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1、B若氢原子中的电子处于主量子数 n = 3 的能级，则电子轨道(gudo)角动量 L 和轨道(gudo)角动量在外磁场方向的分量 Lz 可能取的值分别为(A) L = ，2，3；Lz = 0，2，3。 (B) L = 0， ， ；Lz = 0，2。 (C) L = 0，2；Lz = 0，2。 (D) L = ， ， ；Lz = 0，2，3。 B在氢原子的 L 壳层中，电子(dinz)可能具有的量子数(n，l，ml，ms)是 (A)(1，0，0，-1/2)。(B)(2，1，-1，1/2)。(C)(2，0，1，-1/2)。(D)(3，1，-1，-1/2)。第1页/共60页第一页，共61页。C在原子
2、的 L 壳层中，电子可能具有的四个量子数(n，l，ml，ms)是 (1) (2，0，1，1/2)。 (2) (2，1，0，-1/2)。 (3) (2，1，1，1/2)。 (4) (2，1，-1，-1/2)。 以上四种(s zhn)取值中，哪些是正确的？ (A) 只有 (1)、(2) 是正确的。 (B) 只有 (2)、(3) 是正确的。 (C) 只有 (2)、(3)、(4) 是正确的。 (D) 全部是正确的。 第2页/共60页第二页，共61页。C氢原子中处于氢原子中处于(chy) 2p 状态的电子，描述其四个量子状态的电子，描述其四个量子数数(n，l，ml，ms)可能取的值为可能取的值为(A)(
3、3，2，1，-1/2)。 (B)(2，0，0，1/2)。(C)(2，1，-1，-1/2)。 (D)(1，0，0，1/2)。B下列各组量子数中，那一组可以描述(mio sh)原子中电子的状态？(A) n = 2，l = 2，ml = 0，ms = 1/2。(B) n = 3，l = 1，ml = -1，ms = -1/2。(C) n = 1，l = 2，ml = 1，ms = -1/2。 (D) n = 1，l = 0，ml = 1，ms = -1/2。 D直接证实直接证实(zhngsh)了电子自旋存在的最早的实验之一是了电子自旋存在的最早的实验之一是(A) 康普顿实验。康普顿实验。 (B) 卢
4、瑟福实验。卢瑟福实验。(C) 戴维逊戴维逊 - 革末实验。革末实验。 (D) 斯特恩斯特恩 - 盖拉赫实验。盖拉赫实验。 第3页/共60页第三页，共61页。B氢原子的电子(dinz)跃迁到 L 壳层(主量子数 n = 2) p 次壳层的某量子态上，该量子态的四个量子数可能为(A) n = 2，l = 1，ml = 2，ms = 1/2。 (B) n = 2，l = 1，ml = 0，ms = -1/2。 (C) n = 2，l = 0，ml = 1，ms = 1/2。 (D) n = 2，l = 0，ml = 0，ms = -1/2。 C氩氩(Z = 18)原子原子(yunz)基态的电子组态是
5、：基态的电子组态是： (A) 1s2 2s8 3p8。 (B) 1s2 2s22p6 3d8。(C) 1s2 2s22p6 3s23p6。 (D) 1s2 2s22p6 3p43d2。 第4页/共60页第四页，共61页。( (1) ) 主量子数主量子数 n： n = 1，2，3，它决定原子它决定原子(yunz)中电子的能量中电子的能量n 一定一定(ydng)，有，有 2n2 个可能状态。个可能状态。( (2) ) 角量子数角量子数 l： l = 0，1，2，( (n 1) )它决定电子绕核运动的角动量的大小。它决定电子绕核运动的角动量的大小。当主量子数当主量子数 n 相同，相同，L 可有可有
6、n 个不同角动量值。个不同角动量值。n、l 一定，有一定，有 2(2l + 1)个可能个可能(knng)状态。状态。( (3) ) 轨道磁量子数轨道磁量子数 ml：ml = 0， 1， 2， l 它决定电子绕核运动的角动量矢量它决定电子绕核运动的角动量矢量 在外磁场中的指向。在外磁场中的指向。角动量投影值为：角动量投影值为：Lz = ml，n、l、ml 一定，有一定，有2个可能状态。个可能状态。( (4) ) 自旋磁量子数自旋磁量子数 ml：ms = 1/ /2 四个量子数四个量子数它决定电子自旋角动量矢量它决定电子自旋角动量矢量 ( )( )在外磁场中的指向。在外磁场中的指向。Sz = ms
7、，只有二个值。只有二个值。第5页/共60页第五页，共61页。613.2 固体固体(gt)能带能带(Energy band)理论理论 金属自由电子理论忽略了正离子周期性势场对电金属自由电子理论忽略了正离子周期性势场对电子运动的影响。若考虑子运动的影响。若考虑(kol)其作用，则产生能带。其作用，则产生能带。一、固体一、固体(gt)的能带：的能带： 以两个以两个 Na 原子形成原子形成 Na2 分子为例，分子为例， 设设 1 和和 2 分别为两个分别为两个 Na 原子的价电子原子的价电子( (3s电子电子) )的波函数，的波函数， 为为 Na2 分子的共有化电子的波函数。分子的共有化电子的波函数。
8、 波函数叠加波函数叠加 = 1 + 2 概率分布概率分布 | |2 = | 1 + 2|2 = | 1|2 + | 2|2 + 1* 2 + 1 2* 当原子相距无穷远时，交换项当原子相距无穷远时，交换项 1* 2 + 1 2* = 0当原子接近时，若当原子接近时，若 1* 2 + 1 2* 0，| |2 | 1|2 +| 2|2则形成化学键，能量则形成化学键，能量 ；否则不形成化学键，能量；否则不形成化学键，能量 。第6页/共60页第六页，共61页。7 1 2 1 2 | |2| |2两两个个 Na 原原子子(yunz)接接近近时时的的电电子子云云分分布布和和波波函数函数第7页/共60页第七
9、页，共61页。1. 电子电子(dinz)的能量是量子化的；的能量是量子化的；2. 电子的运动有隧道电子的运动有隧道(sudo)效应。效应。原子的最外层电子，其势垒穿透概率较大，电子原子的最外层电子，其势垒穿透概率较大，电子可以在整个固体可以在整个固体(gt)中运动，称为共有化电子。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原子的内层电子与原子核结合较紧, 一般不是共有化一般不是共有化电子。电子。对于一般情况通过解薛定谔方程，通过解薛定谔方程， 得出两点得出两点重要结论重要结论：第8页/共60页第八页，共61页。完全分离完全分离(fnl)的的两个氢原子能级两个氢原子能级两个两个(li
10、n )氢原子靠得很近氢原子靠得很近的能级的能级六个氢原子靠六个氢原子靠得很近的能级得很近的能级(nngj)第9页/共60页第九页，共61页。1. 能带的形成能带的形成(xngchng)r0ErNa3s(1) (1) 当原子孤立存在时，具当原子孤立存在时，具 有各自有各自(gz)(gz)能级。能级。(2) (2) 当两原子靠近时，每个当两原子靠近时，每个 能级一分为二，曲线能级一分为二，曲线 1 1 能量降低，形成能量降低，形成(xngchng)(xngchng)分子；分子； 曲线曲线 2 2 能量升高，不形能量升高，不形 成分子。成分子。r0 r0 为键长，能级为键长，能级 E1 E1 占据，
11、能级占据，能级 E2 E2 空闲。空闲。( (3) ) N 个个 Na 原子聚集时，每个能级分裂为原子聚集时，每个能级分裂为 N 个能级，一半个能级，一半能级占据，一半能级空闲。能级占据，一半能级空闲。( (4) ) 形成形成 Na 晶体时，分裂的能级晶体时，分裂的能级( (间隔极小间隔极小) )组成组成能带能带， 一半能带占据，一半能带空闲。一半能带占据，一半能带空闲。21E1E2第10页/共60页第十页，共61页。Er3s3p4s2pr0r1能带能带能带能带不同能带之间可能不同能带之间可能(knng)发发生重叠。生重叠。 能带的形成来源于原子的相互作用，或波函数的能带的形成来源于原子的相互
12、作用，或波函数的交叠交叠(jio di)。能带理论适用于金属、绝缘体、半导体。能带理论适用于金属、绝缘体、半导体。第11页/共60页第十一页，共61页。1. 1. 能带的形成能带的形成(xngchng)(2)(xngchng)(2)量子力学计算表明，固体中若有量子力学计算表明，固体中若有 N 个原子，由个原子，由于各原子间的相互作用，对应于各原子间的相互作用，对应(duyng)于原来于原来孤立原子的每一个量子化的能级，变成了孤立原子的每一个量子化的能级，变成了 N 条条靠得很近的能级，是准连续的，称为能带。靠得很近的能级，是准连续的，称为能带。能带的宽度能带的宽度(kund)记作记作 E，数量
13、级为数量级为 E eV。若若 N 1023，则能带中两能，则能带中两能级的间距约级的间距约 10-23 eV。第12页/共60页第十二页，共61页。离子离子(lz)间距间距a2p2s1sE0能带重叠能带重叠(chngdi)示意图示意图能带结构的一般能带结构的一般(ybn)规律：规律：1. 越是外层电子，越是外层电子， 能带越宽，能带越宽， E 越大。越大。2. 点阵间距越小，点阵间距越小， 能带越宽，能带越宽， E 越大。越大。3. 两个能带有可能重叠。两个能带有可能重叠。第13页/共60页第十三页，共61页。2. 能带中电子能带中电子(dinz)的排布的排布固体中的每一个固体中的每一个(y
14、)电子只能处在某个能带中的某一电子只能处在某个能带中的某一能级上。能级上。电子电子(dinz)排布原则：排布原则： 1. 服从服从泡里不相容原理泡里不相容原理 2. 服从服从能量最小原理能量最小原理设设孤立原子孤立原子的一个能级的一个能级 Enl，考虑自旋，考虑自旋，它它最多能容最多能容纳纳 2( (2l + 1) ) 个电子个电子。这一能级分裂成由这一能级分裂成由 N 条能级组成的能带后，能带条能级组成的能带后，能带最多能容纳最多能容纳 2N( (2l + 1) ) 个电子。个电子。并且，电子排布时，应从最低的能级排起。并且，电子排布时，应从最低的能级排起。2p、3p 能带，最多容纳能带，最
15、多容纳 6N 个电子。个电子。例如，例如，1s、2s 能带，最多容纳能带，最多容纳 2N 个电子。个电子。第14页/共60页第十四页，共61页。2p、3p 能带，最多容纳能带，最多容纳(rngn) 6N 个电个电子。子。例如，例如，1s、2s 能带，最多容纳能带，最多容纳(rngn) 2N 个个电子。电子。每个能带最多容纳 2N 个电子每个能带最多容纳 6N 个电子单个单个Mg原子原子1s2s2p3s3p 晶体晶体Mg ( (N 个原子个原子) )电子电子(dinz)排布排布应从最低的能级排应从最低的能级排起。起。第15页/共60页第十五页，共61页。二、固体二、固体(gt)导电性能的能带论解
16、导电性能的能带论解释释 1. 禁带禁带由于原子的每个能级在晶体中由于原子的每个能级在晶体中要分裂要分裂(fnli)成相应的一个成相应的一个能带，在两个相邻能带间，可能带，在两个相邻能带间，可能有一个不被允许的能量间隔，能有一个不被允许的能量间隔，这个能量间隔称为禁带。这个能量间隔称为禁带。2. 能带的分类能带的分类(fn li)：满带、不满带和空带：满带、不满带和空带满带满带：若能带中各个能级全部被电子填满，则称为满带。若能带中各个能级全部被电子填满，则称为满带。非满带非满带：若能带中只有一部分能级填入电子，则称为非满带。若能带中只有一部分能级填入电子，则称为非满带。空带空带：若能带中各个能级
17、都没有电子填充，则称为空带。若能带中各个能级都没有电子填充，则称为空带。价带价带：价电子的能级所分裂而形成的能带称为价带。价电子的能级所分裂而形成的能带称为价带。导带导带：空带和未被价电子填满的价带称为导带。空带和未被价电子填满的价带称为导带。禁带禁带 满带满带导带导带禁带禁带空带空带非满带非满带第16页/共60页第十六页，共61页。3. 绝缘体、导体(dot)和半导体(dot)( (1) ) 绝缘体绝缘体导带 (空带)满带 Eg 3 eV 价带价带能带的特征：能带的特征：(1) 只有满带和空带；只有满带和空带； (2) 满带和空带之间有满带和空带之间有 较宽的禁带，禁带较宽的禁带，禁带 宽度
18、宽度(kund)一般大于一般大于 3 eV。由于满带中的电子不参与导电，一般外加由于满带中的电子不参与导电，一般外加电场又不足以将满带中的电子激发到空带，电场又不足以将满带中的电子激发到空带，此类晶体导电性极差，称为绝缘体。此类晶体导电性极差，称为绝缘体。( (2) ) 半导体半导体导电能力介于导体与绝缘体之间的晶导电能力介于导体与绝缘体之间的晶体称为体称为(chn wi)半导体，它的能带半导体，它的能带结构也只有满带和空带，与绝缘体的结构也只有满带和空带，与绝缘体的能带相似，差别在于禁带宽度不同，能带相似，差别在于禁带宽度不同，半导体的禁带宽度一般较小，在半导体的禁带宽度一般较小，在 2 e
19、V 以下。以下。导带 (空带)满带 Eg 2 eV 价带价带第17页/共60页第十七页，共61页。(3) (3) 导体导体(dot)(dot) 一价碱金属，价带为不满一价碱金属，价带为不满(bmn)带；带；导带(非满带)满带 价带价带一价碱金属一价碱金属导带(空带)满带 价带价带二价碱金属二价碱金属空带满带 价带价带导带(非满带)其它金属其它金属其它金属其它金属(jnsh)的能带，其价带为不满带，且与空带重叠。的能带，其价带为不满带，且与空带重叠。当外电场作用于晶体时，价带中的电子可以进入较高能级，从而可以当外电场作用于晶体时，价带中的电子可以进入较高能级，从而可以形成电流，这正是导体具有良好
20、导电性能的原因。形成电流，这正是导体具有良好导电性能的原因。 二价碱金属，价带为满带，但满带与空带紧密相接或部分二价碱金属，价带为满带，但满带与空带紧密相接或部分 重叠；重叠；第18页/共60页第十八页，共61页。绝缘体与半导体的击穿(j chun)当外电场当外电场(din chng)非常强时，它们的共有化电子还是非常强时，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。能越过禁带跃迁到上面的空带中的。绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体(dot)第19页/共60页第十九页，共61页。例例 固体物理中一般取脱离金属束缚的电子的能量为正固体物理中一般取脱离金属束缚的电子的能量为正值，束缚于金属中
21、的电子的能量为负值，而刚好逸值，束缚于金属中的电子的能量为负值，而刚好逸出金属的静止电子的能量为零出金属的静止电子的能量为零(该能级叫真空能级该能级叫真空能级)。利用下列数据计算钠金属的费米能量和导带底能量。利用下列数据计算钠金属的费米能量和导带底能量。(1) 用波长为用波长为 300nm 的单色光照射的单色光照射(zhosh)钠金属，钠金属，发出光电子的最大初动能为发出光电子的最大初动能为 1.84eV；(2) 密度密度 971kg/m3，摩尔质量，摩尔质量 23.0g/mol。 EbEF真空能级真空能级E0 =0A导带底导带底解：利用光电效应解：利用光电效应(un din xio yng)
22、方程，得逸出功方程，得逸出功第20页/共60页第二十页，共61页。EbEF真空能级真空能级E0 =0A导带底导带底逸出功就是(jish)电子从费米能级跃迁至真空能级所吸收的能量，因此费米能量 利用自由电子利用自由电子(z yu din z)气模型费米能量公式，气模型费米能量公式，导带底能量为导带底能量为第21页/共60页第二十一页，共61页。解:例例 用光来激发半导体硫化镉用光来激发半导体硫化镉(CdS)中的电子，使之能够中的电子，使之能够(nnggu)成为载流子，光波波长最大为多少？已成为载流子，光波波长最大为多少？已知禁带宽度知禁带宽度 Eg = 2.42 eV。第22页/共60页第二十二
23、页，共61页。例例 估计金刚石的电击穿场强。已知金刚石的估计金刚石的电击穿场强。已知金刚石的禁带宽度禁带宽度 Eg = 5.5 eV，电子运动的平均，电子运动的平均(pngjn)自由程自由程 = 0.2 m。 解：如果金刚石内的电子在一个平均自由程的运动过解：如果金刚石内的电子在一个平均自由程的运动过程程(guchng)中，被电场加速获得的能量能够中，被电场加速获得的能量能够使电子从价带跃迁到导带，则金刚石就被电击使电子从价带跃迁到导带，则金刚石就被电击穿。穿。以以 Eb 表示表示(biosh)击穿场强，则击穿场强，则 Eg = eEb ，由此得，由此得 第23页/共60页第二十三页，共61页
24、。13.3 半导体导电半导体导电(dodin)导带导带禁带禁带价带价带Eg一、半导体导电一、半导体导电(dodin)特点：特点：1. 禁带宽度禁带宽度 Eg 较小较小 (300K 时时 Si-1.14eV，Ge-0.67eV)， 常温下即有少量电子被激发至导带，在电场作用下常温下即有少量电子被激发至导带，在电场作用下 形成电流，但电导率介于形成电流，但电导率介于(ji y)导体和绝缘体之间。导体和绝缘体之间。2. 温度升高时，更多电子进入导带，增加电导率，有温度升高时，更多电子进入导带，增加电导率，有 热敏性和光敏性。热敏性和光敏性。3. 除电子导电外，还有空穴导电。除电子导电外，还有空穴导电
25、。价带电子跃入导带后在价带中留下价带电子跃入导带后在价带中留下的空量子态叫的空量子态叫空穴空穴。带正单位电荷。带正单位电荷。半导体导电是半导体导电是导带电子导电导带电子导电和和价带价带空穴导电空穴导电共同起作用的结果。共同起作用的结果。第24页/共60页第二十四页，共61页。二、半导体分类二、半导体分类(fn li) 1. 本征半导体本征半导体 (semiconductor) 本征半导体是指纯净本征半导体是指纯净(chnjng)的半导体。的半导体。介绍两个介绍两个(lin )概念：概念：( (1) ) 电子导电电子导电半导体的载流子是电子半导体的载流子是电子( (2) ) 空穴导电空穴导电半导
26、体的载流子是空穴半导体的载流子是空穴满带上的一个电子跃迁到空带后，满带上的一个电子跃迁到空带后，满带中出现一个空位。满带中出现一个空位。 -e +e空带空带禁带禁带满带满带 2. 杂质半导体杂质半导体( (1) ) N 型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体 Si、Ge等，等，掺入少量五价的掺入少量五价的杂质杂质( (impurity) ) 元素元素( (如如P、As等等) )形成电子型半导形成电子型半导体，称体，称 N 型半导体。型半导体。( (2) ) P 型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体 Si、Ge等，掺入少量等，掺入少量三价的三价的杂质杂质元素元素 ( (如如
27、B、Ga、In等等) )形成空穴型半导体，称形成空穴型半导体，称 P 型半导体。型半导体。第25页/共60页第二十五页，共61页。第26页/共60页第二十六页，共61页。例例 室温下纯硅中传导电子室温下纯硅中传导电子(由价带进入由价带进入(jnr)导带的电子导带的电子)的数密度的数密度 n0 约为约为1016 m-3。问多少个硅原子贡献一。问多少个硅原子贡献一个传导电子？如果向其中掺入微量磷杂质，平均每个传导电子？如果向其中掺入微量磷杂质，平均每 5 106 个硅原子有一个被磷原子取代，则传导电子数个硅原子有一个被磷原子取代，则传导电子数密度增加多少倍？密度增加多少倍？ 设每个磷原子都有一个设
28、每个磷原子都有一个 “多余的多余的” 电子进入电子进入(jnr)导带。导带。 已知硅的密度和摩尔质量分已知硅的密度和摩尔质量分别为别为 2330 kg/m3 和和 28.1 g/mol。 解：纯硅的原子数密度解：纯硅的原子数密度(md) 所以所以 nSi/n0 = 5 1028/1016 = 5 1012 个硅原子贡献个硅原子贡献(gngxin)一个传导电子。可知半导体的导电能力一个传导电子。可知半导体的导电能力比金属弱得多。比金属弱得多。 第27页/共60页第二十七页，共61页。利用已知数据利用已知数据(shj)，磷杂质原子的数密度为，磷杂质原子的数密度为 nP = nSi/5 106 =
29、1022 m-3由每个磷原子贡献由每个磷原子贡献(gngxin)一个传导电子可知，这一个传导电子可知，这也是由于掺入磷杂质而增加的传导电子数密度。也是由于掺入磷杂质而增加的传导电子数密度。所以传导所以传导(chundo)电子数密度为电子数密度为 nP + n0，增加的倍数为，增加的倍数为如此微量的杂质使传导电子增加了如此微量的杂质使传导电子增加了 100 万倍！可万倍！可见，杂质半导体的导电能力比本征半导体增强非常见，杂质半导体的导电能力比本征半导体增强非常显著。显著。 第28页/共60页第二十八页，共61页。D与绝缘体相比较，半导体能带结构的特点是 (A) 导带也是空带。 (B) 满带与导带
30、重合。 (C) 满带中总是有空穴，导带中总是有电子(dinz)。 (D) 禁带宽度较窄。B以下说法正确的是 (A) 半导体的禁带宽度大于绝缘体的禁带宽度。 (B) 导体的价带没被电子充满。 (C) 本征半导体的导电机制为价带的电子导电和导带的空穴(kn xu)导电。 (D) N 型半导体的多数载流子为价带的空穴(kn xu)，少数载流子是导带的电子。第29页/共60页第二十九页，共61页。C下述说法中，正确的是 (A) 本征半导体是电子与空穴两种载流子同时(tngsh)参予导电，而杂质半导体(n 型或 p 型)只有一种载流子(电子或空穴)参予导电，所以本征半导体导电性能比杂质半导体好。 (B)
31、 n 型半导体的导电性能优于 p 型半导体，因为 n 型半导体是负电子导电，p 型半导体是正离子导电。 (C) n 型半导体中杂质原子所形成的局部能级靠近空带(导带)的底部，使局部能级中多余的电子容易被激发跃迁到空带中去，大大提高了半导体导电性能。 (D) p 型半导体的导电机构完全决定于满带中空穴的运动。 第30页/共60页第三十页，共61页。B如果 (1) 锗用锑(五价元素(yun s)掺杂，(2) 硅用铝(三价元素(yun s)掺杂，则分别获得的半导体属于下述类型： (A) (1)，(2)均为 n 型半导体。 (B) (1)为 n 型半导体，(2)为 p 型半导体。 (C) (1)为 p
32、 型半导体，(2)为 n 型半导体。 (D) (1)，(2)均为 p 型半导体。 Bp 型半导体中杂质原子所形成的局部(jb)能级(也称受主能级)，在能带结构中应处于 (A) 满带中。 (B) 禁带中，但接近满带顶。 (C) 导带中。 (D) 禁带中，但接近导带底。D硫化镉 (CdS) 晶体(jngt)的禁带宽度为 2.42 eV，要使这种晶体(jngt)产生本征光电导，则入射到晶体(jngt)上的光的波长不能大于(A) 650 nm。 (B) 628 nm。 (C) 550 nm。 (D) 514 nm。第31页/共60页第三十一页，共61页。Dn 型半导体中杂质原子所形成的局部(jb)能级
33、(也称施主能级)，在能带结构中应处于 (A) 满带中。 (B) 导带中。 (C) 禁带中，但接近满带顶。(D) 禁带中，但接近导带底。 D激发本征半导体中传导电子的几种方法(fngf)有 (1) 热激发，(2) 光激发，(3) 用三价元素掺杂，(4) 用五价元素掺杂。对于纯锗和纯硅这类本征半导体，在上述方法(fngf)中能激发其传导电子的只有 (A) (1)和(2)。 (B) (3)和(4)。 (C) (1)(2)和(3)。 (D) (1)(2)和(4)。第32页/共60页第三十二页，共61页。33A附图是导体(dot)、半导体(dot)、绝缘体在热力学温度 T = 0 K 时的能带结构图。其
34、中属于绝缘体的能带结构是 (A)(1)。 (B)(2)。 (C)(1)，(3)。 (D)(3)。 (E)(4)。 第33页/共60页第三十三页，共61页。13.3.2 PN 结结一、一、PN 结的形成结的形成(xngchng) 在在 N 型型半导体基片的一侧半导体基片的一侧掺入较高浓度的掺入较高浓度的界面附近产生界面附近产生(chnshng)了一个了一个阻止阻止(zzh)电子和空穴进一步扩散。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P 型半导体(补偿作用)。受主杂质，内建(电)场 。该区就成为N 型型P 型型第34页/共60页第三十四页，共61页。 内建场大到一内建
35、场大到一定程度，不再有净定程度，不再有净电荷电荷(dinh)的流的流动，达到了新的平动，达到了新的平衡。衡。 在在 P 型型和和 N 型型交交界界面面附附近近形形成成(xngchng)的的这这种种特特殊殊结结构构称称为为 PN 结结(阻阻挡挡层层，耗耗尽尽层层)，其其厚厚度度约约为为 0.1 m。 PN 结结P 型型N 型型第35页/共60页第三十五页，共61页。U0电势电势(dinsh)电子电子(dinz)电势能电势能PN 结结NP第36页/共60页第三十六页，共61页。 由于由于 PN 结的存在，电子结的存在，电子(dinz)的能量应考虑进势的能量应考虑进势 这使电子能带出现这使电子能带出
36、现(chxin)弯曲：弯曲：空带空带空带空带PN 结结施主能级施主能级受主能级受主能级满带满带满带满带垒带来的附加(fji)势能。第37页/共60页第三十七页，共61页。二、二、 PN 结的单向结的单向(dn xin)导导电性电性1. 正向正向(zhn xin)偏压偏压PN 结的结的 P 型区接电源正极，叫正向型区接电源正极，叫正向(zhn xin)偏压。偏压。向向 N 区运动，区运动，阻挡层势垒降低、变窄，有利于空穴向 N 区运动，也有利于电子和和反向，反向，这些都形成正向电流(m级)。P 型型N 型型I+ 第38页/共60页第三十八页，共61页。 外加正向电压外加正向电压(diny)越大，
37、形成的正越大，形成的正向电流也越大，且呈非向电流也越大，且呈非线性的伏安特性。线性的伏安特性。U( (伏伏) )302010( (毫安毫安) )正向正向00.21.0I锗管的伏安特性(txng)曲线第39页/共60页第三十九页，共61页。2. 反向反向(fn xin)偏压偏压PN 结的结的 P 型区接电源负极型区接电源负极(fj)，叫反向偏，叫反向偏压。压。也不利于电子也不利于电子(dinz)阻挡层势垒升高、变宽，不利于空穴向 N 区运动，和和同向，同向，会形成很弱的反向电流，会形成很弱的反向电流，称漏电流称漏电流( ( 级级) )。I无正向电流P 型型N 型型+ 向 P 区运动。但是由于少数
38、载流子的存在，第40页/共60页第四十页，共61页。 当外电场很强，反向电压超过某一数值后，当外电场很强，反向电压超过某一数值后，反向电流反向电流(dinli)会急剧增大会急剧增大 反向击穿。反向击穿。V ( (伏伏) )I- -10- -20- -30 ( (微安微安) )反向反向- -20- -30 用用 PN 结的单向结的单向(dn xin)导电性，导电性，击穿(j chun)电压用用 PN 结的结的光生伏特效应，光生伏特效应，可制成光可制成光电池。电池。PN 结的应用：做整流、开关用。 加反向偏压时，加反向偏压时，PN 结的伏安特性曲线结的伏安特性曲线如左图。如左图。可制成晶体二极管(
39、diode)，第41页/共60页第四十一页，共61页。 PN 结应用结应用(yngyng)：发光二极管发光二极管太阳能光电池太阳能光电池集成电路集成电路第42页/共60页第四十二页，共61页。量子力学(lin z l xu)的建立经经典典(j(jngdngdinin) )物物理理(-(- 1900 1900 年年) )德布洛意物质波德布洛意物质波海森伯矩阵力学海森伯矩阵力学(l xu)(l xu)薛定谔波动力学薛定谔波动力学(l xu)(l xu)狄拉克量子力学狄拉克量子力学(l xu) (l xu) 量量子子力力学学( (1923 1923 - - 1927 1927 年年) )普朗克能量量
40、子化普朗克能量量子化爱因斯坦光量子论爱因斯坦光量子论玻尔玻尔量子论量子论旧旧量量子子论论( (1900 1900 - - 1913 1913 年年) )第43页/共60页第四十三页，共61页。Birthday of quantum mechanicsMax Planck (1858-1947) Nobel Prize 191814 December 1900Planck (age 42) suggests that radiation is quantized.E = hn n h = 6.626x10-34 Js第44页/共60页第四十四页，共61页。1905 Einstein (age 2
41、6) proposes the photon.Albert Einstein (1879-1955) Nobel Prize 1921第45页/共60页第四十五页，共61页。Arthur Holly Compton (1892-1962) Nobel Prize 1927Compton Scattering1923，the first experimental verification for photon momentum第46页/共60页第四十六页，共61页。1913，Bohr (age 28) constructed a theory of atom1921 Bohr Institute
42、 opened in Copenhagen (Denmark)It became a leading center for quantum physics(Pauli，Heisenberg，Dirac，) Niels Bohr (1885-1962) Nobel Prize 1922Old quantum theory旧量子论旧量子论第47页/共60页第四十七页，共61页。1923 De Broglie (age 31) matter has wave propertiesLouis de Broglie (1892-1987) Nobel Prize 1929第48页/共60页第四十八页，共
43、61页。Max Born (1882-1970)Nobel Prize 1954 1926, M. Born supposed:the intensity | |2 of de Broglies wave somewhere is proportional to the probability that the particle appears near there.| |2 表示在时刻表示在时刻 t、在空间、在空间 r 点处，点处，单位体积元中微观粒子出现单位体积元中微观粒子出现(chxin)的概率。的概率。 2dV 表示在时刻 t、空间 r 点处，体积元 dV 中发现(fxin)微观粒子的
44、概率。第49页/共60页第四十九页，共61页。Werner Heisenberg (1901-1976)Nobel Prize 1932 t E / /2 E / /2 x px / /2 y py / /2 z pz / /21927, German physicist Werner Heisenberg proposed the uncertainty principle第50页/共60页第五十页，共61页。Wavefunction formulation of quantum mechanicsErwin Schrdinger (1887-1961) Nobel Prize 1933 1
45、926, Schrdinger (age 39) Discovered Schrdinger equationthe 1D time-independent equation第51页/共60页第五十一页，共61页。 1926 Erwin Schrdinger in Austria Carl Eckert (age 24) in AmericaProved: wave mechanics = matrix mechanicswave mechanics = matrix mechanics (Schrdinger and Heisenberg theories equivalent mathem
46、atically) Schrdingers wave mechanics eventually became the method of choice，because it is less abstract and easier to understand than Heisenbergs matrix mechanicsNeumann (mathematician) invented operator theory Largely because of his work (publish his book in 1932)，quantum physics and operator theor
47、y can be viewed as two aspects of the same subject. wave mechanics = matrix mechanics第52页/共60页第五十二页，共61页。Paul Dirac (1902-1984)Nobel Prize 1933 1925 Pauli (age 25) Pauli exclusion principleWolfgang Pauli (1900-1958)Nobel Prize 1945 1928 Dirac (age 26) Dirac equation (quantum+relativity)第53页/共60页第五十三
48、页，共61页。The 5th Solvay Conference in 1927Held in Belgium，the conference was attended by the worlds most notable physicists to discuss the newly formulated quantum theory.M. CurieLorentzComptonSolvayBrillouinDeby第54页/共60页第五十四页，共61页。A number of scientists，including Schrdinger，de Broglie，and most promin
49、ently Einstein，remained unhappy with the standard probabilistic interpretation of quantum mechanics. Anyone who has not been shocked by quantum physics has not understood it. - Niels Bohr第55页/共60页第五十五页，共61页。It was applied to atoms，molecules，and solids. It solved with ease the problem of heliumIt was
50、 used to explain chemical bondingIt resolved various questions: structure of stars， nature of superconductors， : Even today it is being applied to new problems. Applications of quantum mechanicsQuantum mechanics has been tremendously successful !第56页/共60页第五十六页，共61页。多谢(duxi)合作！第57页/共60页第五十七页，共61页。 本周
51、第二次作业(zuy)： 第13章：2，4，12，14下 课 谢谢，请提建议(意见(y jin)。 本周四下午答疑！ 本周第一次作业(zuy)： 第12章：22，24，25 第58页/共60页第五十八页，共61页。预祝同学(tng xu)们 取得好成绩！第59页/共60页第五十九页，共61页。谢谢大家(dji)观赏！第60页/共60页第六十页，共61页。内容(nirng)总结B。非满带：若能带中只有一部分能级填入电子，则称为非满带。利用下列数据计算钠金属的费米能量和导带底能量。空能级所吸收的能量，因此费米能量。3. 除电子导电外，还有空穴导电。半导体导电是导带电子导电和价带。三价的杂质元素 (如B、Ga、In等)。p 型半导体中杂质原子所形成的局部能级(也称受主能级)，在能带结构中应处于。内建(电)场 。谢谢大家(dji)观赏第六十一页，共61页。
