1、2021/7/261(最新整理)直接和间接带隙半导体2021/7/262直接和间接带隙半导体2021/7/263主要内容l半导体定义及其性质l什么是带隙l直接带隙和间接带隙半导体的性质、区别l半导体的应用l半导体的发展趋势2021/7/264什么是半导体l半导体半导体：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。2021/7/265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
2、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。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。2021/7/266半导体的能带分布结构根据能带理论，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
3、。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。2021/7/267什么是带隙？带隙就是导带的最低点和价带的最高点的能量之差（Eg）2021/7/268本征光的吸收l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。l光子能量满足的条件是：l准动量守恒条件是：gEphotonkkp 2021/7/269两种跃迁方式l1.竖直跃迁（直接光吸收过程）对应于导带底和价带顶在k k空间相同点的情况跃迁需满足准动量守恒 光子的波矢 2/104cm-1价带顶部电子的波矢2/a108cm-1因此可以忽略光子动量，在此次跃迁中，电子的波矢可
4、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。能量守恒：photonkkpkkgE 2021/7/26102.非竖直跃迁（间接光吸收过程）对应于导带边和价带边在k 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：声子的能量 ,可忽略不计，所以准动量守恒：声子的准动量和电子的准动量数量相仿，同样的，不计光子的动量，我们有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kE 210BDkeVkE photonkkpqkkq kE kkq 2021/7/2611直接带隙半导体（Direc
5、t gap semiconductor）l导带边和价带边处于k 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。l直接带隙半导体的例子：GaAs、InP、InSb等。2021/7/2612间接带隙半导体l导带边和价带边处于k 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。l间接带隙半导体：Ge,Si等l在间接带隙半导体中发生的非竖直跃迁是一个二级过程，发生的几率比竖直跃迁要小得多Indirect gap semiconductorIn English？2021/7/2613直接带隙半
6、导体的重要性质l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）。2021/7/2614间接带隙半导体的重要性质l 简单点说，从能带图谱
7、可以看出，间接带隙半导体中的电子在跃迁时K K值会发生变化，这意味着电子跃迁前后在K 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）。2021/7/2615半导体应用 半导体器件光学窗口、透镜等集成电路分立器件敏感元件能量转换器件电子转换器件电子电力器件激光管发光二级管晶体三极管晶体二
8、极管Si集成电路混合集成电路GaAs集成电路双极型电路金属氧化物半导体型电路双极MOS电路2021/7/2616主要半导体器件所用材料及原理2021/7/2617展望l微电子学、光电子学l军事应用l新技术、新材料、新结构、新现象2021/7/2618半导体发展趋势l硅在可预见的将来依然是主要元素l化合物半导体材料在品种上、品质上将会得到进一步的发展，重点将是GaAs、InP、GaN等l大直径单晶制备技术及超精度晶片加工工艺将得到进一步的发展l低维结构材料进一步发展l相关检测技术发展2021/7/2619半导体的发展历史l21世纪是信息技术的世纪，而半导体材料的发展则是推动信息时代前进的原动力，
9、作为现代高科技的核心，半导体材料的研究和新材料的开发一直是人们关注的重点。l从上世纪五十年代开始，以硅(Si)材料为代表的第一代半导体材料取代了笨重的电子管引发了以集成电路(IC)为核心的微电子领域的迅速发展。然而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，所以，以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。它们在光通信和光信息处理等领域起到了不可替代的作用，并由此带来家用VCD、DVD和多媒体技术的飞速发展。l第三代半导体材料的兴起，是以氮化镓(GaN)材料p型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光二极管(LED)和蓝光激光器(LD)的研制成功为标志，包括GaN、碳化硅(SiC)和氧化锌(Zn0)等宽禁带材料。具有强度大，耐高温、耐缺陷、不易退化等优点。2021/7/2620半导体发展展望l需要同学们来引领！未来在你我手中，任务十分艰巨！l如何带动半导体的发展？l首先要把固体物理学好。l其次是将固体物理应用于到工业中去。2021/7/2621 谢谢！2021/7/2622
