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1、 大连理工大学 物理与光电工程学院詹卫伸d一、晶体的能带结构固体具有大量分子、原子彼此靠得很近且有规则排列成点阵结构。具有周期性势场。“ 轨道”不同程度重叠， 外层重叠多。具有相同能量的电子，在不同原子的相似“轨道”上互相转移共有化运动，外层电子共有化程度较高。5 半 导 体1、 电子共有化2、 能带量子力学计算表明，固体中若有N 个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了N 条靠得很近的能级,称为能带。若N 1023, 则两能级的间距约 10-23 eV。 能带宽度满带空带价带(1)满带 由原子壳层中已填满电子的 能级分裂形成的能带， 其所有能级都填满了电子， 这
2、种能带称做满带。 满带中的电子不能起导电作用。 (2)空带： 由原子的激发态能级 分裂形成的能带， 其所有能级都没有电子填入， 这种能带叫做空带。 (3)价带： 由原子中的价电子所在能级分裂形成的能带称为价带。 价带中的各能级一般没有全部填满电子， 故其中的电子具有导电性能。也有一些晶体的价带是满带。 满带空带价带导带禁带禁带(4)导带： 价带中的电子有导电作用， 这种能带又叫做导带。 价带的电子获得足够能量 进入到空带中， 这种电子也具有导电性， 因而空带也属于导带之列。 (5)禁带： 在满带与价带间、 价带与空带间 存在一没有电子能级的区域，称为禁带。 满带价带禁带（a）二 导体、绝缘体、
3、半导体1 导体的能带结构： 单价金属晶体(如Li)一类的能级结构 价带未填满电子，是导带。 导带满带（b）空带二价金属(如Be，Mg等)一类的能级结构，其满带与空带部分重叠，形成一个导带。 导带满带价带（c）空带金属晶体(如Na，K，Cu等)的能级结构 其价带本来就未被电子填满， 而这个价带又与空带重叠。 导带满带空带禁带（a）2 绝缘体的能带结构 价带是满带， 价带与空带之间有一较宽的禁带 离子晶体(如NaCl，KCl等) 分子晶体(如 、 等) ，属于这一类。满带空带禁带（b）3 半导体的能带结构 价带是满带， 价带与空带之间禁带宽度很小 价带中的电子被激发到空带，就可参与导电； 价带中留
4、下空穴也具有导电性。 锗、硅等属于此类。 空带满带Eg在室温下，外界的光、热和电的作用能导致满带中能量较高的电子发生跃迁， 激发到空带中，把空带变为导带。同时，这一跃迁在原来的满带中 留下一些空能级， 这些空能级称为空穴。 在半导体中， 电子和空穴对电流 的形成都有贡献， 但是其导电机制不同。 空穴可看成带正电荷 的准粒子。空带满带Eg导带中的电子受外电场的作用，因定向运动而形成电流。满带中的空穴，总会有其他能态的电子来填充，而在这个电子能态中又产生了新的空穴。在外电场的作用下， 这种电子填充空穴的运动也是定向的， 因而也形成电流。电子填补空穴的运动， 可以看成带单位正电荷的粒子的运动， 只是
5、这正粒子与填充电子的运动方向相反。 空穴导电 满带导带禁 带本征半导体1 本征半导体 纯净的半导体单晶材料， 无任何杂质与缺陷， 原子的排列遵循严格的周期性。 本征激发中， 从价带中激发到导带的电子浓度 与价带中的空穴浓度相等。导电的电子和空穴称为本征载流子。 三 半导体的类型2 杂质半导体 n 型半导体 举例 4 价的硅+ 5 价的磷Si Si Si SiSi Si SiP纯净的半导体中掺入适当杂质也能对半导体提供载流子，这类半导体叫杂质半导体。 （1）n型半导体 杂质原子(族元素，五价元素)与晶体原子(族元素，四价元素)结合形成共价键后，多余一个价电子 满带导带禁 带n型半导体施主 能级多
6、余的价电子受束缚很弱， 能级处于禁带内靠近导带底部。 当这电子获得不大的能量时， 就可进入导带为自由电子。 能提供电子作为载流子的杂质称施主杂质， 在禁带中这样的杂质能级 称施主能级。 本征激发 P 型半导体 举例 4 价的硅+ 3 价的硼 Si Si Si SiSi Si SiB（2）p型半导体 杂质原子(族元素，三价元素)与晶体原子(族元素，四价元素)结合形成共价键,尚缺少一个电子而出现空穴 满带导带禁 带p型半导体受主 能级本征激发 多余空穴的能级处于 禁带内而靠近价带顶部。 附近晶体原子的价电子 不需增添多大的能量 就可容易地填补这个空穴， 而在原先价带上出现一空穴。 能向价带提供空穴
7、作为载流子的杂质称为受主杂质， 在禁带这样的杂质能级称受主能级。 四 p -n 结在 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，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型半导体交界面附近产生了一个内建（电）场该区就成为p型半导体(补偿作用)。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p型n型p-n结处存在电势差U0形成的势垒区 。也阻止n区带负电的电子进一步向p区扩散。它阻止 p区带正电的空穴进一步向n区扩散；U0电子能级电势曲线电子电势能曲线p-n结n
8、p对 Si: U0=0.60.7 V对Ge: U0=0.20.3 Vp - n结的单向导电性p-n结的p型区接电源正极，叫正向偏压。阻挡层势垒降低、变窄，有利于空穴向n区运动，也有利于电子向p区运动，和反向，这些都形成正向电流（m级）。p型n型I+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。U（伏）302010（毫安）正向00.21.0I 锗管的伏安特性曲线p-n结的p型区接电源负极，叫反向偏压。也不利于电子向p区运动。阻挡层势垒 升高、变宽，不利于空穴向 n区运动，和同向，会形成很弱的反向电流，称漏电流（级）I无正向电流p型n型+但是由于少数载流子的存在，当外电场很强，反向
9、电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大 反向击穿。V (伏)I-10-20-30（微安）反向-20-30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），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。巴丁 J.Bardeen布拉顿 W.H.Brattain肖克利 W.Shockley大连理工大学 物理与光电工程学院詹卫伸1. 了解基尔霍夫定律及黑
10、体辐射的两个实验定律。了解普朗克量子假设。 2. 理解光电效应和康普顿效应的实验规律，以及爱因斯坦的光子理论对这两个效应的解释。理解光的波粒二象性。 3.了解德布罗意的物质波假设，理解实物粒子的波粒二象性。 4.理解描述物质波动性的物理量（波长、频率）与粒子性的物理量（动量、能量）间的关系。 5.理解氢原子光谱的实验规律及玻尔的氢原子理论。了解该理论的意义和局限性。一、基本要求6.了解波函数及其统计解释。了解一维坐标动量不确定关系。了解一维定态的薛定谔方程。 7.了解如何用波观点说明能量量子化。了解角动量量子化及空间量子化。了解斯忒恩盖拉赫实验及微观粒子的自旋。 8.了解描述原子中电子运动状态
11、的四个量子数，了解泡利不相容原理和原子的电子壳层结构。 9了解激光的形成、特性及其应用。 10了解固体能带的形成，并用能带观点区分导体、半导体和绝缘体。了解本征半导体、n型半导体和p型半导体。物体中作热热运动动的带电带电 粒子所辐辐射的电电磁波称为热辐为热辐 射。表示平衡热辐热辐 射场场的单单色辐辐射通量。二、内容提要1黑体辐射基尔霍夫定律处于同温度的各物体， 它们的单色辐射本领与单色吸收率的比值彼此相等。黑体 单单色吸收率恒等于1的物体称为为黑体。黑体在某一温度下的总发总发 射本领领维维恩位移定律黑体的峰值波长与绝对绝对 温度成反比黑体的单色辐射本领即为 斯忒藩一玻尔兹曼定律普朗克量子假设
12、一个频频率为为的谐振子普朗克常数其能量只能取的整数倍。与绝对温度的四次方成正比光照射某些金属时，能从表面释放出电子的效应。2、光电效应光电效应中产生的 电子称为“光电子”。金属逸出带 电粒子VGKA i光电效应的实验规律VGKA i逸出的光电子具有一定初动能AK加正向电压时， 具有一定初速度的光电子 在电场加速下向阳极A运动， 就形成光电流。 AK加反向电压， 光电子在电场减速下向阳极A运动 如果反向电压小， 光电子仍能到达阳极，形成光电流； 当反向电压达到某值时， 具有最大初动能的光电子也不能 到达阳极A，就不能形成光电流。 注意：不能以光电流的有无来判断光电效应是否发生， 而应以是否有光电
13、子逸出为判断光电效应是否发生的标准。 VGKAi（1） 红限频率的存在 实验表明，只有当入射光的频率大于某一值 时，实验还表明，不同金属的红限频率不同。才能从金属表面释放电子。 当入射光的频率 时， 无论光强多强、照射时间多长、加的正向电压多大，都不会有光电流产生，即不能发生光电效应。 而 的光都能产生光电效应。 这一频率 称为红限频率，相应的光波长 称为红限波长。2 光电流与正向电压的关系当用大于红限频率的某固定频率的光照射某金属时，饱和现象说明，此时， 单位时间内从阴极逸出的光电子已经全部阳极接收。VGKAi 照射光强饱和 光电流I20光强一定时，光电流随加速电压的增加而增加； 当加速电压
14、增加到一定值时，光电流不再增加， 而是达到一饱和值 。VGKAi3 饱和电流与入射光强的关系当用大于红限频率的某固定频率的光照射某金属时，实验表明，饱和电流 与光强 成正比。饱和光电流0I1I2I2I1照射光强VGKA i当反向（减速电压）增加时，电流并不为零。4 截止电压I1饱和光电流I2I2I10照射光强仅当反向电压等于某值 时，电流为零； 再增加反向电压，电流一直为零。这一电压值 称为截止电压。截止电压的存在说明，此时， 从阴极K逸出的具有最大初动能的光电子， 由于受到外加电场的阻碍， 也不能到达阳极A了。 根据能量分析， 得到光电子从阴极K逸出时的最大初动能 与截止电压的关系 5 截止
15、电压与入射光频率的关系VGKA i截止电压与入射光频率成线性关系。 而且，对于不同的金属材料，其直线平行。 是普适常数与材料无关 不同材料 值不同 (1014Hz )Na5. 5Ca7.5CaNa5. 5(1014Hz )7.5可见，入射光的频率必须大于某一值， 才能使 ，电子才能逸出金属表面成为光电子， 才能发生光电效应。这一极限值就是红限频率 6 光电效应与光照时间的关系光电子的逸出，几乎是在光照射到金属表面的那一刻发生的，其延时在 以下。即使用极弱的光，只要光频率大于红限频率，光电效应的发生几乎与光照时间无关。 用光的波动理论无法解释光电效应实验事实。如果把光看成纯粹的电磁波，则光电子的初动能应与照射光的强度有关； 只要照射时间足够长，使电子的能量充分累积， 最终一定能产生光电子，而不会存在极限频率；电子需要能量积累过程， 一定会存在一个滞后的时间，这些都与实验规律相矛盾。 X射线线照射在石墨上产产生散射。随散射角 增大而增大。经经典理论对论对 康普顿顿效应应也无法解释释。 按照经经典电电磁理论论，当电电磁辐辐射通过过物质时质时 ， 被散射的辐辐射应应与入射辐辐射具有相同的波长长康普顿效应在散射光中除了有与入射光相同的波长为的射线外 ，还有波长为
