ch1-半导体光电材料的基本性质

15
一些半导体光电材料的晶体结构和晶格常数
16
一些半导体光电材料的晶体结构和晶格常数
17
倒格空间
倒格基矢：当给定一组正基矢(a,b,c)时，可 r r r 定义一组倒格基矢 ( a , b , c )
∗ ∗ ∗
r r r∗ b ×c a = 2π r r r a •b ×c
r r∗ a • a = 2π
26
一般情况下的等能面是个椭球面
27
当E-k关系是各项同性时，等能面是球形的。
mx* =my*= mz*=m*
28
1.6电学性质
半导体中两种载流子：空穴和电子 电子：导带中，脱离 了共价键在半导体中 自由运动的电子； 空穴：价带中，代表 了共价键上的电子在 价键间运动时所产生 的电流。 电子和空穴在同一电场下的 电流方向一致，电导率相加！
简单立方
Simple Cubic (P Mn)
体心立方bcc
Body center (Na,W,etc)
面心立方fcc
(Al,Au,etc)
11
金刚石结构，属立方晶 系，由两个面心立方子 闪锌矿结构，两种 晶格相互嵌套而成。 元素，GaAs, GaP等 硅,锗,每个原子有四个 最近邻。
Ga As a a
E(0)：导带底能量
22
半导体中E-k的关系
对于给定半导体是个定值
定义能带底电 子有效质量
（具有质量 的单位）
-导带底：E(k)>E(0)，电子有效质量为正值 -能带越窄，k=0处的曲率越小，二次微商就小，有效质 量就越大
23
半导体中E-k的关系
-价带顶的有效质量
E(0)
-价带顶：E(k)<E(0)，电子有效质量为负值
晶向：从坐标原点到点(u,ν,w)的直线 1。特定的方向用方括号表示：[ uνw ] 2。晶向指数u,ν,w 是一组最小的整数,[1/2 1/2 1]→[112] 3。负指数[ū ν w ] 4。由对称性决定的等效晶向<u ν w >
14
晶面：在坐标轴上截距为1/h, 1/k , 1/l 的平面 (1/2 1/2 1)→(112) 1。晶面取向用圆括号表示(h k l ) 2。h k l 称为密勒指数 3。负指数 4。由对称性决定的等效晶面{h k l }
29
负微分迁移率
负微分迁移率：在GaAs能带中，低能谷中电子 有较小的有效质量，较高的迁移率。当电场增 强，电子可以散射到具有较大有效质量，较低 迁移率的高能谷，这种能谷间的跃迁导致电子 的平均漂移速度随电场增加而下降，会使材料 呈现负微分迁移率。 能谷间散射示意图
30
耿氏效应(Gunn effect)
光电导：由光照引起半导体电导率增加的现 象称为光电导
倒格矢：
r r∗ r∗ ∗ G = ha + kb + lc
r r∗ ar• b = 0
r r r∗ c ×a b = 2π r r r a •b ×c
r r r∗ a ×b c = 2π r r r a •b ×c
h, k, l为整数。
每个倒格矢垂直于正格子的一组晶面，倒 格子原胞与正格子原胞的体积成反比： V *V = (2π)3
24
回旋共振和等能面
不同的半导体光电材料，其能带结构不同，而且往往 是各项异性的，即沿不同波矢k的方向，E～k关系也不 同，往往很复杂; E-k关系对研究和理解半导体中的载流子行为至关重要; 理论上尚存在困难，需要借助实验帮助，得到准确的 E-k关系，这个实验就是回旋共振实验; E(k)为某一定值，对应着许多组不同的k(即kx,ky,kz)， 将这些不同的k连接起来构成一个封闭面，在这个面上 的能值均相等，这个面就称为等能面.
导带
α~(hν-Eg)γ (a):γ=1/2 (b):γ=3/2 (c):γ=2
光跃迁:
(a)
(b)
Eg（直接跃迁）
(c) 价带
Eg（间接跃迁）
K
(a)(b)直接跃迁;(c)有声子参与的间接跃迁
39
较低温度下 曲线向高能 量移动， 与带隙的温 度关系有关
在吸收限附近及以上，实测的纯Ge,Si,GaAs不同温度的吸收系数
光子动量忽略
r r k f − ki = 0
r r k f = ki
37
间接跃迁
间接能隙：导带极小值和价 带极大值对应于不同的波矢。 能量守恒： E f − Ei = hν ± hν p 动量守恒： r r hk f − hki = m hq “+”吸收声子 “-”发射声子
38
光吸收测量是测定半导体能带结构最好手段。 在吸收限附近：
n=2 n=3
hv
激子能级图 E‘ex 激子吸收光谱
43
自由载流子吸收 定义：由自由载流子在同一能带内的能级 间的跃迁所引起的，称为自由载流子吸收。 α(cm-1) E
O
λ(μm)
Si的吸收曲线
O
自由载流子吸收
44
k
晶格振动吸收 ——声子吸收 定义：当光照射到半导体上时，光子可以转 化成晶格振动的能量，从而引起的吸收。 吸收光谱在远红外区 离子晶体或离子性较强的化合 物，存在较强的晶格振动吸收带。12化合物半导体Fra bibliotek电材料的两种单胞
纤锌矿结构,CdS,ZnS 岩盐结构，PbS, PbTe
选择单胞的规则：1)对称性与整个晶体的对 称性一致;2)直角最多;3)体积最小--晶体学 单胞或惯用单胞.
13
描述晶格的基本概念
基矢: 基本平移矢量，平移矢量(连接任意两个阵点的矢 量)不过任何阵点。取一原点O，选 三个基本平移矢 量。任何一平移矢量 ，都可用表示:
Ridley(里德利)等人在1961年在理论上指出，由于 不等价能谷之间的电子转移可以引起负微分电导； 1963年Gunn通过对GaAs, InP施加强电场从实验 上观察到微波频段的电流振荡； 1964年Kroemer(克罗默)用强电场下出现的负微 分电导理论正确地解释了Gunn现象。 发展了新的固体微波源及快速开关电路。
10-18 10-16 10-1410-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1 绝缘体 半导体
电导率σ(S/cm)
绝缘体、半导体和导体电导率的典型范围
例子：杂质对半导体光电材料电阻率的影响
4
周期表中与半导体光电材料有关的部分
5
元素与化合物半导体光电材料
6
1.2半导体光电材料形态
18
-Wigner-Seitz primitive cell（维格纳-赛茨原胞） -把某个阵点同所有与它相邻的阵点用直线连接起来 -在连线的中点处，作垂线和垂面 -以这种方式围成的最小体积就是维-赛初基晶胞 一维 二维 三维
19
面心立方
截角八面体(十四面体)
布里渊区中一些对称点和对称轴的常用符号和坐标
电导率 (s/cm) 104~106 104~10-8 10-8~10-18
绝缘体：熔凝石英、玻璃； 导体： 铝、银等； 半导体：硅、砷等，电阻率介于绝缘体与导体 之间，且对温度、光照、磁场及杂质原子等敏 感-----电子和光电子应用领域中最重要的材料 之一。
3
电阻率ρ(Ωcm)
1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 102 1 玻璃 氧化镍(纯) 金刚石(纯) 硫磺 熔凝石英 10-2 10-4 10-6 10-8 银 铜 铝 铂 铋 102 104 106 108 导体 锗(Ge) 硅(Si) 砷化镓(GaAs) 磷化镓(GaP) 硫化镉(CdS)
20
1.5能带结构
半导体中E-k的关系 -要掌握能带结构，必须确定电子能量函 数E(K)同电子波矢量K的关系(色散关系) -半导体中起作用的常常是接近于能带底 部或顶部的电子，因此只要掌握这些能带 极值附近的色散关系即可
21
半导体中E-k的关系 —导带底部电子的色散关系
-以一维情况为例，令dE/dk|k=0=0， E(k=0)泰勒展开
25
一般情况下的等能面方程
-晶体往往是各项异性的，使得沿不同波矢k的方向， E～k关系也不同； -不同方向上的电子有效质量也往往不同； -能带极值也不一定在k=0处 导带底：k0，E(k0) 选择适当坐标轴： kx ky kz 定义：mx*, my*,mz*为相应方向的导带底电子有效质量. 在k0这个极值附近进行三维泰勒展开:
CVD、PVD方法(非晶薄膜）： CVD-化学气相沉积；PVD—物理气相沉积
9
引晶
引晶 细颈 放肩 等径 收尾 晶体生长过程示意图
细颈
放 肩
拉 制 设 备
等 径
收 尾
10
1.4晶体结构--单晶半导体光电材料
晶体中原子的周期性排列称为晶格，整个晶格可 以用单胞来描述，重复单胞能够形成整个晶格。 三种立方晶体单胞：
当光入射到半导体表面时，半导体价带电子吸收 光子能量跃迁入导带，产生电子空穴对的现象称 为本征吸收。
34
本征吸收2
本征吸收的条件：
hv ≥ hv 0 = E g
本征吸收限： 吸收系数显著下降的特定波长λ0(或特定频率ν0)
本征吸收曲线
35
本征吸收3 h=6.63×10-34 J.s; hc 1.24 λ0 = = ( μ m ) c=3×108 m/s; Eg Eg ( eV ) q=1.6×10-19 C
晶体 多晶 非晶 非晶态半导体： 原子排列长程无序(无规则排列，并非胡乱排列)，有一 些非晶材料常态下是绝缘体或高阻体，但在达到一定值 的外界条件(如电场、光、温度等)时，呈现出半导体电 性能，称之为非晶态半导体材料。开关元件、记忆元件、 固体显示、热敏电阻、太阳能电池等。 晶体：原子有规律排列，具有确定的晶体结构，各向异性。 多晶：由大的晶粒和晶界组成，也可能包括部分非晶,保 留了单晶的基本性质，总体性质上表现出各向同性。