第一，獲得了室溫和連續(xù)工作的藍/綠色半導體激光器；第二，獲得室溫和具有ns及ps量級響應的光雙穩(wěn)器件。目前國際上對于Ⅱ-Ⅵ族寬帶半導體異質結構材料的研究的注意力已經轉向ZnO薄膜及其低維結構材料的研究和Ⅱ-Ⅵ族量子點材料的研究。但傳統(tǒng)Ⅱ-Ⅵ族寬帶半導體異質結構材料，如ZnSe基量子阱材料的研究仍然顯示出蓬勃的生命力，仍需進一步深入的工作。1.9SI1-xGex合金的能帶晶格失配應變半導體應變Si技術第一章復習常見半導體的晶體結構有哪些類型？能帶是怎樣形成的？什么是有效質量？什么是空穴？什么是第一代、第二代、第三代半導體材料？（Si\GaAs\ZnO、SiC、GaN寬帶半導體)舉例說明什么是元素半導體、化合物半導體、三元混晶、四元混晶？什么是直接帶隙半導體、間接帶隙半導體？回旋共振實驗能做什么？例1在等能面為球面的等能面中，運動的電子在磁場B作用下作回旋運動，其回旋頻率與磁場B,電子有效質量有關設，試分別求出B=0.5和0.1韋伯/平米時的電子回旋頻率。解答：∴當