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今天要分享的是非晶态半导体的电子结构

2022-02-25 09:00:32

非晶态与晶态半导体具有类似的基本能带结构,也有导带、价带和禁带(见固体的能带)。材料的基本能带结构主要取决于原子附近的状况,可以用化学键模型作定性的解释。以四面体键的非晶GeSi为例,GeSi中四个价电子经sp杂化,近邻原子的价电子之间形成共价键,其成键态对应于价带;反键态对应于导带。无论是GeSi的晶态还是非晶态,基本结合方式是相同的,只是在非晶态中键角和键长有一定程度的畸变,因而它们的基本能带结构是相类似的。然而,非晶态半导体中的电子态与晶态比较也有着本质的区别。

晶态半导体的结构是周期有序的,或者说具有平移对称性,电子波函数是布洛赫函数,波矢k是与平移对称性相联系的量子数,非晶态半导体不存在有周期性,不再是好的量子数。晶态半导体中电子的运动是比较自由的,电子运动的平均自由程远大于原子间距;非晶态半导体中结构缺陷的畸变使得电子的平均自由程大大减小,当平均自由程接近原子间距的数量级时,在晶态半导体中建立起来的电子漂移运动的概念就变得没有意义了。非晶态半导体能带边态密度的变化不像晶态那样陡,而是拖有不同程度的带尾。

非晶态半导体能带中的电子态分为两类:一类称为扩展态,另一类为局域态。处在扩展态的每个电子,为整个固体所共有,可以在固体整个尺度内找到;它在外场中运动类似于晶体中的电子;处在局域态的每个电子基本局限在某一区域,它的状态波函数只能在围绕某一点的一个不大尺度内显著不为零,它们需要靠声子的协助,进行跳跃式导电。在一个能带中,带中心部分为扩展态,带尾部分为局域态,它们之间有一分界处,这个分界处称为迁移率边。1960年莫脱首先提出了迁移率边的概念。如果把迁移率看成是电子态能量E的函数,莫脱认为在分界处EcEg存在有迁移率的突变。局域态中的电子是跳跃式导电的,依靠与点阵振动交换能量,从一个局域态跳到另一个局域态,因而当温度T趋向0K(j对零度)时,局域态电子迁移率趋于零。扩展态中电子导电类似于晶体中的电子,当T趋于0K时,迁移率趋向有限值。莫脱进一步认为迁移率边对应于电子平均自由程接近于原子间距的情况,并定义这种情况下的电导率为Z小金属化电导率。然而,围绕着迁移率边和Z小金属化电导率仍有争论。


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