1、 1 17 III7 IIIV V族化合物半導體的能帶結構族化合物半導體的能帶結構 IIIV族化合物半導體與硅、鍺具有同一類型的能帶結構。 銻化銦和砷化鎵的能帶結構作一簡要的介紹。 IIIV族化合物半導體能帶結構的一些共同持征。因為閃鋅礦型結構和金剛石型結構類似，所以第一布里淵區也是截角八面體的形式，14面體。 這些化合物基本上都具有相似的價帶結構. 同硅、鍺一樣，其價帶在布里淵區中心是簡并的，具有個重空穴帶和一個輕空穴帶，還有一個由自旋軌道耦合而分裂出來的第三個能帶。 不同點：但是，價帶的極大值并不是恰好在布里淵區的中心，而是稍許有所偏離。 各種化合物導帶結構有所不同，它們在100、111方

2、向和布里淵區中心都有導帶極小值，但是最低的極小值在布淵里區中所處的位置不完全相同， 1. 在平均原子序數高的化合物中，最低的極小值是在布里淵區的中心， 2. 而在平均原子序數較低的化合物中，最低的極小值是在100或111方向。 各種化合物的導帶電子有效質量不同. 1. 平均原子序數高的化合物中(能帶變形），有效質量較小。 各種化合物的重空穴有效質量卻相差很少。 2. 原子序數較高的化合物，禁帶寬度較窄，在禁帶寬度最窄的IIIV族化合物中，由于價帶和導帶的相互作用使得導帶底不呈拋物線形狀。 1銻化銦的能帶結構 銻化銦的導帶極小值位于 k0處，極小位附近的等能面是球形的。但是，極小值處E（k）曲線

3、的曲率很大，因而導帶底電子有效質量很小，室溫下mn*0. 0135m0。隨著能量的增加，曲率迅速下降，因而能帶是非拋物線形的。 銻化銦的價帶包含三個能帶， 一個重空穴帶V1， 一個輕空穴帶V2 由自旋-軌道耦合所分裂出來的第三個能帶V3， 20K時重空穴有效質量沿111，110，100方向分別為0.44m0，0.42m0和0.32m0，輕空穴有效質量為0.0160m0。 重空穴帶的極大值偏離布里淵區中心，約為布里淵區中心至布里淵區邊界距離的0.3%，其能值比k=0處的能量高10-4eV，由于這兩個值很小，因而可以認為價帶極大值位于k=0， 價帶的自旋-軌道裂距約為0.9eV。 室溫下禁帶寬度為

4、0.18eV，0K時0.2355eV。 可以看出，銻化銦的能帶結構和最簡單的能帶模型很相似，能帶極值都位于布里淵區中心。 2 2、砷化鎵的能帶結構、砷化鎵的能帶結構 砷化鎵的導帶極小值也位于k=0處，等能面是球面，導帶底電子有效質量是各向同性的，其值為0.067mo。在 111和100方向布里淵區邊界L 和X還各存在另一個極小值，電子有效質量：0.55mo和0.85mo。 L能量比布里淵區中心極小值高出0.29eV。 砷化鎵價帶也具有一個重空穴帶V1，一個輕空穴帶V2和由于自旋-軌道耦合分裂出來的第三個能帶V3，重空穴帶極大值也稍許偏離布里淵區中心。 重空穴有效質量為0.45m0，輕空穴有效質

5、量為0.082m0，第三個能帶裂距為0.34eV。 室溫下禁帶寬度為1.424eV，0K時為1.519eV，室溫附近禁帶寬度隨溫度線性變化， Eg(T)= Eg(0)-T2/(T+)3 3、磷化鎵和磷化銦的能帶結構、磷化鎵和磷化銦的能帶結構 磷化鎵和磷化銦也都是具有閃鋅礦型結構的III-V族化合物半導體，它們的價帶極大值也位于k=0處。 磷化鎵導帶極小值不在布里淵區中心，而在方向，電子有效質量為0.35mo，重空穴和輕空穴有效質量分別為0.86m0和0.14m0， 室溫下禁帶寬度為2.26eV，dEg/dT= -5.4x10-4eV/K。 磷化銦導帶極小值位于k=0，電子有效質量為0.077m

6、0，重空穴和輕空穴有效質量分別為0.8m0和0.012m0，室溫下禁帶寬度為1.34eV，dEg/dT= -2.9x10-4eV/K。 4、混合晶體的能帶結構 III-V族化合物之間也都能形成連續固溶體，構成混合晶體. 它們的能帶結構隨合金成分的變化而連續變化，這一重要的性質在半導體技術上已獲得廣泛的應用。 砷化鎵和磷化鎵合成后可以制成磷砷化鎵混合晶體，形成三元化合物半導體，其化學分子式可寫成x稱為混晶比。 能帶結構隨組分x的不同而不同: 實驗發現，當0 x0.53時，其能帶結構與砷化鎵類似; 當0.53x1時，其能帶結構成磷化鎵。 除了三元化合物外，人們更進一步制成由III-V族化合物構成的

7、四元化合物混合晶體。例如，在磷化銦襯底上可制備出四元化合物，在GaAs襯底上制備出四元化合物，圖1-28和1-29分別為和的禁帶寬度和晶格常數隨組分x、y的變化關系(Ga1-xInxAs1-yPy) 。 實線為等禁帶寬度線，虛線為等晶格常數線， 圖中陰影部分表示在該組分內材料屬于間接帶隙半導體間接帶隙半導體。 間接帶隙半導體間接帶隙半導體: :導帶和價帶的極值處于不同的k空間，跳躍是間接的。 間接跳躍過程除了發射光子還有聲子。 問題：硅，鍺，砷化鎵是什么類型的半導體？ 人們已利用混合晶體的禁帶寬度隨組分變化的特性制備發光或激光器件。 光二極管(LED)，當x=0.380.40時，室溫下禁帶寬度

8、在1.841.94eV范圍，其能帶結構類似砷化鎵，當導帶電子與價帶空穴復合時可以發出波長在64006800A范圍內的紅光。 調節的x、y部分，以研制1.31.6m紅外光的所謂長波長激光器是當前很活躍的研究領域。 什么是發光二極管（什么是發光二極管（LED: light-emitting diode） 發光二極管是由數層很薄的攙雜半導體材料制成，一層帶過量的電子n，另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”p，當有電流通過時，電子和空穴相互結合并釋放出能量，從而輻射出光。 這些化合物基本上都具有相似的價帶結構. 同硅、鍺一樣，其價帶在布里淵區中心是簡并的，具有個重空穴帶和一個輕空穴帶，還有一個由自旋軌道耦合而分裂出來的第三個能帶。 不同點：但是，價帶的極大值并不是恰好在布里淵區的中心，而是稍許有所偏離。 各種化合物導帶結構有所不同，它們在100、111方向和布里淵區中心都有導帶極小值，但是最低的極小值在布淵里區中所處的位置不完全相同， 1. 在平均原子序數高的化合物中，最低的極小值是在布里淵區的中心， 2. 而在平均原子序數較低的化合物中，最低的極小值是在100或