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1、目 录,4.1 固体的能带,3.2 导体和绝缘体,4.3 半导体的导电机构,4.4 p 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）,1982 80286 13.4万 80486 120万1993 pentium 320万1995 pentium MMX 550万1997 pentium2 750万集成度每 10 年增加 1000 倍 ！,1971 intel 4004 微处理器芯片 2300
2、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10 9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N1023，则能带中两相邻能级的间距,称为能带（energy b
3、and）。,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。,
4、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：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
5、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
6、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 ：36 eV），,与空带间有一个较宽的禁带,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
7、）。,半导体的禁带宽度Eg 很窄（0.1 2eV），,例如半导体 Cd S：,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. 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 Cd S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
8、穴,当外电场足够强时，共有化电子还是能越,【思考】为什么导体的电阻随温度升高而升高，而半导体的电阻却随温度升高而降低？,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， ED10-2eV，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
9、：,则 P 原子浓度1018 cm3,np=1 .51010 cm 3,+ 1018,= 1018 cm3,室温下：,本征激发,杂质激发,导带中电子浓度,nn = 1.51010,满带中空穴浓度,设 Si中P的含量为104,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1022 cm3,2. 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 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
10、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1018 cm 3,np= 1.51010,室温下：,本征激发,杂质激发,导带中电子浓度,nn=1.51010cm 3,满带中空穴浓度,设 Si中B的含量为104,+ 1018,= 1018 cm 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1022 cm 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 GaA
11、s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。,4.4 p -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,内建场大到一定程度，不再有净电荷的流动，达到了新的
12、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0.1m。,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，,
13、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），,pn结阻挡p区空穴移到n区，阻挡n区电子移到p区，当光入射时，产生电子空穴对，空穴被移向p区，p区中少数电子被移向n区，结果p区和n区各自比原来动态平衡下多出一些空穴和电子，即p区积累较多正电荷，n区积累较多负电荷，产生光生电动势。若
14、将外电路接通就有电流，这就是光生伏特效应利用它可制太阳能电池。,1金属电极 2p型半导体3n型薄片 4透明电极 5入射光,（4）光生伏特效应制造太阳能电池,4.5 半导体器件（自学书第4.7节）,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
15、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。,INMOS T900 微处理器,同质结激光器 由同种材料制成的p-n结,半导体激光器分两类：,异质结激光器 由两种不同材料制成的 p-I-n,4.6 半导体激光器（补充）,半导体激光器是光纤通讯中的重要光源，在创建信息高速公路的工程中起着极重要的作用。,（重掺杂）,结（ I为本征半导体）,重掺杂,普通掺杂,1. 同质结激光器,加正向偏压V 粒子数反转。,电子空穴复合发光，,由自发辐射引起受激辐射。.,它的两个端面就相当于两个反射镜，,光振荡并利于选频。,的反射系数，,激励能源就是外接电源（电泵）。,使电子空穴的复合不断进行，维持激光的输出。,p-n结本身就形成一个光学谐振腔，,它提供正向电流，,适当镀膜达到所要求,可形成,核心部分：,p型GaAs,n型GaAs,典型尺寸（m）：,长 L= 250 - 500,宽 W = 5 - 10,厚 d = 0.1- 0.2,GaAs同质结半导体激光器,
