固體的能帶結(jié)構(gòu)

1、 固體的能帶結(jié)構(gòu)固體的能帶結(jié)構(gòu)第第4章章2005年秋季學(xué)期年秋季學(xué)期目目 錄錄4.1 固體的能帶固體的能帶3.2 導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體和絕緣體4.3 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)4.4 p n 結(jié)結(jié)4.5 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 4.6 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器（補(bǔ)充）（補(bǔ)充） 固體物理既是一門(mén)固體物理既是一門(mén)綜合性綜合性的的理論學(xué)科理論學(xué)科又和又和固體物理是固體物理是信息技術(shù)信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)的物理基礎(chǔ)1928-29 建立能帶理論并由實(shí)驗(yàn)證實(shí)建立能帶理論并由實(shí)驗(yàn)證實(shí)1947 發(fā)明晶體管發(fā)明晶體管1962 制成集成電路制成集成電路實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合（材料、激光、半導(dǎo)體緊密結(jié)合（材料、激光、

2、半導(dǎo)體）1982 80286 13.4萬(wàn)萬(wàn) 80486 120萬(wàn)萬(wàn)1993 pentium 320萬(wàn)萬(wàn)1995 pentium MMX 550萬(wàn)萬(wàn)1997 pentium2 750萬(wàn)萬(wàn)集成度每集成度每 10 年增加年增加 1000 倍倍 ！1971 intel 4004 微處理器芯片微處理器芯片 2300晶體管晶體管 集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻 沒(méi)有晶體管和超大規(guī)模集成電路，就沒(méi)有計(jì)沒(méi)有晶體管和超大規(guī)模集成電路，就沒(méi)有計(jì)現(xiàn)在在一個(gè)面積比郵票還小的芯片上可以集現(xiàn)在在一個(gè)面積比郵票還小的芯片上可以集其上可以集成其上可以集成10 9個(gè)元件，個(gè)元件，度

3、只有度只有0.12微米微米。成一個(gè)系統(tǒng)，成一個(gè)系統(tǒng)，的研究分不開(kāi)。的研究分不開(kāi)。算機(jī)的普遍應(yīng)用和今天的信息處理技術(shù)。算機(jī)的普遍應(yīng)用和今天的信息處理技術(shù)。溝道長(zhǎng)溝道長(zhǎng)先看兩個(gè)原子的情況先看兩個(gè)原子的情況.Mg. Mg 根據(jù)泡利不相容原理，根據(jù)泡利不相容原理，原來(lái)的能級(jí)已填滿不能再原來(lái)的能級(jí)已填滿不能再填充電子填充電子1s2s2p3s3p1s2s2p 3s 3p 4.1 固體的能帶固體的能帶 分裂為兩條分裂為兩條各原子間的相互作用各原子間的相互作用 原來(lái)孤立原子的能級(jí)發(fā)生分裂原來(lái)孤立原子的能級(jí)發(fā)生分裂若有若有N個(gè)原子組成一體，對(duì)于原來(lái)孤立原子個(gè)原子組成一體，對(duì)于原來(lái)孤立原子的一個(gè)能級(jí)，就分裂成的一

4、個(gè)能級(jí)，就分裂成 N條靠得很近的能級(jí)，條靠得很近的能級(jí)，能帶的寬度記作能帶的寬度記作 E E eV 的量級(jí)的量級(jí) 若若N1023，則能帶中兩相鄰能級(jí)的間距，則能帶中兩相鄰能級(jí)的間距稱為稱為能帶（能帶（energy band）。）。約為約為10-23eV。能級(jí)能級(jí)能帶能帶N條條能隙，禁帶能隙，禁帶 E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，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。離子間距離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖能帶重疊示意圖 一一. 電子在周期勢(shì)場(chǎng)中

5、的運(yùn)動(dòng)電子在周期勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 電子共有化電子共有化孤立原子中電子的勢(shì)阱孤立原子中電子的勢(shì)阱電子能級(jí)電子能級(jí)+ +勢(shì)壘勢(shì)壘 固體（這里指晶體）具有由大量分子、固體（這里指晶體）具有由大量分子、電子受到周期性勢(shì)場(chǎng)的作用：電子受到周期性勢(shì)場(chǎng)的作用：a原子或離子的規(guī)則排列而成的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。原子或離子的規(guī)則排列而成的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。 解解定態(tài)薛定諤方程，定態(tài)薛定諤方程， 可以得出可以得出兩點(diǎn)兩點(diǎn)1.電子的能量是量子化的；電子的能量是量子化的；2.電子的運(yùn)動(dòng)有隧道效應(yīng)。電子的運(yùn)動(dòng)有隧道效應(yīng)。 原子的原子的外層電子外層電子（在高能級(jí)）（在高能級(jí)） 勢(shì)壘穿透勢(shì)壘穿透 原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊，一般原子的內(nèi)層電子

6、與原子核結(jié)合較緊，一般概率較大，概率較大，電子電子可以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)，可以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)，稱為稱為共有化電子。共有化電子。重要結(jié)論：重要結(jié)論：不是不是 共有化電子。共有化電子。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1. 排布原則：排布原則：（1） 服從泡里不相容原理（費(fèi)米子）服從泡里不相容原理（費(fèi)米子） （2） 服從能量最小原理服從能量最小原理 對(duì)孤立原子的一個(gè)能級(jí)對(duì)孤立原子的一個(gè)能級(jí) Enl ，它最多能，它最多能 這一能級(jí)分裂成由這一能級(jí)分裂成由 N個(gè)能級(jí)組成的能帶，個(gè)能級(jí)組成的能帶，的某一能級(jí)上。的某一能級(jí)上。容

7、納容納 2 (2l +1)個(gè)電子。個(gè)電子。一個(gè)能帶最多能容納一個(gè)能帶最多能容納 2 (2l+1) N 個(gè)電子。個(gè)電子。2p、3p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，1s、2s能帶，最多容納能帶，最多容納 2個(gè)電子。個(gè)電子。每個(gè)能帶最多每個(gè)能帶最多容納容納 2個(gè)電子個(gè)電子每個(gè)能帶最多每個(gè)能帶最多容納容納 6個(gè)電子個(gè)電子單個(gè)單個(gè)Mg原子原子1s2s2p3s3p 晶體晶體Mg（N個(gè)原子）個(gè)原子） 電子排布應(yīng)從最電子排布應(yīng)從最低的能級(jí)排起。低的能級(jí)排起。 滿帶：滿帶：填滿電子的能帶。填滿電子的能帶。 空帶：空帶：沒(méi)有電子占據(jù)的能帶。沒(méi)有電子占據(jù)的能帶。 不滿帶：不滿帶：未填滿電

8、子的能帶。未填滿電子的能帶。 禁帶：禁帶：不能填充電子的能區(qū)。不能填充電子的能區(qū)。 價(jià)帶：價(jià)帶：和價(jià)電子能級(jí)相應(yīng)的能帶，和價(jià)電子能級(jí)相應(yīng)的能帶，對(duì)半導(dǎo)體，價(jià)帶通常是滿帶。對(duì)半導(dǎo)體，價(jià)帶通常是滿帶。即最高的充有電子的能帶。即最高的充有電子的能帶。 2. 幾個(gè)概念幾個(gè)概念 滿帶滿帶E 不滿帶不滿帶 禁帶禁帶 禁帶禁帶價(jià)帶價(jià)帶空帶空帶 不滿帶或滿帶以上最低的空帶，不滿帶或滿帶以上最低的空帶，稱為導(dǎo)帶。稱為導(dǎo)帶。3. 能帶中電子的導(dǎo)電性能帶中電子的導(dǎo)電性滿帶不導(dǎo)電：滿帶不導(dǎo)電： 電子交換能態(tài)并不電子交換能態(tài)并不改變能量狀態(tài)，所以改變能量狀態(tài)，所以滿帶不導(dǎo)電。滿帶不導(dǎo)電。 電子在電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，電

9、子在電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，得到附加能量，得到附加能量，電子能量發(fā)生變化。電子能量發(fā)生變化。導(dǎo)帶導(dǎo)電：導(dǎo)帶導(dǎo)電：導(dǎo)帶中電子才能改變能量。導(dǎo)帶中電子才能改變能量。 導(dǎo)電性導(dǎo)電性 ：Ep價(jià)帶價(jià)帶(滿帶滿帶)空帶空帶(導(dǎo)帶導(dǎo)帶)不滿帶不滿帶(導(dǎo)帶導(dǎo)帶)EEpmpE22 導(dǎo)帶導(dǎo)電：導(dǎo)帶導(dǎo)電：4.2 導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體和絕緣體 它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊乃鼈兊膶?dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。能帶結(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m108 半導(dǎo)體半導(dǎo)體m101074 絕緣體絕緣體m108 一一. .導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 空帶空帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶E某些一價(jià)

10、某些一價(jià)金屬，金屬，如如:Li 滿帶滿帶 空帶空帶E某些二價(jià)金屬，某些二價(jià)金屬，如如:Be, Ca, Mg, Zn, Ba 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 空帶空帶E如如:Na, K, Cu, Al, Ag 導(dǎo)體導(dǎo)體在外電場(chǎng)的作用下，大量共有化電子在外電場(chǎng)的作用下，大量共有化電子 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很易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。很易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。二二. .絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)E 空帶空帶 空帶空帶 滿帶滿帶禁帶禁帶Eg=36eV從能級(jí)圖來(lái)看，從能級(jí)圖來(lái)看，是因?yàn)闈M帶是因

11、為滿帶 絕緣體絕緣體在外電場(chǎng)的作用下，在外電場(chǎng)的作用下， 當(dāng)當(dāng)外電場(chǎng)足夠強(qiáng)外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，共有化電子還是能越過(guò)時(shí)，共有化電子還是能越過(guò)共有化電子很難從低能級(jí)共有化電子很難從低能級(jí)（滿帶）躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。（滿帶）躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。的能量，的能量，所以形不成電流。所以形不成電流。（ Eg ：36 eV），），與空帶間有一個(gè)與空帶間有一個(gè)較寬較寬的禁帶的禁帶禁帶躍遷到上面的空帶中，使禁帶躍遷到上面的空帶中，使絕緣體被擊穿絕緣體被擊穿 。共有化電子很難接受外電場(chǎng)共有化電子很難接受外電場(chǎng)4.3 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)一一. 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體（semiconductor）

12、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。1.本征本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu) Eg=0.1 2eVE空帶（導(dǎo)帶）空帶（導(dǎo)帶） 滿帶滿帶禁帶禁帶本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體所以加熱、光照、加電場(chǎng)所以加熱、光照、加電場(chǎng)都能把電子從滿帶激到發(fā)都能把電子從滿帶激到發(fā)空帶中去，同時(shí)在滿帶中空帶中去，同時(shí)在滿帶中形成形成 “空穴空穴”（hole）。）。半導(dǎo)體半導(dǎo)體的的禁帶寬度禁帶寬度Eg 很窄很窄（0.1 2eV），）， 例如半導(dǎo)體例如半導(dǎo)體 Cd S：滿滿 帶帶空空 帶帶h Eg=2.42eV 滿帶上的一個(gè)電

13、滿帶上的一個(gè)電子躍遷到空帶后，子躍遷到空帶后，滿帶中出現(xiàn)一個(gè)滿帶中出現(xiàn)一個(gè)帶帶正電的正電的空位，稱為空位，稱為 “空穴空穴”。 電子和空穴總是電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的。成對(duì)出現(xiàn)的。 電子和空穴叫電子和空穴叫本征載流子，本征載流子，它們形成半導(dǎo)它們形成半導(dǎo)體的體的本征導(dǎo)電性。本征導(dǎo)電性。 當(dāng)光照當(dāng)光照 h Eg 時(shí)，時(shí)， 可可發(fā)發(fā) 生生本征吸收本征吸收，形成形成本征光電導(dǎo)。本征光電導(dǎo)。2. 兩種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)兩種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（1）電子導(dǎo)電）電子導(dǎo)電 半導(dǎo)體的主要載流子是電子半導(dǎo)體的主要載流子是電子解解maxmin hchEg nm514106 . 142. 21031063. 619834max gEhc

14、 【例】例】要使半導(dǎo)體要使半導(dǎo)體 Cd S產(chǎn)生本征光電導(dǎo)產(chǎn)生本征光電導(dǎo)，求求激發(fā)電子的光波的波長(zhǎng)最大多長(zhǎng)？激發(fā)電子的光波的波長(zhǎng)最大多長(zhǎng)？ 在外電場(chǎng)作用在外電場(chǎng)作用下，電子可以躍下，電子可以躍遷到空穴上來(lái)，遷到空穴上來(lái)，這相當(dāng)于這相當(dāng)于 空穴反空穴反向躍遷。向躍遷。 空穴躍遷也形空穴躍遷也形成電流，成電流， 這稱這稱為為空穴導(dǎo)電。空穴導(dǎo)電。空帶空帶滿帶滿帶 Eg（2） 空穴導(dǎo)電空穴導(dǎo)電 半導(dǎo)體的主要載流子是空穴半導(dǎo)體的主要載流子是空穴當(dāng)當(dāng)外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，共有化電子還是能越共有化電子還是能越【思考】【思考】為什么導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而升為什么導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而升高，高，而半導(dǎo)體

15、的電阻卻隨溫度升高而降低？而半導(dǎo)體的電阻卻隨溫度升高而降低？半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體擊穿擊穿過(guò)禁帶躍遷到上面的空帶中，使過(guò)禁帶躍遷到上面的空帶中，使半導(dǎo)體擊穿。半導(dǎo)體擊穿。二二. 雜質(zhì)雜質(zhì)（impurity）半導(dǎo)體半導(dǎo)體1. n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體又稱又稱 n 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 量子力學(xué)表明，量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能這種摻雜后多余的電子的能級(jí)在禁帶中緊靠空帶處，級(jí)在禁帶中緊靠空帶處， ED10-2eV，極易，極易形成電子導(dǎo)電。形成電子導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 Si、Ge等的四個(gè)價(jià)電子，與另四等的四個(gè)價(jià)電子，與另四個(gè)原子形成共價(jià)結(jié)合，個(gè)原子形成共價(jià)結(jié)合，當(dāng)摻入少量五價(jià)的當(dāng)摻入少量五價(jià)

16、的雜質(zhì)雜質(zhì)元素（如元素（如P、As等）時(shí)，等）時(shí)， 就形成了就形成了電子型半導(dǎo)體，電子型半導(dǎo)體， n 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 空空 帶帶滿滿 帶帶施主能級(jí)施主能級(jí)EDEgSiSiSiSiSiSiSiP 這種靠近空帶的附加能級(jí)稱為這種靠近空帶的附加能級(jí)稱為施主施主（donor）能級(jí)。能級(jí)。如下圖示：如下圖示：則則 P 原子濃度原子濃度1018 cm 3np=1 .51010 cm 3+ 1018= 1018 cm 3 室溫下：室溫下：本征激發(fā)本征激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)導(dǎo)帶中電子濃度導(dǎo)帶中電子濃度 nn = 1.51010滿帶中空穴濃度滿帶中空穴濃度設(shè)設(shè) Si中中P的含量為的含量為10 4電子是多數(shù)載流子

17、，電子是多數(shù)載流子， 空穴是少數(shù)載流子?？昭ㄊ巧贁?shù)載流子。在在n型半導(dǎo)體中：型半導(dǎo)體中：電子濃度電子濃度nn 施主雜質(zhì)濃度施主雜質(zhì)濃度ndSi 原子濃度原子濃度1022 cm 32. p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、e等摻入少量三等摻入少量三價(jià)的價(jià)的雜質(zhì)雜質(zhì)元素（如、元素（如、Ga、In等）時(shí)，就等）時(shí)，就形成形成空穴型半導(dǎo)體，空穴型半導(dǎo)體，又稱又稱 p 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 量子力學(xué)表明，量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴能這種摻雜后多余的空穴能級(jí)在禁帶中緊靠滿帶處，級(jí)在禁帶中緊靠滿帶處， EA 10 -1eV，極，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電?？湛?帶帶EA滿

18、滿 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 這種靠近滿帶的附加能級(jí)稱為這種靠近滿帶的附加能級(jí)稱為受主受主（acceptor）能級(jí)。能級(jí)。 如下圖示：如下圖示：則則B 原子濃度原子濃度1018 cm 3np= 1.51010 室溫下：室溫下：本征激發(fā)本征激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)導(dǎo)帶中電子濃度導(dǎo)帶中電子濃度 nn=1.51010cm 3滿帶中空穴濃度滿帶中空穴濃度設(shè)設(shè) Si中中B的含量為的含量為104 + 1018= 1018 cm 3空穴是多數(shù)載流子，空穴是多數(shù)載流子， 電子是少數(shù)載流子。電子是少數(shù)載流子?？昭舛瓤昭舛萵p 受主雜質(zhì)濃度受主雜質(zhì)濃度na在在p

19、型半導(dǎo)體中：型半導(dǎo)體中：Si 原子濃度原子濃度1022 cm 33. n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Te，六價(jià)的，六價(jià)的Te替代替代五價(jià)的五價(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)雜質(zhì)半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。4. p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，二價(jià)的，二價(jià)的Zn替替代三價(jià)的代三價(jià)的Ga可形成受主能級(jí)，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。三三. 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度nd），），又有受主雜質(zhì)

20、（濃度又有受主雜質(zhì)（濃度na），兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償），兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償作用：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，可以制成利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，可以制成 p-n 結(jié)。結(jié)。4.4 p -n 結(jié)結(jié)一一. p - n 結(jié)的形成結(jié)的形成 在在 n 型型半導(dǎo)體基片的一側(cè)半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的摻入較高濃度的面附近面附近產(chǎn)生了一個(gè)產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)建內(nèi)建內(nèi)內(nèi)E。內(nèi)內(nèi)E阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散。阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散。內(nèi)內(nèi)E電子和空穴的擴(kuò)散，電子和空穴的擴(kuò)散，在在p型和型和n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體交界交界p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(補(bǔ)償作用補(bǔ)償作用)。受主

21、雜質(zhì)受主雜質(zhì)，（電）場(chǎng)（電）場(chǎng)該區(qū)就成為該區(qū)就成為n型型p型型 內(nèi)建場(chǎng)大到一定內(nèi)建場(chǎng)大到一定程度，不再有凈電程度，不再有凈電荷的流動(dòng)，達(dá)到了荷的流動(dòng)，達(dá)到了新的平衡。新的平衡。 在在p型和型和 n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為構(gòu)稱為p-n結(jié)（阻擋層，耗盡層），其厚度約結(jié)（阻擋層，耗盡層），其厚度約為為0.1 m。 p-n結(jié)結(jié)內(nèi)內(nèi)Ep型型n型型U00eU 電勢(shì)電勢(shì)電子電勢(shì)能電子電勢(shì)能p-n結(jié)結(jié)np 由于由于p-n結(jié)的存在，結(jié)的存在，電子電子的能量應(yīng)考慮進(jìn)勢(shì)的能量應(yīng)考慮進(jìn)勢(shì) 這使電子能帶出現(xiàn)彎曲：這使電子能帶出現(xiàn)彎曲：空帶空帶空帶空帶p-n結(jié)結(jié)0eU 施主能級(jí)施主能

22、級(jí)受主能級(jí)受主能級(jí)滿帶滿帶滿帶滿帶壘帶來(lái)的壘帶來(lái)的附加勢(shì)能附加勢(shì)能。二二 . p - n結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?. 正向偏壓正向偏壓p-n結(jié)的結(jié)的p型區(qū)接電源正極，叫型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓。正向偏壓。向向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，區(qū)運(yùn)動(dòng)，阻擋層勢(shì)壘阻擋層勢(shì)壘降降低低、變窄，、變窄，有利于有利于空穴空穴向向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，區(qū)運(yùn)動(dòng)，也有利于也有利于電子電子外外E內(nèi)內(nèi)E和和反向，反向，這些都形成這些都形成正向電流（正向電流（m級(jí)）。級(jí)）。外外Ep型型n型型I內(nèi)內(nèi)E+ 外加正向電壓越大，外加正向電壓越大，形成的正向電流也越大，形成的正向電流也越大，且呈且呈非線性的伏安特性。非線性的伏安特性。U（伏）（伏）3020

23、10（毫安）（毫安）正向正向00.21.0I鍺管的伏安特性曲線鍺管的伏安特性曲線2. 反向偏壓反向偏壓p-n結(jié)的結(jié)的p型區(qū)接電源負(fù)極，叫型區(qū)接電源負(fù)極，叫反向偏壓。反向偏壓。也不利于電也不利于電 阻擋層勢(shì)壘升阻擋層勢(shì)壘升高、變寬，高、變寬，不利于空穴向不利于空穴向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，區(qū)運(yùn)動(dòng)，外外E內(nèi)內(nèi)E和和同向，同向，會(huì)形成很弱的反向電流，會(huì)形成很弱的反向電流，稱漏電流（稱漏電流（ 級(jí)）。級(jí)）。I無(wú)正向電流無(wú)正向電流外外Ep型型n型型內(nèi)內(nèi)E+ 子向子向p區(qū)運(yùn)動(dòng)。區(qū)運(yùn)動(dòng)。但是由于少數(shù)載流子的存在，但是由于少數(shù)載流子的存在， 當(dāng)外電場(chǎng)很強(qiáng)，反向電壓超過(guò)某一數(shù)值后，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

24、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。V (伏伏)I-10-20-30（微安）（微安）反向反向-20-30 用用p n結(jié)的結(jié)的單向?qū)щ娦?，單向?qū)щ娦裕瑩舸╇妷簱舸╇妷河糜胮 n結(jié)的結(jié)的光生伏特效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)，可制成光可制成光電池。電池。p - n結(jié)的應(yīng)用：結(jié)的應(yīng)用：做做整流、開(kāi)關(guān)整流、開(kāi)關(guān)用。用。 加反向偏壓時(shí)，加反向偏壓時(shí)，p n結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性曲線如左圖。曲線如左圖。可制成可制成晶體二極管晶體二極管（diode），），4.5 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件（自學(xué)書(shū)第（自學(xué)書(shū)第4.7節(jié)）節(jié)） p-n結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放大作用的晶結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放大作用的晶體體三

25、極管三極管（trasistor）和其他一些半導(dǎo)體器件。和其他一些半導(dǎo)體器件。集成電路集成電路 大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路 超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路晶體管晶體管（ 1947 ）（1962 ）（80年代年代 ）103105甚大規(guī)模集成電路甚大規(guī)模集成電路巨大規(guī)模集成電路巨大規(guī)模集成電路107109 （70年代年代 ）（90年代年代 ）（現(xiàn)在）（現(xiàn)在）晶體管的發(fā)明晶體管的發(fā)明 1947年年12月月23日，美國(guó)日，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的半導(dǎo)體小組做貝爾實(shí)驗(yàn)室的半導(dǎo)體小組做出世界上第一只具有放大作出世界上第一只具有放大作用的用的點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型晶體三極管晶體三極管。 1956年小組的三位成員獲年小組

26、的三位成員獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。諾貝爾物理獎(jiǎng)。巴丁巴丁J.Bardeen布拉頓布拉頓W.H.Brattain肖克利肖克利W.Shockley 每一個(gè)集成塊（圖中一個(gè)長(zhǎng)方形部分）約為每一個(gè)集成塊（圖中一個(gè)長(zhǎng)方形部分）約為手指甲大小，它有手指甲大小，它有300多萬(wàn)個(gè)三極管。多萬(wàn)個(gè)三極管。 INMOS T900 微處理器微處理器 同質(zhì)結(jié)激光器同質(zhì)結(jié)激光器 由同種材料制成的由同種材料制成的p-n結(jié)結(jié)半導(dǎo)體激光器分兩類：半導(dǎo)體激光器分兩類： 異質(zhì)結(jié)激光器異質(zhì)結(jié)激光器 由兩種不同材料制成的由兩種不同材料制成的 p-I-n 4.6 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器（補(bǔ)充）（補(bǔ)充） 半導(dǎo)體激光器是光纖通訊中的重要光源，在半

27、導(dǎo)體激光器是光纖通訊中的重要光源，在創(chuàng)建信息高速公路的工程中起著極重要的作用。創(chuàng)建信息高速公路的工程中起著極重要的作用。（重?fù)诫s）（重?fù)诫s）結(jié)（結(jié)（ I為本征半導(dǎo)體）為本征半導(dǎo)體）重?fù)诫s重?fù)诫spn滿滿 帶帶空空 帶帶pn滿滿 帶帶空空 帶帶普通摻雜普通摻雜1. 同質(zhì)結(jié)激光器同質(zhì)結(jié)激光器加正向偏壓加正向偏壓V 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。pn阻擋層阻擋層E內(nèi)內(nèi)-+-+-+-+-外外E內(nèi)內(nèi)pn阻擋層阻擋層+-+pn滿滿 帶帶空空 帶帶eU0pn滿滿 帶帶空空 帶帶e(U0-V)電子空穴復(fù)合發(fā)光，電子空穴復(fù)合發(fā)光，由自發(fā)輻射引起由自發(fā)輻射引起受激輻射。受激輻射。.解理面解理面p-n結(jié)結(jié)p-n結(jié)結(jié)它的兩個(gè)端面就相它的兩個(gè)端面就相當(dāng)于兩個(gè)反射鏡，當(dāng)于兩個(gè)反射鏡，光振蕩光振蕩并利于并利于選頻。選頻。的反射系數(shù)，的反射系數(shù)，激勵(lì)能源就激勵(lì)能源就是外接是外接電源（電泵）。電源（電泵）。使電子空穴的復(fù)合不斷進(jìn)行，維持激光的輸出。使電子空穴的復(fù)合不斷進(jìn)行，維持激光的輸出。p-n結(jié)本身就形成結(jié)本身就形成一個(gè)一個(gè)光學(xué)諧振腔，光學(xué)諧振腔，它提供正向電流，它提供正向電流，適當(dāng)鍍膜達(dá)到所要求適當(dāng)鍍膜達(dá)到所要求可形成可形成解理面解理面p