《精编》固体的能带结构介绍

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1、目录 4 1固体的能带 4 2导体和绝缘体 4 3半导体的导电机构 4 4p n结 4 5半导体器件 4 6半导体激光器 补充 固体物理既是一门综合性的理论学科又和 固体物理是信息技术的物理基础 1928 29建立能带理论并由实验证实1947发明晶体管1962制成集成电路 实际应用紧密结合 材料 激光 半导体 19828028613 4万80486120万1993pentium320万1995pentiumMMX550万1997pentium2750万集成度每10年增加1000倍 1971intel4004微处理器芯片2300晶体管 集成度的每一步提高 都和表面物理及光刻 没有晶体管和超大规模

2、集成电路 就没有计 现在在一个面积比邮票还小的芯片上可以集 其上可以集成109个元件 度只有0 12微米 成一个系统 的研究分不开 算机的普遍应用和今天的信息处理技术 沟道长 先看两个原子的情况 根据泡利不相容原理 原来的能级已填满不能再填充电子 4 1固体的能带 分裂为两条 各原子间的相互作用 原来孤立原子的能级发生分裂 若有N个原子组成一体 对于原来孤立原子 的一个能级 就分裂成N条靠得很近的能级 能带的宽度记作 E E eV的量级 若N 1023 则能带中两相邻能级的间距 称为能带 energyband 约为10 23eV 能级 能带 能隙 禁带 一般规律 1 越是外层电子 能带越宽 E

3、越大 2 点阵间距越小 能带越宽 E越大 3 两个能带有可能重叠 一 电子在周期势场中的运动电子共有化 孤立原子中电子的势阱 固体 这里指晶体 具有由大量分子 电子受到周期性势场的作用 原子或离子的规则排列而成的点阵结构 解定态薛定谔方程 可以得出两点 1 电子的能量是量子化的 2 电子的运动有隧道效应 原子的外层电子 在高能级 势垒穿透 原子的内层电子与原子核结合较紧 一般 概率较大 电子可以在整个固体中运动 称为共有化电子 重要结论 不是共有化电子 二 能带中电子的排布 固体中的一个电子只能处在某个能带中 1 排布原则 1 服从泡里不相容原理 费米子 2 服从能量最小原理 对孤立原子的一个

4、能级Enl 它最多能 这一能级分裂成由N个能级组成的能带 的某一能级上 容纳2 2l 1 个电子 一个能带最多能容纳2 2l 1 N个电子 2p 3p能带 最多容纳6 个电子 例如 1s 2s能带 最多容纳2 个电子 电子排布应从最低的能级排起 满带 填满电子的能带 空带 没有电子占据的能带 不满带 也称为导带 未填满电子的能带 禁带 不能填充电子的能区 价带 和价电子能级相应的能带 对半导体 价带通常是满带 即最高的充有电子的能带 2 几个概念 价带 不满带或满带以上最低的空带 称为导带 3 能带中电子的导电性 满带不导电 电子交换能态并不改变能量状态 所以满带不导电 电子在电场作用下作定向

5、运动 得到附加能量 电子能量发生变化 导带导电 导带中电子才能改变能量 导电性 价带 满带 空带 导带 不满带 导带 导带导电 4 2导体和绝缘体 它们的导电性能不同 是因为它们的能带结构不同 固体按导电性能的高低可以分为 一 导体的能带结构 导体在外电场的作用下 大量共有化电子 从能级图上来看 是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去 很易获得能量 集体定向流动形成电流 二 绝缘体的能带结构 从能级图来看 是因为满带 绝缘体在外电场的作用下 当外电场足够强时 共有化电子还是能越过 共有化电子很难从低能级 满带 跃迁到高能级 空带 上去 的能量 所以形不成电流 Eg 3 6eV 与空带间

6、有一个较宽的禁带 禁带跃迁到上面的空带中 使绝缘体被击穿 共有化电子很难接受外电场 4 3半导体的导电机构 一 本征半导体 semiconductor 本征半导体是指纯净的半导体 本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间 1 本征半导体的能带结构 所以加热 光照 加电场都能把电子从满带激到发空带中去 同时在满带中形成 空穴 hole 半导体的禁带宽度 Eg很窄 0 1 2eV 例如半导体CdS 满带上的一个电子跃迁到空带后 满带中出现一个带正电的空位 称为 空穴 电子和空穴总是成对出现的 电子和空穴叫本征载流子 它们形成半导 体的本征导电性 当光照h Eg时 可 发生本征吸收 形成本征光电导 2

7、 两种导电机构 1 电子导电 半导体的主要载流子是电子 解 例 要使半导体CdS产生本征光电导 求激发电子的光波的波长最大多长 在外电场作用下 电子可以跃迁到空穴上来 这相当于空穴反向跃迁 空穴跃迁也形成电流 这称为空穴导电 空带 满带 2 空穴导电 半导体的主要载流子是空穴 当外电场足够强时 共有化电子还是能越 半导体 导体 击穿 过禁带跃迁到上面的空带中 使半导体击穿 二 杂质 impurity 半导体 1 n型半导体 又称n型半导体 量子力学表明 这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处 ED 10 2eV 极易形成电子导电 本征半导体Si Ge等的四个价电子 与另四 个原子形成共价

8、结合 当掺入少量五价的杂质 元素 如P As等 时 就形成了电子型半导体 n型半导体 空带 施主能级 ED 这种靠近空带的附加能级称为施主 donor 能级 如下图示 则P原子浓度 1018cm 3 np 1 5 1010cm 3 1018 1018cm 3 室温下 本征激发 杂质激发 导带中电子浓度 nn 1 5 1010 满带中空穴浓度 设Si中P的含量为10 4 电子是多数载流子 空穴是少数载流子 在n型半导体中 电子浓度nn 施主杂质浓度nd Si原子浓度 1022cm 3 2 p型半导体 四价的本征半导体Si e等掺入少量三价的杂质元素 如 Ga In等 时 就形成空穴型半导体 又称

9、p型半导体 量子力学表明 这种掺杂后多余的空穴能级在禁带中紧靠满带处 EA 10 1eV 极易产生空穴导电 空带 EA 受主能级 P型半导体 这种靠近满带的附加能级称为受主 acceptor 能级 如下图示 则B原子浓度 1018cm 3 np 1 5 1010 室温下 本征激发 杂质激发 导带中电子浓度 nn 1 5 1010cm 3 满带中空穴浓度 设Si中B的含量为10 4 1018 1018cm 3 空穴是多数载流子 电子是少数载流子 空穴浓度np 受主杂质浓度na 在p型半导体中 Si原子浓度 1022cm 3 3 n型化合物半导体 例如 化合物GaAs中掺Te 六价的Te替代五价的

10、As可形成施主能级 成为n型GaAs杂质半导体 4 p型化合物半导体 例如 化合物GaAs中掺Zn 二价的Zn替代三价的Ga可形成受主能级 成为p型GaAs杂质半导体 三 杂质的补偿作用 实际的半导体中既有施主杂质 浓度nd 又有受主杂质 浓度na 两种杂质有补偿作用 若nd na 为n型 施主 若nd na 为p型 受主 利用杂质的补偿作用 可以制成p n结 4 4p n结 一 p n结的形成 在n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的 面附近产生了一个内建 阻止电子和空穴进一步扩散 电子和空穴的扩散 在p型和n型半导体交界 p型半导体 补偿作用 受主杂质 电 场 该区就成为 n型 p型 内建场大

11、到一定程度 不再有净电荷的流动 达到了新的平衡 在p型和n型交界面附近形成的这种特殊结构称为p n结 阻挡层 耗尽层 其厚度约为0 1 m p n结 由于p n结的存在 电子的能量应考虑进势 这使电子能带出现弯曲 垒带来的附加势能 二 p n结的单向导电性 1 正向偏压 p n结的p型区接电源正极 叫正向偏压 向p区运动 阻挡层势垒降低 变窄 有利于空穴向n区运动 也有利于电子 这些都形成正向电流 m 级 外加正向电压越大 形成的正向电流也越大 且呈非线性的伏安特性 锗管的伏安特性曲线 2 反向偏压 p n结的p型区接电源负极 叫反向偏压 也不利于电 阻挡层势垒升高 变宽 不利于空穴向n区运动

12、 会形成很弱的反向电流 称漏电流 级 无正向电流 子向p区运动 但是由于少数载流子的存在 当外电场很强 反向电压超过某一数值后 反向电流会急剧增大 反向击穿 用p n结的单向导电性 击穿电压 用p n结的光生伏特效应 可制成光电池 p n结的应用 做整流 开关用 加反向偏压时 p n结的伏安特性曲线如左图 可制成晶体二极管 diode 定义 半导体p n结或与其类似的结构加电压时以高效率发光的器件 Lightemittingdiode LED二十世纪90年代才研制出高亮度LED 颜色 紫外 紫光 蓝光 绿光 黄光 橙光 红光 红外 白光 根据应用划分的超高亮度发光二极管市场 LED水下灯饰 L

13、ED照明的会议室 汽车灯 草坪灯 LED特点 电压低 小于5伏 响应时间短 几十nS 寿命长 几万小时以上 耗能低 无污染LED应用 背光源 大屏幕显示 灯具 防伪 生物 医学 白光LED流明效率达到150流明 瓦 lm W 流明效率已经超过日光灯 80lm W 在电流作用下 n型层的电子和p型层的空穴发生扩散 电子和空穴复合发光 可见光波长 380nm 770nm 700nm 发光二极管波长 紫 380 410nm 蓝 430 480nm 绿 510 550nm 黄 570 600nm 红 620 700nm 发光波长由光子能量决定 光子能量一般由禁带宽度决定光子能量 E h 频率 h 普朗

14、克常数 4 14 10 15eV s 发光波长 c hc E 1240 E nm 禁带宽度2 0eV 发光波长 620nm 白光LED发光原理 1 蓝光芯片激发黄光荧光粉 成本低 应用最广2 紫光或紫外光芯片激发蓝 黄 红荧光粉芯片发光效率不高3 红 绿 蓝芯片组合成本高 高档场所应用 注入的电子和空穴数目 非辐射复合中心的数目 辐射复合几率 出光效率 hv n p 获得较高载流子浓度的p型和n型材料 减少缺陷和杂质浓度 提高电子和空穴的复合几率 提高出光效率 提高复合几率 內量子效率 量子阱结构 提高出光效率 1 发光波长 一般用nm表示 2 正向电压 20mA时所用电压 一般用Vf 3 输

15、出光功率 20mA时的输出光功率 用mW W表示 20mA时的输出光功率 单位 坎德拉 cd mcd 照明光源 流明 瓦 lm W 白炽灯 25lm W 日光灯 80lm W 4 反向漏电流 反向5伏或10伏时的反向电流 n型电极 p型电极 http www sh 1 外延片生长 金属有机气相沉积metalorgannicchemicalvapordeposition MOCVD 生长参数 温度 气压 原材料 流量 掺杂剂量 CH3 3Ga NH3 GaN 3CH4 H2 LED外延片结构 同质结 异质结 双异质结 量子阱 量子点发光二极管材料的选择 1 带隙宽度合适2 有合适的衬底材料3 可

16、获得高电导率n型和p型材料4 载流子复合几率大 可获得异质结或量子阱结构 2 芯片制备 工序 光刻 刻蚀 镀膜 合金 划片 切割 裂片 分选设备 光刻机 刻蚀机 电子束蒸发台 镀膜机 合金炉 磨片机 划片机 裂片机 芯片分选设备制备环节多 各环节的稳定性 成品率对于规模化生产极为重要 增加外量子效率 厚的窗口层及透明基板 表面编织 改变芯片几何形状 采用光子晶体技术 3 LED封装 工序 装架 键合 封装 等国内绝大数公司从事LED封装和应用产品生产外延片生长和芯片制备产业薄弱 4 5半导体器件 p n结的适当组合可以作成具有放大作用的晶体三极管 trasistor 和其他一些半导体器件 集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路 晶体管 1947 1962 80年代 103 105 甚大规模集成电路 巨大规模集成电路 107 109 70年代 90年代 现在 晶体管的发明 1947年12月23日 美国贝尔实验室的半导体小组做出世界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管 1956年小组的三位成员获诺贝尔物理奖 每一个集成块 图中一个长方形部分 约为手指甲大小 它有300多万个三极管

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