wym固體中的電子

1、第十三章第十三章 固體中的電子固體中的電子(Electrons in Solids)內(nèi)容內(nèi)容固體的能帶結(jié)構(gòu)固體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體半導(dǎo)體13.1 固體的能帶固體的能帶 (Energy Bands in Solids)晶體晶體準(zhǔn)晶體準(zhǔn)晶體非晶體非晶體固體固體晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣基元晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣基元能帶的由來(lái)能帶的由來(lái)4先看兩個(gè)原子的情況先看兩個(gè)原子的情況.Mg. Mg能級(jí)能級(jí) 分裂為兩條分裂為兩條1s2s2p3s3p1s2s2p 3s 3p 空帶空帶價(jià)帶價(jià)帶原子間的相互作用原子間的相互作用 原子的能級(jí)分裂成原子的能級(jí)分裂成能帶能帶.e.g.1s2s2p電子對(duì)能帶的填充電子對(duì)能帶的填充服從泡利不相容原理和能量

2、最低原理服從泡利不相容原理和能量最低原理.滿帶滿帶(filled band)所有量子態(tài)都被電子所有量子態(tài)都被電子占據(jù)的能帶占據(jù)的能帶.空帶空帶(empty band)所有量子態(tài)都沒(méi)有所有量子態(tài)都沒(méi)有被電子占據(jù)的能帶被電子占據(jù)的能帶.(4)價(jià)帶價(jià)帶(valence band)由原子中價(jià)電子能由原子中價(jià)電子能級(jí)分裂成的能帶級(jí)分裂成的能帶. 價(jià)帶可能是滿帶價(jià)帶可能是滿帶(例如金剛石例如金剛石)，也可能不是滿帶，也可能不是滿帶(例如堿金屬例如堿金屬).(3)禁帶禁帶(forbidden band)兩相鄰能帶間，兩相鄰能帶間，不能被電子占據(jù)的能量范圍不能被電子占據(jù)的能量范圍.能帶理論能帶理論指出：指出：

3、若電子處于未被填滿的能帶中，若電子處于未被填滿的能帶中，則在外電場(chǎng)作用下，電子可以躍入能帶中較高則在外電場(chǎng)作用下，電子可以躍入能帶中較高的空能級(jí)，從而參與導(dǎo)電的空能級(jí)，從而參與導(dǎo)電.通常，未被填滿的價(jià)帶是導(dǎo)帶；位于滿帶上方通常，未被填滿的價(jià)帶是導(dǎo)帶；位于滿帶上方的空帶，在外界的空帶，在外界(光、熱等光、熱等)激發(fā)下，會(huì)有電子躍激發(fā)下，會(huì)有電子躍入，也稱為導(dǎo)帶入，也稱為導(dǎo)帶.(5)導(dǎo)帶導(dǎo)帶(conduction band)具有能導(dǎo)電的具有能導(dǎo)電的電子的最高能帶電子的最高能帶.禁帶禁帶空帶空帶(導(dǎo)帶導(dǎo)帶)禁帶禁帶滿帶滿帶價(jià)帶價(jià)帶(滿帶滿帶)能帶分布：能帶分布：滿帶滿帶空帶空帶禁帶禁帶禁帶禁帶E價(jià)帶

4、價(jià)帶(導(dǎo)帶導(dǎo)帶)能帶論對(duì)固體導(dǎo)電性的解釋能帶論對(duì)固體導(dǎo)電性的解釋導(dǎo)體導(dǎo)體電阻率電阻率 10-8 m半導(dǎo)體半導(dǎo)體10-8 m 108 m能帶論的解釋?zhuān)耗軒д摰慕忉專(zhuān)?導(dǎo)體中，或是價(jià)帶未被填滿，或是價(jià)帶導(dǎo)體中，或是價(jià)帶未被填滿，或是價(jià)帶與上方的空帶交疊與上方的空帶交疊. 價(jià)電子都能參與導(dǎo)電價(jià)電子都能參與導(dǎo)電 導(dǎo)體有良好的導(dǎo)電性能導(dǎo)體有良好的導(dǎo)電性能.空帶空帶(導(dǎo)帶導(dǎo)帶)禁帶禁帶滿帶滿帶價(jià)帶價(jià)帶(滿帶滿帶)導(dǎo)體能帶分布：導(dǎo)體能帶分布：滿帶滿帶空帶空帶禁帶禁帶禁帶禁帶E價(jià)帶價(jià)帶(導(dǎo)帶導(dǎo)帶) 半導(dǎo)體中，價(jià)帶已滿，但上面的禁帶寬半導(dǎo)體中，價(jià)帶已滿，但上面的禁帶寬度較小度較小(1eV). 在常溫下有一定數(shù)量

5、的電子在常溫下有一定數(shù)量的電子從價(jià)帶躍入上方的空帶，能參與導(dǎo)電從價(jià)帶躍入上方的空帶，能參與導(dǎo)電. 但導(dǎo)但導(dǎo)電電子數(shù)密度電電子數(shù)密度(1016/m3)遠(yuǎn)小于導(dǎo)體中的值遠(yuǎn)小于導(dǎo)體中的值(1028/m3) 導(dǎo)電性能不及導(dǎo)體導(dǎo)電性能不及導(dǎo)體.1EeV空帶空帶(導(dǎo)帶導(dǎo)帶)價(jià)帶價(jià)帶(滿帶滿帶)E 絕緣體中，價(jià)帶已滿，且上面的禁帶寬絕緣體中，價(jià)帶已滿，且上面的禁帶寬度較大度較大(5eV). 在常溫下只有極少數(shù)電子能在常溫下只有極少數(shù)電子能從價(jià)帶躍入上方的空帶從價(jià)帶躍入上方的空帶 導(dǎo)電電子數(shù)密度導(dǎo)電電子數(shù)密度極小極小 導(dǎo)電性能很差導(dǎo)電性能很差.5EeV空帶空帶(導(dǎo)帶導(dǎo)帶)價(jià)帶價(jià)帶(滿帶滿帶)E13.2 半導(dǎo)體

6、半導(dǎo)體 (Semiconductors)兩種導(dǎo)電機(jī)制兩種導(dǎo)電機(jī)制 在常溫下，有部分價(jià)電子從滿帶躍入上方的在常溫下，有部分價(jià)電子從滿帶躍入上方的空帶，從而空帶，從而在滿帶中留下一在滿帶中留下一 些空的量子態(tài)些空的量子態(tài)空穴空穴(hole). 躍入空帶中的電子可參與導(dǎo)電躍入空帶中的電子可參與導(dǎo)電電子導(dǎo)電電子導(dǎo)電；留在滿帶中的電子也可參與導(dǎo)電，可用留在滿帶中的電子也可參與導(dǎo)電，可用“帶正帶正電的空穴電的空穴”的運(yùn)動(dòng)來(lái)描繪的運(yùn)動(dòng)來(lái)描繪空穴導(dǎo)電空穴導(dǎo)電. 純凈純凈(本征本征)半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)帶中的電子數(shù)等于滿帶導(dǎo)帶中的電子數(shù)等于滿帶中的空穴數(shù)中的空穴數(shù).雜質(zhì)的影響雜質(zhì)的影響雜質(zhì)半導(dǎo)體分為兩類(lèi)雜質(zhì)半導(dǎo)體

7、分為兩類(lèi):電子型電子型(N型型)半導(dǎo)體半導(dǎo)體 摻有施主雜質(zhì)，以電子為多數(shù)載流摻有施主雜質(zhì)，以電子為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體子的半導(dǎo)體. (Nnegative)施主施主(donor)雜質(zhì)：雜質(zhì)：進(jìn)入晶格，與周?chē)|(zhì)原進(jìn)入晶格，與周?chē)|(zhì)原子形成晶體原有的電子結(jié)構(gòu)后，尚有多余價(jià)子形成晶體原有的電子結(jié)構(gòu)后，尚有多余價(jià)電子電子.e.g.在四價(jià)元素半導(dǎo)體在四價(jià)元素半導(dǎo)體(Si, Ge)中摻入五價(jià)中摻入五價(jià)雜質(zhì)雜質(zhì)(P, As) 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì). 摻入施主雜質(zhì)后摻入施主雜質(zhì)后, 在價(jià)帶上面的禁帶中靠在價(jià)帶上面的禁帶中靠近導(dǎo)帶近導(dǎo)帶( E10-2eV)處處, 出現(xiàn)雜質(zhì)能級(jí)出現(xiàn)雜質(zhì)能級(jí)施主能級(jí)施主能級(jí).常溫下常溫

8、下E價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶低溫下低溫下施主能級(jí)施主能級(jí) 常溫下，施主能級(jí)上的電子很容易躍入常溫下，施主能級(jí)上的電子很容易躍入導(dǎo)帶，相對(duì)說(shuō)來(lái)，從價(jià)帶躍入導(dǎo)帶的電子導(dǎo)帶，相對(duì)說(shuō)來(lái)，從價(jià)帶躍入導(dǎo)帶的電子數(shù)很少數(shù)很少 導(dǎo)帶中的電子數(shù)遠(yuǎn)多于價(jià)帶中導(dǎo)帶中的電子數(shù)遠(yuǎn)多于價(jià)帶中的空穴數(shù)的空穴數(shù) 在在N型半導(dǎo)體中，電子是型半導(dǎo)體中，電子是多多數(shù)載流子數(shù)載流子(majority carrier，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱多子多子)，而空穴是而空穴是少數(shù)載流子少數(shù)載流子(minority carrier，簡(jiǎn)，簡(jiǎn)稱稱少子少子).空穴型空穴型(P型型)半導(dǎo)體半導(dǎo)體摻有受主雜質(zhì)，以空穴為多數(shù)載流摻有受主雜質(zhì)，以空穴為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體子的半導(dǎo)

9、體. (Ppositive)受主受主(acceptor)雜質(zhì)：雜質(zhì)：進(jìn)入晶格，與周?chē)M(jìn)入晶格，與周?chē)|(zhì)原子形成晶體原有的電子結(jié)構(gòu)時(shí)，基質(zhì)原子形成晶體原有的電子結(jié)構(gòu)時(shí)，缺少價(jià)電子缺少價(jià)電子.e.g.在四價(jià)元素半導(dǎo)體在四價(jià)元素半導(dǎo)體(Si, Ge)中摻入三價(jià)中摻入三價(jià)雜質(zhì)雜質(zhì)(B, Al)受主雜質(zhì)受主雜質(zhì). 摻入受主雜質(zhì)后，在價(jià)帶上面的禁帶摻入受主雜質(zhì)后，在價(jià)帶上面的禁帶中靠近價(jià)帶中靠近價(jià)帶( E10-2eV)處，出現(xiàn)雜質(zhì)能處，出現(xiàn)雜質(zhì)能級(jí)級(jí)受主能級(jí)受主能級(jí).常溫下常溫下E價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶低溫下低溫下受主能級(jí)受主能級(jí) 常溫下，價(jià)帶中的電子很容易躍入受主能級(jí)，常溫下，價(jià)帶中的電子很容易躍入受主能級(jí)

10、，相對(duì)說(shuō)來(lái)，躍入導(dǎo)帶的電子數(shù)很少相對(duì)說(shuō)來(lái)，躍入導(dǎo)帶的電子數(shù)很少 價(jià)帶中價(jià)帶中的空穴數(shù)遠(yuǎn)多于導(dǎo)帶中的電子數(shù)的空穴數(shù)遠(yuǎn)多于導(dǎo)帶中的電子數(shù) 在在P型半導(dǎo)型半導(dǎo)體中，空穴是體中，空穴是多子多子，電子是，電子是少子少子.外場(chǎng)的影響外場(chǎng)的影響熱激發(fā)熱激發(fā)溫度溫度 躍遷電子數(shù)躍遷電子數(shù) 載流子數(shù)載流子數(shù) 電阻電阻 .應(yīng)用：熱敏電阻器應(yīng)用：熱敏電阻器(thermistor).金屬金屬RT半導(dǎo)體半導(dǎo)體o光激發(fā)光激發(fā)光照光照 躍遷電子數(shù)躍遷電子數(shù) 載流子數(shù)載流子數(shù) 電阻電阻 .光電導(dǎo)現(xiàn)象光電導(dǎo)現(xiàn)象應(yīng)用：光敏電阻器應(yīng)用：光敏電阻器(photoresistor). PN結(jié)結(jié) (PN junction)P型半導(dǎo)體與型半

11、導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的交界區(qū)型半導(dǎo)體的交界區(qū).PN + + +PN在交界區(qū)在交界區(qū), 因載流子擴(kuò)散而形成電偶層因載流子擴(kuò)散而形成電偶層 阻阻擋層擋層 (厚度約厚度約1 m, 場(chǎng)強(qiáng)約場(chǎng)強(qiáng)約106108V/m).PN結(jié)的特性：結(jié)的特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?PN結(jié)的結(jié)的應(yīng)用：應(yīng)用：整流整流(rectification). 固體的能帶固體的能帶能帶的由來(lái)能帶的由來(lái) 半導(dǎo)體半導(dǎo)體兩種導(dǎo)電機(jī)制兩種導(dǎo)電機(jī)制雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體N型：施主雜質(zhì)、施主能級(jí)、多子、少子型：施主雜質(zhì)、施主能級(jí)、多子、少子P型：受主雜質(zhì)、受主能級(jí)、多子、少子型：受主雜質(zhì)、受主能級(jí)、多子、少子能帶論對(duì)固體導(dǎo)電性的解釋能帶論對(duì)固體導(dǎo)電性的解

12、釋滿帶滿帶, 空帶空帶, 價(jià)帶價(jià)帶, 導(dǎo)帶導(dǎo)帶, 禁帶禁帶.Chap.13 SUMMARY外場(chǎng)外場(chǎng)(熱、光熱、光)對(duì)導(dǎo)電性的影響對(duì)導(dǎo)電性的影響PN結(jié)結(jié)本征半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子是電子與本征半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子是電子與空穴，空穴， N型半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子是型半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子是， P型半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子型半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子是是. 答案：答案： 電子與空穴電子與空穴電子與空穴電子與空穴Chap.13 EXERCISES在在4價(jià)元素半導(dǎo)體中摻入價(jià)元素半導(dǎo)體中摻入5價(jià)雜質(zhì)，則可構(gòu)價(jià)雜質(zhì)，則可構(gòu)成成型半導(dǎo)體，參與導(dǎo)電的載流子多型半導(dǎo)體，參與導(dǎo)電的載流子多數(shù)是數(shù)是；相反，若摻入；相反，若摻入3價(jià)雜質(zhì)，則可價(jià)雜質(zhì)，則可構(gòu)成構(gòu)成型半導(dǎo)體，參與導(dǎo)電的載流子型半導(dǎo)體，參與導(dǎo)電的載流子多數(shù)是多數(shù)是. 答