直接和间接带隙半导体 ppt课件

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间接带隙半导体的重要性质
2020/11/13
简单点说，从能带图谱可以看出，间接带隙半导 体中的电子在跃迁时K值会发生变化，这意味着 电子跃迁前后在K空间的位置不一样了，这样会
极大的几率将能量释放给晶格，转化为声子，变 成热能释放掉。而直接带隙中的电子跃迁前后只 有能量变化，而无位置变化，于是便有更大的几 率将能量以光子的形式释放出来。另一方面,对于
1.竖直跃迁（直接光吸收过程） 对应于导带底和价带顶在k空间相同点的情况
能量守恒： Eg
跃迁需满足准动量守恒 k'kpp h o to n 光子的波矢 2π/ λ ~104cm-1 价带顶部电子的波矢2π/a~108cm-1 因此可以忽略光子动量， k' k 在此次跃迁中，电子的波矢可以看作是不变的。我们称之为竖直跃 迁，这种半导体我们称之为直接带隙半导体。
一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介 于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能 量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。
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半导体的能带分布结构
2020/11/13
根据能带理论，电子主要分布在满价带，当半导体受到温度影 响时，满价带的电子会被激发到导带上，在价带上留下空轨道， 这些空轨道就是空穴。温度越高，电子被激发到空导带的概率 越大。导带上的电子和价带上的空穴决定了半导体的导电能力。
发 激 电电能敏
光 光 子子量感
二 管 电转转元
级
力换换件
管
器器器
件件件
双 极 型 电 路
路半金 导属 体氧 型化 电物
路双 极 电
MOS
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主要半导体器件所用材料及原理
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展望
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微电子学、光电子学 军事应用 新技术、新材料、新结构、新现象
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半导体发展趋势
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直接和间接带隙半导体
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主要内容
2020/11/13
半导体定义及其性质 什么是带隙 直接带隙和间接带隙半导体的性质、区别 半导体的应用 半导体的发展趋势
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精品资料
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是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
2020/11/13
间接跃迁型，导带的电子需要动量与价带空穴复 合。因此难以产生基于再结合的发光。想让间接 带隙材料发光，可以采用掺杂引入发光体，将能 量引入发光体使其发光（提高发光效率）。
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半导体应用
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半导体器件
光学窗口、透镜等
集成电路
分立器件
混
GaAs
Si
合
集
集
集
成
成 电 路
电 路
成 电 路
晶晶 体体 二三 极极 管管
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
什么是半导体
2020/11/13
半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有 负的电阻温度系数的物质称为半导体,换句话 说半导体是导电性可受控制，范围可从绝缘 体至导体之间的材料。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等， 而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上 最具有影响力的一种。
二级过程，发生的几率比竖直跃迁要小得多
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直接带隙半导体的重要性质
2020/11/13
直接带隙半导体的重要性质：当价带电子往导带跃迁时， 电子波矢不变，在能带图上即是竖直地跃迁，这就意味着 电子在跃迁过程中，动量可保持不变——满足动量守恒定 律。相反，如果导带电子下落到价带（即电子与空穴复合） 时，也可以保持动量不变——直接复合，即电子与空穴只 要一相遇就会发生复合（不需要声子来接受或提供动量）。 因此，直接带隙半导体中载流子的寿命必将很短；同时， 这种直接复合可以把能量几乎全部以光的形式放出（因为 没有声子参与，故也没有把能量交给晶体原子）——发光 效率高（这也就是为什么发光器件多半采用直接带隙半导 体来制作的根本原因）。
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2020/11/13
半导体的导电性
材料的导电性是由“导带”（conduction band） 中含有的电子数量决定。当电子从“价带” （valence band）获得能量而跳跃至“导带”时，电 子就可以在带间任意移动而导电。
常见的金属材料其导电带与价电带之间的“能 量间隙”非常小，在室温下电子很容易获得能量而 跳跃至导电带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大 （通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至导电带， 所以无法导电。
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2.非竖直跃迁（间接光吸收过程） 2020/11/13
对应于导带边和价带边在k空间不同点的情况
由上图可以看出，单纯吸收光子从价带顶跃迁到导带底，电子
在吸收光子的同时伴随着吸收或者发出一个声子。
满足能量守恒：Ek
声子的能量 ~kB D~1 0 2eV,可忽略不计，所以 Ek 准动量守恒： k 'k p p h o to nq 声子的准动量和电子的准动量数量相仿，同样的，不计光子的
直接带隙半导体的例子：GaAs、InP、InSb等。
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2020/11/13
间接带隙半导体 In English？ Indirect gap semiconductor
导带边和价带边处于k空间不同点的半导体通 常被称为间接带隙半导体。形成半满能带不只 需要吸收能量，还要改变动量。
间接带隙半导体：Ge,Si等 在间接带隙半导体中发生的非竖直跃迁是一个
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什么是带隙？
2020/11/13
带隙就是导带的最低点和价带的最高点的能量之差（Eg）
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本征光的吸收
2020/11/13
半导体吸收光子使电子由价带激发到导带， 形成电子-空穴对的过程就叫本征光吸收。
光子能量满足的条件是：
准动量守恒条件是：
Eg
kkpp h o to n
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两种跃迁方式
2020/11/13
动量，我们有 k'kq 即光子提供电子跃迁所需的能量，声子提供跃迁所需要的动量
Ek
k'kq
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Baidu Nhomakorabea
2020/11/13
直接带隙半导体（Direct gap semiconductor）
导带边和价带边处于k空间相同点的半导体通 常被称为直接带隙半导体。电子要跃迁到导带 上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只 需要吸收能量。