固体的能带结构资料

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1、第 三 章 固体的能带结构,1,前言,1 固体的能带,一. 电子共有化,固体具有大量分子、原子或离子有规则 排列的点阵结构。,电子受到周期性势场的作用。,第 三 章 固体的能带结构,2,解定态薛定格方程(略）， 可以得出两点重要结论：,.电子的能量是量子化的;,.电子的运动有隧道效应。,原子的外层电子(高能级)， 势垒穿透概率 较大， 电子可以在整个固体中运动,称为 共有化电子。,原子的内层电子与原子核结合较紧,一般 不是 共有化电子。,3,二. 能带(energy band),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

2、近的能级,称为能带。,固体中的电子能级 有什么特点？,4,能带的宽度记作E ，数量级为 EeV。,若N1023,则能带中两能级的间距约10-23eV。,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。,5,离子间距,a,2P,2S,1S,E,0,能带重叠示意图,6,三 . 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的 某一能级上。,排布原则：,. 服从泡里不相容原理（费米子）,. 服从能量最小原理,设孤立原子的一个能级 Enl ，它最多能容纳 2 (2 +1)个电子。,这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后， 能带

3、最多能容纳(2 +1)个电子。,7,电子排布时，应从最低的能级排起。,有关能带被占据情况的几个名词：,1满带（排满电子）,2价带（能带中一部分能级排满电子） 亦称导带,3空带（未排电子） 亦称导带,4禁带（不能排电子）,2、能带，最多容纳 6个电子。,例如，1、能带，最多容纳 2个电子。,(2 +1),8,2 导体和绝缘体 （conductor insulator）,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,9,导体,导体,导体,半导体,绝缘体,Eg,Eg,Eg,10,在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。,从能级图上来看，

4、是因为其共有化电子 很易从低能级跃迁到高能级上去。,E,导体,11,从能级图上来看，是因为满带与空带之间 有一个较宽的禁带（Eg 约36 eV）， 共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到 高能级（空带）上去。,在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。,的能带结构,满带与空带之间也是禁带， 但是禁带很窄（E g 约0.12 eV )。,绝缘体,半导体,12,绝缘体与半导体的击穿,当外电场非常强时，它们的共有化电子还是 能越过禁带跃迁到上面的空带中的。,绝缘体,半导体,导体,13, 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

5、体。,本征半导体的导电性能在导体与绝缘体 之间。,介绍两个概念：,1. 电子导电半导体的载流子是电子,2. 空穴导电半导体的载流子是空穴,满带上的一个电子跃迁到空带后, 满带中出现一个空位。,14,例. 半导体 Cd S,15,这相当于产生了一个带正电的粒子 (称为“空穴”) , 把电子抵消了。,电子和空穴总是成对出现的。,16,空带,满带,空穴下面能级上 的电子可以跃迁 到空穴上来, 这相当于空穴 向下跃迁。,满带上带正电的 空穴向下跃迁也 是形成电流, 这称为空穴导电。,在外电场作用下,17,解,上例中,半导体 Cd S激发电子, 光波的波长最大多长？,18,为什么半导体的电阻 随温度升高

6、而降低？,19,二. 杂质半导体,. n型半导体,四价的本征半导体 Si、等，掺入少量五价的杂质（impurity）元素（如P、As等）形成电子型半导体,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。,该能级称为施主（donor）能级。,20,n 型半导体,在n型半导体中 电子多数载流子,空 带,施主能级,ED,空穴少数载流子,21,.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、n等） 形成空穴型半导体，称 p 型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的 能级在禁带中紧靠满带处，ED

7、10-2eV， 极易产生空穴导电。,该能级称受主（acceptor）能级。,22,空 带,Ea,受主能级,P型半导体,在p型半导体中 空穴多数载流子,电子少数载流子,23,3. n型化合物半导体,例如，化合物GaAs中掺，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.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。,24,三. 杂质补偿作用,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ndna为n型（施主）,若ndna为p型（受主）,利用杂质

8、的补偿作用， 可以制成P-结。,25,4 -结,一.-结的形成,在一块 n 型半导体基片的一侧掺入 较高浓度的受主杂质，由于杂质的 补偿作用，该区就成为型半导体。,由于区的电子向区扩散，区的 空穴向区扩散，在型半导体和 型半导体的交界面附近产生了一个电 场,称为内建场。,26,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。,在型 n型交界面 附近形成的这种特 殊结构称为P-N结， 约0.1m厚。,内建场阻止电子 和空穴进一步扩 散，记作 。,27,P-N结处存在电势差Uo。,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；,28,考

9、虑到P-结的存在，半导体中电子 的能量应考虑进这内建场带来的电子 附加势能。,电子的能带 出现弯曲现象。,29,30,二 . -结的单向导电性,. 正向偏压,在-结 的p型区接 电源正极， 叫正向偏压。,阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴 向N区运动，电子向P区运动， 形成正向电流（m级）。,31,外加正向电压越大， 正向电流也越大， 而且是呈非线性的 伏安特性(图为锗管)。,32,. 反向偏压,在-结的型区接电源负极, 叫反向偏压。,阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向区运动，也不利于电子向P区运动,没有正向电流。,33,但是，由于少数 载流子的存在， 会形成很弱的反 向电流，,当外电场很强,

10、反向电压超过某一数值后， 反向电流会急剧增大-反向击穿。,称为漏电流 （级）。,34,利用P-N结 可以作成具有整流、开关等 作用的晶体二极管（diode）。,35, 半导体的其他特性和应用,热敏电阻（自学）,光敏电阻（自学）,温差电偶（自学）,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），以 及其他一些晶体管。,集成电路：,36,1947年12月23日，美国贝尔实验室 的半导体小组做出了世界上第一只 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。,37,后来，晶体管又从点接触型发展到面接触型。,晶体管比真空电子管体积小，重量轻， 成

11、本低，可靠性高，寿命长，很快成为 第二代电子器件。,38,集成电路,大规模集成电路,超大规模集成电路,下图为INMOS T900 微处理器:,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。,39,40,半导体激光器,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。,核心部分是 p型 GaAs 和 n型 GaAs 构成的 P-N结 （通过掺杂补偿工艺制得）。,最简单的GaAs同质结半导体激光器，,41,典型尺寸：,长 L = 250500 m 宽 = 510 m 厚 d = 0.10.2 m,它的激励能源 是外加电压 (电泵)在正向 偏压下工作。,42,当正向电压大到一定程度时，在某些特 定的能级之间造成粒子数反转的状态， 形成电子与空穴复合发光。,P-结本身就形成一个光学谐振腔， 它的两个端面就相当于两个反射镜， 形成激光振荡,适当镀膜后可达到所要求的很高的 反射系数，并利于选频。,有大量载流子跃迁到较高能量的能级上。,由自发辐射引起受激辐射。.,43,半导体激光器的特点：,第三章结束,功率可达 102 mW,效率高,制造方便,成本低,所需电压低(只需1.5V ),体积小,极易与光纤接合,44,