第4章固體的能帶結(jié)構(gòu)

1、1半導(dǎo)體半導(dǎo)體2一一. 能帶能帶 量子力學(xué)計(jì)算表明，固體中若有量子力學(xué)計(jì)算表明，固體中若有N個(gè)個(gè)原子，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原子，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來(lái)孤立原子的每一個(gè)能級(jí)原來(lái)孤立原子的每一個(gè)能級(jí),變成了變成了N條靠條靠得很近的能級(jí)得很近的能級(jí),稱(chēng)為稱(chēng)為 能帶能帶。固體中的電子能級(jí)有什么特點(diǎn)？固體中的電子能級(jí)有什么特點(diǎn)？3能帶的寬度記作能帶的寬度記作 E ，數(shù)量級(jí)為，數(shù)量級(jí)為 EeV。 若若N1023,則能帶中兩能級(jí)的間距約則能帶中兩能級(jí)的間距約10-23eV。一般規(guī)律：一般規(guī)律： 1. 越是外層電子，能帶越寬，越是外層電子，能帶越寬， E越大。越大。 2. 點(diǎn)陣間距越小，

2、能帶越寬，點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬， E越大。越大。 3. 兩個(gè)能帶有可能重疊。兩個(gè)能帶有可能重疊。4離子間距離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖能帶重疊示意圖5二二 . 能帶中電子的排布能帶中電子的排布 固體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中固體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的某一能級(jí)上。的某一能級(jí)上。 排布原則：排布原則： . 服從泡利不相容原理服從泡利不相容原理 . 服從能量最小原理服從能量最小原理設(shè)孤立原子的一個(gè)能級(jí)設(shè)孤立原子的一個(gè)能級(jí) Enl ，它，它最多能容最多能容納納 2 (2 +1)個(gè)電子。個(gè)電子。l這一能級(jí)分裂成由這一能級(jí)分裂成由 N條能級(jí)組成的能帶后，條能級(jí)組成的能帶后，能帶

3、最多能容納能帶最多能容納(2 +1)個(gè)電子。個(gè)電子。l6 電子排布時(shí)，應(yīng)從最低的能級(jí)排起。電子排布時(shí)，應(yīng)從最低的能級(jí)排起。 有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞：有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞： 1滿(mǎn)帶（排滿(mǎn)電子）滿(mǎn)帶（排滿(mǎn)電子） 2價(jià)帶（能帶中一部分能級(jí)排滿(mǎn)電子）價(jià)帶（能帶中一部分能級(jí)排滿(mǎn)電子） 亦稱(chēng)導(dǎo)帶亦稱(chēng)導(dǎo)帶 3空帶（未排電子）空帶（未排電子） 亦稱(chēng)導(dǎo)帶亦稱(chēng)導(dǎo)帶 4禁帶（不能排電子）禁帶（不能排電子）2、能帶，最多容納、能帶，最多容納 6個(gè)電子。個(gè)電子。例如，例如，1、能帶，最多容納、能帶，最多容納 2個(gè)電子。個(gè)電子。(2 +1)l7三、三、 導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體和絕緣體 它們的導(dǎo)電性能不同，它們的導(dǎo)

4、電性能不同， 是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體絕緣體8 在外電場(chǎng)的作用下，大量共有化電子很在外電場(chǎng)的作用下，大量共有化電子很 易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。從能級(jí)圖上來(lái)看，從能級(jí)圖上來(lái)看，是因?yàn)槠涔灿谢娮邮且驗(yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍芗?jí)躍遷到高能級(jí)上去。很易從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上去。E導(dǎo)體導(dǎo)體9從能級(jí)圖上來(lái)看，是因?yàn)闈M(mǎn)帶與空帶之間從能級(jí)圖上來(lái)看，是因?yàn)闈M(mǎn)帶與空帶之間有一個(gè)有一個(gè)較寬的禁帶較寬的禁帶（ Eg 約約36 eV），），共有化電子很難從低能級(jí)（滿(mǎn)帶

5、）躍遷到共有化電子很難從低能級(jí)（滿(mǎn)帶）躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。高能級(jí)（空帶）上去。 在外電場(chǎng)的作用下，共有化電子很難接在外電場(chǎng)的作用下，共有化電子很難接 受外電場(chǎng)的能量，所以不能形成電流。受外電場(chǎng)的能量，所以不能形成電流。 的能帶結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu),滿(mǎn)帶與空帶之間也是禁帶，滿(mǎn)帶與空帶之間也是禁帶， 但是但是禁帶很窄禁帶很窄（ E g 約約0.12 eV )。絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體10絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿當(dāng)外電場(chǎng)非常強(qiáng)時(shí)，它們的共有化電子還是當(dāng)外電場(chǎng)非常強(qiáng)時(shí)，它們的共有化電子還是能越過(guò)禁帶躍遷到上面的空帶中的。能越過(guò)禁帶躍遷到上面的空帶中的。絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體1

6、1 三、半導(dǎo)體的分類(lèi)三、半導(dǎo)體的分類(lèi)一一. 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體是指本征半導(dǎo)體是指純凈的純凈的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。介紹兩個(gè)概念：介紹兩個(gè)概念：1. 電子導(dǎo)電電子導(dǎo)電半導(dǎo)體的載流子是電子半導(dǎo)體的載流子是電子2. 空穴導(dǎo)電空穴導(dǎo)電半導(dǎo)體的載流子是空穴半導(dǎo)體的載流子是空穴滿(mǎn)帶上的一個(gè)電子躍遷到空帶后滿(mǎn)帶上的一個(gè)電子躍遷到空帶后,滿(mǎn)帶中出現(xiàn)一個(gè)空位。滿(mǎn)帶中出現(xiàn)一個(gè)空位。12例例. 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 Cd S（硫化鎘）（硫化鎘）滿(mǎn)滿(mǎn) 帶帶空 帶h Eg=2.42eV 這相當(dāng)于產(chǎn)生了一個(gè)帶正電的粒子這相當(dāng)于產(chǎn)生了一個(gè)帶正電

7、的粒子(稱(chēng)為稱(chēng)為“空穴空穴”) , 把電子抵消了。把電子抵消了。電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的。電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的。13空帶空帶滿(mǎn)帶滿(mǎn)帶空穴下面能級(jí)上空穴下面能級(jí)上的電子可以躍遷的電子可以躍遷到空穴上來(lái)到空穴上來(lái),這相當(dāng)于空穴這相當(dāng)于空穴向下躍遷。向下躍遷。滿(mǎn)帶上帶正電的滿(mǎn)帶上帶正電的空穴向下躍遷也空穴向下躍遷也是形成電流是形成電流,這稱(chēng)為這稱(chēng)為空穴導(dǎo)電空穴導(dǎo)電。 Eg在外電場(chǎng)作用下在外電場(chǎng)作用下,14二二. 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體. n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體 Si（硅）、（鍺）等，（硅）、（鍺）等，摻入少量五價(jià)的摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)雜質(zhì)元素，如元素，如P（磷）、（磷）、

8、As（砷）等（砷）等 形成電子型半導(dǎo)體形成電子型半導(dǎo)體, 稱(chēng)稱(chēng) n 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級(jí)在禁帶中緊靠空帶處能級(jí)在禁帶中緊靠空帶處, ED10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。極易形成電子導(dǎo)電。該能級(jí)稱(chēng)為該能級(jí)稱(chēng)為施主能級(jí)。施主能級(jí)。15 n 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在在n型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中 電子電子多數(shù)載流子多數(shù)載流子空空 帶帶滿(mǎn)滿(mǎn) 帶帶施主能級(jí)施主能級(jí)EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子16.型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si（硅）、（硅）、e（鍺）等，（鍺）等，摻入少量三價(jià)的摻

9、入少量三價(jià)的雜質(zhì)雜質(zhì)元素，如（硼）、元素，如（硼）、Ga（鎵）、（鎵）、n（銦）等形成空穴型半導(dǎo)體，（銦）等形成空穴型半導(dǎo)體，稱(chēng)稱(chēng) p 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的能級(jí)在禁帶中緊靠滿(mǎn)帶處，能級(jí)在禁帶中緊靠滿(mǎn)帶處， ED10-2eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。該能級(jí)稱(chēng)該能級(jí)稱(chēng)受主能級(jí)。受主能級(jí)。17空空 帶帶ED滿(mǎn)滿(mǎn) 帶帶受主能級(jí)受主能級(jí) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg在在p型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中 空穴空穴多數(shù)載流子多數(shù)載流子電子電子少數(shù)載流子少數(shù)載流子183. n型化合物半導(dǎo)體型化合物半導(dǎo)體 例如，

10、化合物例如，化合物GaAs（砷化鎵）中摻（碲）（砷化鎵）中摻（碲），六價(jià)的，六價(jià)的Te替代五價(jià)的替代五價(jià)的As可形成施主能級(jí)，可形成施主能級(jí)，成為成為n型型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體。4.型化合物半導(dǎo)體型化合物半導(dǎo)體例如，化合物例如，化合物 GaAs中摻中摻Zn（鋅），二價(jià)的（鋅），二價(jià)的Zn替代三價(jià)的替代三價(jià)的Ga（鎵）可形成受主能級(jí)，（鎵）可形成受主能級(jí)，成為成為p型型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體。19三三. 雜質(zhì)補(bǔ)償作用雜質(zhì)補(bǔ)償作用實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃nd），），又有受主雜質(zhì)（濃度又有受主雜質(zhì)（濃度na），兩種雜質(zhì)有補(bǔ)），兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償作用：

11、償作用： 若若nd na為為n型（施主）型（施主） 若若nd na為為p型（受主）型（受主）利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，可以制成可以制成P結(jié)。結(jié)。20四、四、P結(jié)的形成結(jié)的形成在一塊在一塊 n 型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，該區(qū)就成為型半導(dǎo)體。補(bǔ)償作用，該區(qū)就成為型半導(dǎo)體。由于區(qū)的電子向區(qū)擴(kuò)散，區(qū)的由于區(qū)的電子向區(qū)擴(kuò)散，區(qū)的空穴向區(qū)擴(kuò)散，空穴向區(qū)擴(kuò)散，在型半導(dǎo)體和在型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個(gè)電型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個(gè)電場(chǎng)場(chǎng),稱(chēng)為稱(chēng)為內(nèi)建場(chǎng)內(nèi)建場(chǎng)。21內(nèi)建場(chǎng)大到一定內(nèi)建場(chǎng)大到一定程

12、度程度,不再有凈電不再有凈電荷的流動(dòng)，達(dá)到荷的流動(dòng)，達(dá)到了新的平衡。了新的平衡。在型在型 n型交界面型交界面附近形成的這種特附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱(chēng)為殊結(jié)構(gòu)稱(chēng)為PN結(jié)。結(jié)。PN結(jié)結(jié)阻阻En型型p型型內(nèi)建場(chǎng)阻止電子內(nèi)建場(chǎng)阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，記作散，記作 。阻阻E22PN結(jié)處存在電勢(shì)差結(jié)處存在電勢(shì)差Uo。 也阻止也阻止 N區(qū)區(qū)帶負(fù)電的電子進(jìn)帶負(fù)電的電子進(jìn)一步向一步向P區(qū)區(qū)擴(kuò)散。擴(kuò)散。它阻止它阻止 P區(qū)區(qū)帶正電的空穴進(jìn)帶正電的空穴進(jìn)一步向一步向N區(qū)區(qū)擴(kuò)散；擴(kuò)散；U00eU 電子能級(jí)電子能級(jí)電勢(shì)曲線電勢(shì)曲線電子電勢(shì)能曲線電子電勢(shì)能曲線P-N結(jié)結(jié)23五、結(jié)的單向?qū)щ娦晕?、結(jié)的單向?qū)щ?/p>

13、性. 正向偏壓正向偏壓在結(jié)在結(jié)的的p型區(qū)接型區(qū)接電源正極，電源正極，叫正向偏壓。叫正向偏壓。阻擋層勢(shì)壘被削弱、變窄，阻擋層勢(shì)壘被削弱、變窄，有利于空穴有利于空穴向向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，區(qū)運(yùn)動(dòng)， 形成正向電流（形成正向電流（m級(jí)）。級(jí)）。Ep型型n型型I阻阻E24外加正向電壓越大，外加正向電壓越大，正向電流也越大，正向電流也越大，而且是呈非線性的而且是呈非線性的伏安特性伏安特性(圖為鍺管圖為鍺管)。V（伏）（伏）（毫安）（毫安）正向正向00.21.0I25. 反向偏壓反向偏壓在結(jié)的型區(qū)接電源負(fù)極在結(jié)的型區(qū)接電源負(fù)極,叫反向偏壓。叫反向偏壓。阻擋層勢(shì)壘增阻擋層勢(shì)壘增大、變寬，大、變寬，不不利于空穴向利于空穴向區(qū)運(yùn)動(dòng)，也不區(qū)運(yùn)動(dòng)，也不利于電子向利于電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)區(qū)運(yùn)動(dòng),沒(méi)有正沒(méi)有正向電流。向電流。Ep型型n型型I阻阻E26但是，由于少數(shù)但是，由于少數(shù)載流子的存在，載流子的存在，會(huì)形成很弱的反會(huì)形成很弱的反向電流，向電流， 當(dāng)外電場(chǎng)很強(qiáng)當(dāng)外電場(chǎng)很強(qiáng),反向電壓超過(guò)某一數(shù)值后，反向電壓超過(guò)某一數(shù)值后，反向電流會(huì)急劇增大反向電流會(huì)急劇增大-反向擊穿。反向擊穿。稱(chēng)為漏電流稱(chēng)為漏電流（ 級(jí)）。級(jí)）。擊穿電壓擊穿電壓V(伏伏)I-（微安）（微安）反向反向-20-30 利用利用PN結(jié)結(jié)可以作成具有整