,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,1.4,本征半导体的导电机构 空穴,半导体导电机构,在温度,T=0K,时，导带为空，价带为满带，半导体不导电,导带,价带,空穴的特性和意义？,第,1,页,/,共,15,页,半导体导电机构,导带,价带,电子,空穴,当温度上升，由于半导体禁带宽度较窄（,1eV,左右），价带中部分电子被激发到导带中，发生本征激发，导致导带和价带均为不满带，导带中的电子和价带中的电子均可以参与导电。且价带中的电子导电效果用空穴来等效。,第,2,页,/,共,15,页,半导体导电机构,半导体的导电机构,电子和空穴同时参与导电：,电子：是价电子脱离原子束缚后形成的准自由电子，对应于导带中占据的电子,空穴：是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位,半导体中能够导电的电子和空穴被称为,载流子,，,半导体同金属的最大差异，正是由于这两种载流子的作用，使半导体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件。,第,3,页,/,共,15,页,载流子,载流子的不同特性：,电子：带负电，在导带底具有正的有效质量,空穴,：带正电，在价带顶具有正的有效质量,第,4,页,/,共,15,页,空穴的特征,带正电荷,设一个波矢为,K,的电子被本征激发，在价带顶留下了空穴,A,。,右图表示，在外电场力,f,的作用下空穴,A,与其它价带中的电子一样，在,k,空间以相同的速率从带顶到带底运动。,即空穴与对应空缺的,k,状态的电子的运动规律相同,第,5,页,/,共,15,页,空穴的特征,带正电荷,因为价带有一个空态，在外力下存在电流。设为,J,J=,存在,A,空位的价带电子总电流,设想以一个电子填充到空的,k,状态，该电子电流为,填入这个电子后价带又被填满,总电流应为零,表明当价带,k,状态空出时，价带电子的总电流，如同一个正电荷的粒子以,k,状态电子速度,v,（,k,）运动时所产生的电流，因而通常把空穴看做具有正电荷,第,6,页,/,共,15,页,空穴的特征,具有正的有效质量,空穴与对应的空缺,k,状态的电子的运动规律相同,k,状态电子加速度：,由于空穴具有正电荷，它的受力为：,空穴加速度可表示为：,由于空穴一般位于价带顶，在价带顶电子有效质量为负值，所以空穴的有效质量为正,令,即为空穴的有效质量,也就是空穴的加速度,第,7,页,/,共,15,页,空穴概念小结,空穴带一个电子电量的正电荷,空穴位于价带顶，有效质量是一个正常数，它与价带顶附近空态电子有效质量大小相等，符号相反,空穴的运动速度就是价带顶附近空态电子运动速度,空穴的浓度就是价带顶附近空态的浓度,p,空穴是一种假想粒子，它概括了未填满价带中大量电子对半导体导电电流的贡献,第,8,页,/,共,15,页,例题,1,证明：对于能带中的电子，,k,状态和,-k,状态的电子速度大小相等，方向相反，即,v(k)=-v(-k),并解释下列两种情况下晶体总电流为零。,无外场力时的能带,有外场力时的满带电子,解：,对一维情况,K,状态电子的速度为：,第,9,页,/,共,15,页,则：,所以：,因电子占据某个状态的几率只与能量有关，而显然,故电子占有,K,状态和,-k,状态的几率相同，即,两种状态的电子数量相同,又,两个状态的电子运动速度大小相等方向相反，电子电流相互抵消,，则,电子总电流为,0,第,10,页,/,共,15,页,例,2,通常，晶格势场对电子的作用力,fl,不容易测得，但可以通过它与外场力,fe,的关系得到。证明它们关系为：,第,11,页,/,共,15,页,例,3,对与晶格常数为,2.5x10,-10,m,的一维晶格，当外加,10,2,v/m,的电场和,10,7,v/m,的电场时，分别计算电子自能带底到能带顶所用的时间。,第,12,页,/,共,15,页,代入数据,当电场为,10,2,v/m,时，,t=8.3x10,-8,s,当电场为,10,7,v/m,时，,t=8.3x10,-13,s,第,13,页,/,共,15,页,例,4,根据如图所示的能量曲线,E(K),的形状试分析，,（,1,）那个能带中，电子有效质量数值最小。,（,2,）设,，,为满带，,带为空带，若少量电子进入,带，在,带中产生同样数目的空穴，那么,带中空穴的有效质量比,带中电子的有效质量大，还是小？,第,14,页,/,共,15,页,例,5,曲线,A,自由电子的,E-K,曲线，,B,为半导体中电子的,E-K,曲线，画出,dE/dk-k,曲线，,d,2,E/dk,2,-k,的曲线，说明自由电子有效质量与半导体电子有效质量的不同之处。,第,15,页,/,共,15,页,