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(共12张PPT)
晶体的能带
晶体的能带
Eg随x的变化关系
IV族元素Si、Ge可以形成连续固溶体,构成混合晶体，其能带结构随合金成分的变化而变化。写为Si1-xGex (0≤x≤1)，x称为混晶比(或固相组分).
在0≤x≤0.85时，其能带结构与Si类似； 0.85≤x≤1时，能带结构与Ge类似。
因为当Si含量小时，<111>能谷为导带底;随着Si含量的增大，<111>导带极值和<100>导带极值以不同速率相对价带顶
上移，<111>极值上升较快，在x＝0.85时，两种能谷达到同一水平，在Si含量大于0.15后，<100>能谷代替<111>能谷为导带底，能带变为类硅型的。
五、III－V族化合物半导体的能带：
1、GaAs1-xPx 2、Ga1-xInxAsyP1-y
GaAsP的Eg与组分的关系
GaP
GaAs
InP
InAs
GaInAsP的Eg与组分的关系
实线为等带隙线，虚线为等晶格常数线。
阴影表示该组分内材料为间接带隙半导体
虚线表示间接带隙半导体
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
1
2
3
4
5
6
7
Band gap energy (eV)
Bond length　( )
AlN
GaN
MgS
MgSe
ZnS
InN
ZnSe
CdTe
InP
GaAs
ZnO
AlP
GaP
AlAs
Direct band gap
Indirect band gap
Group III-nitrides: covering the wavelength region from UV to IR
InN-GaN-AlN system covers a wide range of spectrum
AlInGaN体系的能带结构，在自然界材料体系中是空前绝后的
能带间隙全部是直接带隙，从深紫外到远红外
上堂课回顾：
B Si、Ge和GaAs的能带结构：
Si的导带：极小值在[100]方向上，6个能谷，等能面为旋转椭球；
Ge的导带：极小值在[111]方向的BZ边界上，4个能谷，等能面为旋转椭球；
Si和Ge的价带：极大值在BZ中心(k=0处)，3个能带，重空穴带，轻空穴带，自旋－轨道耦合劈裂带;
Si和Ge：导带极小值和价带极大值在k空间不同点
间接带隙半导体；
GaAs的导带和价带：导带极小值和价带极大值皆在BZ中心，等能面为球面。 直接带隙半导体
B 化合物半导体：
二元合金，如GaAs
三元合金，如GaAs1-xPx
四元合金，如Ga1-xInxAsyP1-y
另一种表述方法：
受主杂质电离过程
中性受主＝带负电的受主离子＋空穴
空穴激发到价带，失去空穴
杂质电离
思考题：p61
图3.20 (b)受主能级
杂质补偿： ( impurity compensation)
如果半导体中同时含有施主和受主杂质，由于受主能级比施主能级低得多，受主杂质也要首先接受来自施主杂质的电子，剩余的受主杂质才能接受来自价带的电子。施主和受主杂质之间这种互相抵消的作用，称为杂质补偿。
在这种情况下，半导体的导电类型由浓度大的杂质来决定。施主浓度大于受主浓度时，半导体是N型；反之则为P型。
二、III－V族化合物半导体中的杂质
在Ⅳ族元素半导体中，取代Ⅳ族原子占据晶格位置的Ⅴ族原子成为施主杂质，而Ⅲ族原子却成为受主杂质。这个结果说明，在半导体中，杂质原子的价电子数与晶格原子的价电子数之间的关系，是决定杂质行为的一个重要因素。
则可知，在Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体中，取代晶格中Ⅴ族原子的Ⅵ族原子(如Se、Te)，是施主杂质；取代Ⅲ族原子的Ⅱ族原子(如Zn、Mg、Cd) ，是受主杂质。
两性杂质：IV族原子(如Si、Ge)在III－V族半导体中为两性杂质。若取代III族原子，是施主杂质；若取代V族原子，是受主杂质，这种杂质称为两性杂质。
具体行为与杂质浓度和外部条件有关：
如GaAs:Si，Si浓度<1018cm-3时,Si基本只取代Ga 施主; Si浓度>1018cm-3时，部分Si取代As 受主, 补偿SiGa施主.
等电子杂质和等电子陷阱：
当杂质原子和晶格原子的价电子数相等时，杂质通常称为等电子杂质。
等电子杂质替代相同价电子数的晶格原子(组分原子)后，由于其负电性不同，可以束缚电子。
由等电子杂质形成的陷阱称为等电子陷阱。
应用：如GaP:N LED
N与P同为V族元素，N比P的原子序数小，而负电性大，则可形成等电子陷阱。
深能级
硅或锗中的Ⅲ族和Ⅴ族杂质，Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体中的ⅡB族和 Ⅵ族杂质，都在禁带中引入浅能级，实际上，在半导体中还存在另一 类杂质：它们的能级在禁带中心附近，常称这样的能级为深能级。
深能级杂质的特点：
①电离能大，对热平衡中的载流子浓度无显著影响；
②但对半导体的其他性质有显著影响：作为电子和空穴的复合中心，可以缩短非平衡载流子的寿命。
③深能级杂质可产生多次电离，每次电离相应地形成一个能级，因而可在禁带中引入多重杂质能级。有的杂质既可以作为施主，又可以成为受主，称之为两性杂质。

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