直接与间接带隙半导体

直接带隙半导体材料就是导带最小值(导带底)和满带最大值在k空间中同一位置。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。直接带隙半导体(Direct gap semiconductor)的例子:GaAs、InP半导体。相反,Si、Ge是间接带隙半导体。

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)。

间接带隙半导体材料(如Si、Ge)导带最小值(导带底)和满带最大值在k空间中不同位置。形成半满能带不只需要吸收能量,还要改变动量。间接带隙半导体材料导带最小值(导带底)和满带最大值在k空间中不同位置。电子在k状态时的动量是(h/2pi)k,k不同,动量就不同,从一个状态到另一个必须改变动量。与之相对的直接带隙半导体则是电子在跃迁至导带时不需要改变动量。硅和锗的价带顶Ev都位于布里渊区中心,而导带底Ec则分别位于<100>方向的简约布里渊区边界上和布里渊区中心到布里渊区边界的0.85倍处,即导带底与价带顶对应的波矢不同。这种半导体称为间接禁带半导体。

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