III—V族化合物半导体的能带结构.ppt

1．7 III—V族化合物半导体的能带结构 III—V族化合物半导体与硅、锗具有同一类型的能带结构。 锑化铟和砷化镓的能带结构作一简要的介绍。 III—V族化合物半导体能带结构的一些共同持征。因为闪锌矿型结构和金刚石型结构类似，所以第一布里渊区也是截角八面体的形式，14面体。 这些化合物基本上都具有相似的价带结构. 同硅、锗一样，其价带在布里渊区中心是简并的，具有—个重空穴带和一个轻空穴带，还有一个由自旋—轨道耦合而分裂出来的第三个能带。 不同点：但是，价带的极大值并不是恰好在布里渊区的中心，而是稍许有所偏离。 各种化合物导带结构有所不同，它们在[100]、[111]方向和布里渊区中心都有导带极小值，但是最低的极小值在布渊里区中所处的位置不完全相同， 1. 在平均原子序数高的化合物中，最低的极小值是在布里渊区的中心， 2. 而在平均原子序数较低的化合物中，最低的极小值是在[100]或[111]方向。 各种化合物的导带电子有效质量不同. 1. 平均原子序数高的化合物中(能带变形），有效质量较小。 各种化合物的重空穴有效质量却相差很少。 2. 原子序数较高的化合物，禁带宽度较窄，在禁带宽度最窄的III—V族化合物中，由于价带和导带的相互作用使得导带底不呈抛物线形状。 1．锑化铟的能带结构 锑化铟的导带极小值位于?k＝0处，极小位附近的等能面是球形的。但是，极小值处E（k）曲线的曲率很大，因而导带底电子有效质量很小，室温下mn*＝0. 0135m0。随着能量的增加，曲率迅速下降，因而能带是非抛物线形的。 锑化铟的价带包含三个能带， 一个重空穴带V1， 一个轻空穴带V2 由自旋-轨道耦合所分裂出来的第三个能带V3， 20K时重空穴有效质量沿[111]，[110]，[100]方向分别为0.44m0，0.42m0和0.32m0，轻空穴有效质量为0.0160m0。 重空穴带的极大值偏离布里渊区中心，约为布里渊区中心至布里渊区边界距离的0.3%，其能值比k=0处的能量高10-4eV，由于这两个值很小，因而可以认为价带极大值位于k=0， 价带的自旋-轨道裂距约为0.9eV。 室温下禁带宽度为0.18eV，0K时0.2355eV。 可以看出，锑化铟的能带结构和最简单的能带模型很相似，能带极值都位于布里渊区中心。 2、砷化镓的能带结构 砷化镓的导带极小值也位于k=0处，等能面是球面，导带底电子有效质量是各向同性的，其值为0.067mo。在 [111]和[100]方向布里渊区边界L 和X还各存在另一个极小值，电子有效质量：0.55mo和0.85mo。 L能量比布里渊区中心极小值高出0.29eV。 砷化镓价带也具有一个重空穴带V1，一个轻空穴带V2和由于自旋-轨道耦合分裂出来的第三个能带V3，重空穴带极大值也稍许偏离布里渊区中心。 重空穴有效质量为0.45m0，轻空穴有效质量为0.082m0，第三个能带裂距为0.34eV。 室温下禁带宽度为1.424eV，0K时为1.519eV，室温附近禁带宽度随温度线性变化， Eg(T)= Eg(0)-αT2/(T+β) 3、磷化镓和磷化铟的能带结构 磷化镓和磷化铟也都是具有闪锌矿型结构的III-V族化合物半导体，它们的价带极大值也位于k=0处。 磷化镓导带极小值不在布里渊区中心，而在100方向，电子有效质量为0.35mo，重空穴和轻空穴有效质量分别为0.86m0和0.14m0， 室温下禁带宽度为2.26eV，dEg/dT= -5.4x10-4eV/K。 磷化铟导带极小值位于k=0，电子有效质量为0.077m0，重空穴和轻空穴有效质量分别为0.8m0和0.012m0，室温下禁带宽度为1.34eV，dEg/dT= -2.9x10-4eV/K。 4、混合晶体的能带结构 III-V族化合物之间也都能形成连续固溶体，构成混合晶体. 它们的能带结构随合金成分的变化而连续变化，这一重要的性质在半导体技术上已获得广泛的应用。 砷化镓和磷化镓合成后可以制成磷砷化镓混合晶体，形成三元化合物半导体，其化学分子式可写成x称为混晶比。 能