大學(xué)物理課件近代物理之五

1、固體固體: 具有由大量分子、原子或離子組成具有由大量分子、原子或離子組成 的晶格的晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。電子受到周期性勢場的作用。電子受到周期性勢場的作用。a 解定態(tài)薛定諤方程解定態(tài)薛定諤方程(略），可以得出兩點(diǎn)重要結(jié)論：略），可以得出兩點(diǎn)重要結(jié)論：.電子的能量是量子化的電子的能量是量子化的;.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(高能級(jí)高能級(jí))， 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。二二. 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)原子，由于各個(gè)原子，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來孤立

2、原子的每原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來孤立原子的每一個(gè)能級(jí)一個(gè)能級(jí),變成了變成了N條靠得很近的能級(jí)條靠得很近的能級(jí),稱為稱為能帶能帶。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。說明：說明： 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三三 . 能帶中電子的排布能帶中電子的排布 固體中的電子

3、只能處在固體中的電子只能處在某個(gè)能帶某個(gè)能帶中的中的某一能級(jí)某一能級(jí)上。上。 排布原則：排布原則： . 服從泡里不相容原理服從泡里不相容原理 . 服從能量最小原理服從能量最小原理孤立孤立原子一個(gè)能級(jí)原子一個(gè)能級(jí) Enl ，它它最多能容納最多能容納 2 (2l +1)個(gè)電子個(gè)電子這一能級(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，能帶最多能容納能帶最多能容納(2l+1)個(gè)電子。個(gè)電子。 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滿帶（排滿電子）滿帶（排滿電子） 2價(jià)帶（能帶中一部分能級(jí)

4、排滿電子）價(jià)帶（能帶中一部分能級(jí)排滿電子） 亦稱導(dǎo)帶亦稱導(dǎo)帶 3空帶（未排電子）空帶（未排電子） 亦稱導(dǎo)帶亦稱導(dǎo)帶 4禁帶（不能排電子的能量空間）禁帶（不能排電子的能量空間）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 l+1)滿帶滿帶上的電子不能參與導(dǎo)電上的電子不能參與導(dǎo)電四、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體四、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 它們的導(dǎo)電性能不同，它們的導(dǎo)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)體絕緣體絕緣體按能級(jí)特點(diǎn)區(qū)

5、分：按能級(jí)特點(diǎn)區(qū)分：導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體絕緣體 Eg半導(dǎo)體半導(dǎo)體 Eg導(dǎo)體導(dǎo)體 Eg在外電場的作用下，在外電場的作用下，大量共有化電子很易大量共有化電子很易獲得能量獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。，集體定向流動(dòng)形成電流。從能級(jí)圖上來看，從能級(jí)圖上來看，是因?yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍芗?jí)是因?yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍芗?jí)躍遷到高能級(jí)上去，造成多個(gè)能級(jí)未被電子占滿，這躍遷到高能級(jí)上去，造成多個(gè)能級(jí)未被電子占滿，這些能級(jí)上的電子均可參與導(dǎo)電。些能級(jí)上的電子均可參與導(dǎo)電。E導(dǎo)體導(dǎo)體能級(jí)圖上，能級(jí)圖上， Eg 約約36 eV，共有化電子很難從，共有化電子很難從低能級(jí)低能級(jí) （滿帶）躍遷到（滿帶）躍遷到高能級(jí)高

6、能級(jí)（空帶）上去。（空帶）上去。在外電場的作用下，共有化電子很難接在外電場的作用下，共有化電子很難接受外電場的能量，所以形不成電流。受外電場的能量，所以形不成電流。滿帶與空帶之間也是禁帶，但是滿帶與空帶之間也是禁帶，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)外電場非常強(qiáng)時(shí)，共有化電子越過當(dāng)外電場非常強(qiáng)時(shí)，共有化電子越過禁帶躍遷到空帶中形成載流子。禁帶躍遷到空帶中形成載流子。絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體29-2 半導(dǎo)體半導(dǎo)體一一. 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體（semiconductor） 本征半導(dǎo)體是指本征半導(dǎo)體是指純

7、凈的純凈的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。其導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。其導(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帶上的一個(gè)電子躍遷到空帶后滿帶上的一個(gè)電子躍遷到空帶后,滿帶中出現(xiàn)一個(gè)空位稱空穴。滿帶中出現(xiàn)一個(gè)空位稱空穴。空帶空帶滿帶滿帶 Eg在外電場作用下在外電場作用下,例例. 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 Cd S滿滿 帶帶空 帶h Eg=2.42eVgEhch maxmin 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)的電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)nm500max 解解 hchEg m

8、ax 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 Cd S激發(fā)載流電子激發(fā)載流電子, , 光波的波長最大多長？光波的波長最大多長？gEhc C.eV.s/msJ.19834106142210310636 nm514 eVEg42. 2 為什么半導(dǎo)體的電阻為什么半導(dǎo)體的電阻 隨溫度升高而降低？隨溫度升高而降低？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、等，摻入少量、等，摻入少量五價(jià)五價(jià)的的雜質(zhì)雜質(zhì)元素（如元素（如P、As等）形成等）形成電子型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體,稱稱 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級(jí)在禁帶，這種摻雜后多余的電子的能級(jí)在禁

9、帶中中緊靠空帶緊靠空帶處處, ED10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。，極易形成電子導(dǎo)電。該能級(jí)稱為該能級(jí)稱為施主施主（donor）能級(jí)。能級(jí)。 n 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 電子電子多數(shù)載流子多數(shù)載流子空空 帶帶滿滿 帶帶施主能級(jí)施主能級(jí)EgSiSiSiSiSiSiSiPED空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子在在n型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中.型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體四價(jià)四價(jià)的本征半導(dǎo)體的本征半導(dǎo)體Si、e等，摻入少量等，摻入少量三價(jià)三價(jià)的的雜質(zhì)雜質(zhì)元素（如、元素（如、Ga、n等）等）形成形成空穴型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體，稱，稱 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

10、禁帶中能級(jí)在禁帶中緊靠滿帶緊靠滿帶處，處， Ea10-2eV，極易產(chǎn)生極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電空穴導(dǎo)電。該能級(jí)稱該能級(jí)稱受主受主（acceptor）能級(jí)能級(jí)。空空 帶帶滿滿 帶帶受主能級(jí)受主能級(jí) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體EaSiSiSiSiSiSiSi+BEg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)載流子在在p型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中三三. 雜質(zhì)補(bǔ)償作用雜質(zhì)補(bǔ)償作用實(shí)際的半導(dǎo)體中既有實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)（濃度（濃度nd），）， 又有又有受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)（濃度（濃度na），），兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償作用：兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償作用：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)。 若若

11、nd na為為n型（施主）型（施主） 若若nd na為為p型（受主）型（受主）RT電阻與溫度的關(guān)系電阻與溫度的關(guān)系 導(dǎo)體的電阻率隨導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高而增大溫度的升高而增大。金屬金屬 半導(dǎo)體的電阻率隨溫半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高而急劇地下降。度的升高而急劇地下降。 由于半導(dǎo)體中的電子吸收由于半導(dǎo)體中的電子吸收能量后，受激躍遷到導(dǎo)帶能量后，受激躍遷到導(dǎo)帶的數(shù)目增多。的數(shù)目增多。 利用半導(dǎo)體的這種利用半導(dǎo)體的這種性質(zhì)可以制成熱敏電阻。性質(zhì)可以制成熱敏電阻。半導(dǎo)體半導(dǎo)體 半導(dǎo)體在光照射下，電子吸收能量后，半導(dǎo)體在光照射下，電子吸收能量后，向向?qū)кS遷導(dǎo)帶躍遷。導(dǎo)電能力會(huì)增大，這種現(xiàn)象又稱為。導(dǎo)電

12、能力會(huì)增大，這種現(xiàn)象又稱為。 利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)現(xiàn)象可以制成利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)現(xiàn)象可以制成。六、六、 -結(jié)結(jié)1.-結(jié)的形成結(jié)的形成在一塊在一塊 n 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜受主雜質(zhì)質(zhì)，由于雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，該區(qū)就成為，由于雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，該區(qū)就成為型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。由于區(qū)的電子向區(qū)擴(kuò)散，區(qū)的空穴向區(qū)擴(kuò)散，由于區(qū)的電子向區(qū)擴(kuò)散，區(qū)的空穴向區(qū)擴(kuò)散，在型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體的交界面附近形成電子空穴在型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體的交界面附近形成電子空穴層，稱為層，稱為-結(jié)結(jié)，其間產(chǎn)生了一個(gè)電場，其間產(chǎn)生了一個(gè)電場,稱為稱為內(nèi)建場內(nèi)建場。內(nèi)建場大到一定程度內(nèi)建場大到一定程度

13、,不不再有凈電荷的流動(dòng)，達(dá)再有凈電荷的流動(dòng)，達(dá)到了新的平衡（動(dòng)態(tài)平到了新的平衡（動(dòng)態(tài)平衡）。衡）。在型在型 n型交界面附近形型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為P-N結(jié)，約結(jié)，約0.1 m厚。厚。P-N結(jié)結(jié)阻阻En型型p型型內(nèi)建場阻止電子內(nèi)建場阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，記作散，記作 。阻E2 . -結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?) 正向偏壓正向偏壓在在-結(jié)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。阻擋層勢壘被削弱、變窄，阻擋層勢壘被削弱、變窄，有利于空穴向有利于空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向電子向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E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00.21.0I) 反向偏壓反向偏壓在在-結(jié)的型區(qū)接電源負(fù)極結(jié)的型區(qū)接電源負(fù)極,叫反向偏壓。叫反向偏壓。阻擋層勢壘增大、變阻擋層勢壘增大、變寬，寬，不利于空穴向不利于空穴向區(qū)運(yùn)動(dòng)，也不利于電區(qū)運(yùn)動(dòng)，也不利于電子向子向P區(qū)運(yùn)