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1、同学们好！,第2页 共32页,复习上讲内容：,氢原子结构的量子理论,求解过程中为了使波函数满足归一化条件和标准条件，自然引入三个量子数 ：n, l, ml,第3页 共32页,史特恩盖拉赫实验 目的：研究角动量空间量子化,2s+1=2,第4页 共32页,决定原子中电子状态的四个量子数(n, l, ml, ms),多电子原子中的电子分布,1) 四个量子数标准其电子的状态。 2) 泡利不相容原理。 3) 能量最小原理。,第5页 共32页,第一节 半导体物理基础,现代固体物理学的研究结果表明，固体材料的物理性质主要是组成固体的原子的外层电子的行为所决定。所以固体物理学的主要任务是描述这些外层电子在一给
2、定固体中的运动状态，在此基础上去理解和解释固体材料所表现出的各种物理性质。由于微观粒子的波粒二象性，电子运动的精确描述要采用量子力学。,固体能带理论是处理固体中电子运动及半导体理论研究的基础理论。其中对晶体的研究已形成较成熟的理论，而对非晶体的研究正在迅速发展之中。下面我们主要对晶体进行讨论。,第二十章 量子理论应用简介,第6页 共32页,价电子轨道半径 0.19 nm,金属钠离子实的间距为 0.37 nm,固体能带理论,第7页 共32页,电子共有化,电子云重叠：相邻原子的电子云重叠，重叠区域中出现的电子不能简单归属于某一特定母核，属于相邻原子或整个晶体共有。,第8页 共32页,多电子问题,二
3、、量子力学处理晶体中电子问题的思路,写出电子在晶体中的势函数具体表达形式,第9页 共32页,势能函数举例：价电子在钠离子场中,单个钠离子,第10页 共32页,解定态薛定谔方程得波函数 布洛赫波函数,重要结论：晶体中能级 能带,第11页 共32页,三、晶体的能带结构,1)晶体中电子的状态 电子共有化。,1. 形成能带的原因,第12页 共32页,第13页 共32页,原子能级扩展成能带 每个能带中有 N 个准连续的子能级,禁带,允许能带,允许能带 (有能量交叠),2,第14页 共32页,2)能带宽度随能量增加而增加，随离子对电子约束程度增加而减少。,1)能带由准连续的N个子能级组成，能带之间用禁带分
4、开，原子数N变化时，能带宽度不变，密度变化。,2. 能带特点,第15页 共32页,3)每个角量子数一定的能带中最多容纳的电子数为,2(2l+1)N,第16页 共32页,5) 不同能带有可能重叠,6) 晶体中有杂质或缺陷时，破坏了周期性结构，禁带中可能出现杂质能级。,第17页 共32页,四、导体 绝缘体 半导体的能带特征,以 l = 0 ，即每个子能级至多容纳 2 个电子为例：,第18页 共32页,1. 导体的能带结构,1) 价带为导带：,第19页 共32页,2) 价带为满带, 与相邻空带紧密衔接或部分重叠:,3) 价带为导带，又与空带部分重叠:,第20页 共32页,2. 绝缘体的能带结构,价带
5、为满带，且与空带间的禁带较宽。,第21页 共32页,1) 本征半导体 (纯净半导体),第22页 共32页,空穴导电示意,外场作用下原满带中电子填补空穴，满带中空穴沿电场方向运动 空穴导电。,第23页 共32页,第24页 共32页,3) P型半导体（四价元素中掺入三价元素）,第25页 共32页,掺杂半导体N型半导体， P型半导体,电子浓度约为 2.5 1016/ cm3,价 带,空 带,导带,施主能级,禁带宽1.10 eV,Ei =0.05 eV,满 带,受主能级,满带电子被激发跃迁，形成空穴。,第26页 共32页,一、P-N结,1. P-N结的形成及其对扩散的阻挡作用,电子能带弯曲 ， 电势高
6、处，电势能低。,半导体的微结构,第27页 共32页,2. P-N结的单向导电性,P-N 结的单向导电性,第28页 共32页,介绍：半导体的其它特性和应用,第29页 共32页,集成电路：,P-N结的适当组合可以制成具有放大作用的晶体三极管以及各种晶体管，制成集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路。,第30页 共32页,体积小，极易与光纤结合，成本低，制造方便，所需电压低(只需1.5V)，功率可达102 mW。,P-N结本身就形成一个光学谐振腔, 两个端面相当于两个反射镜, 适当镀膜后可达到所要求的反射系数, 形成激光振荡, 并利于选频。,第31页 共32页,二、量子阱和超晶格,当一个电子处于图所示的理想势场中运动时，其能量只能取不连续的值；电子所处的这种势场即为量子阱。,两相邻势阱中电子的波函数不能相互耦合,多量子阱：多个相对独立的量子阱周期排列而成的结构。,第32页 共32页,利用薄膜生长技术、气相淀积技术等，可以改变势函数的结构，实现按需要创造特殊能带结构的材料。,超晶格：人造的、周期势的周期远大于一般天然晶 体晶格周期的一维周期结构。,
