能带结构—p型半导体(1)

能带结构—p型半导体(1)转载于微信公众号,VASP学习交流一、金属(半金属),半导体,绝缘体以上是区分金属,半导体,绝缘体的典型的能带图:I:如果能带穿过费米能级,也就

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一、金属(半金属),半导体,绝缘体

能带结构—p型半导体(1)

以上是区分金属,半导体,绝缘体的典型的能带图:

I:如果能带穿过费米能级,也就是价带和导带重叠,没有带隙,导电率很好(如果材料存在磁矩,自旋向上(or向下)存在带隙,半导体性质,但是自旋向下(or向上)没有带隙,金属性质,这种材料现在又称为半金属[J. AM. CHEM. SOC. 2008, 130, 4224-4225]。

II: 如果能带没有穿过费米能级,价带和导带之间存在明显的带隙Eg,如果带隙在0.2~3.5 eV之间,则称为半导体,如果提高温度或者通过别的手段,价带上的电子还是有可能进入导带的,并具有一定的电导率。

III:在II的基础上,如果带隙Eg很大很大,价带上的电子很难进入导带,则表现成了绝缘体的性质,半导体和绝缘体本质上是一样的,但是后者带隙会更大。

二、Si, Ge半导体

能带结构—p型半导体(1)

Si, Ge半导体是每个原子有四个价电子的组成部分,即元素周期表“第四族”中的元素,每个原子有四个价电子。这些价电子中的每一个都能与相邻原子中的一个价电子形成共价键。

所有的价电子都包含在共价键中。严格地说,情况并非如此,根据温度,几个电子可以“破坏”它们的共价键,并参与传导。然而,以一种称为掺杂的方式向半导体中加入少量杂质,可以显著提高半导体的导电能力。加入本征半导体中的杂质称为掺杂剂。掺杂半导体被认为是一种非本征半导体。根据掺杂原子的不同,可以分为p, n型半导体

三、p型半导体

能带结构—p型半导体(1)

p型半导体的p取自positive的首字母,也叫空穴型半导体(空穴带正电荷),空穴浓度大于电子浓度。通过在本征半导体中掺杂带有电子受体的原子来产生的,比如原子如Al,B, Ga(为受主杂质)的掺杂等IIIA族元素替代Si或者Ge。铝原子的价电子层有三个电子。此外,硅的价电子层共有四个电子。所以,铝原子的三个价电子与硅原子的三个电子形成共价键,然而,在这种情况下,出现了电子的空位(或空穴)。这个空穴的平移主要是导致p型半导体导电的原因。因此,在这种情况下,载流子是空穴而不是电子。

所以,在p型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子,空穴相当于带正电的粒子,在这类半导体的导电中起主要作用.

对于p型半导体,费米能级在本征费米能级之下,并且更靠近价带而不是导带。如下图所示。受主杂质的引入使得在禁带中引入杂质能级,又叫受主能级且在费米能级以下,更靠近费米能级,故而杂质能级上的电子更容易越过费米能级,导致价带上留下空穴,带正电positive,这也是p型半导体p字的由来。

能带结构—p型半导体(1)

p型半导体能带图

例如:如下左图是黑磷的能带结构,F替代了之后,F作为受体,新的带隙为0.18 eV,价带最大值更靠近费米能级,故而是p型半导体[Journal of Alloys and Compounds 662 (2016) 528-533]

能带结构—p型半导体(1)

参考《半导体物理学》

图片取自网络

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