第二十二章固體能帶理論基礎(chǔ)

第二十二章固體能帶理論基礎(chǔ)第一頁，共十七頁，2022年，8月28日§22-4半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制p–n結(jié)§22-3電子填充能帶的情況金屬導(dǎo)體、絕緣體和本征半導(dǎo)體§22-2自由原子中電子的能級晶體的能帶§22-1晶體第二頁，共十七頁，2022年，8月28日了解本征半導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體。了解固體能帶的形成，并用能帶觀點(diǎn)區(qū)分導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。教學(xué)基本要求第三頁，共十七頁，2022年，8月28日§22-1晶體晶體點(diǎn)陣和晶胞晶體由相同的原子或原子群在空間規(guī)則地排列而成，每一個(gè)原子群構(gòu)成晶體的基本結(jié)構(gòu)單元（基元）?；闹匦脑诳臻g規(guī)則排列形成晶格（晶體點(diǎn)陣）。晶胞面心立方晶胞體心立方晶胞第四頁，共十七頁，2022年，8月28日雪花的晶體金剛石的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)第五頁，共十七頁，2022年，8月28日一.自由原子中電子的能級多電子原子中，主量子數(shù)為n角量子數(shù)為l=0,1,2,…的能級分別為ns,np,nd,…能級。所有s能級都是非簡并的，只有一個(gè)量子態(tài)(l=0,ml=0

)，可容納2個(gè)電子。p能級是3度簡并的，l=1,ml=-1,0,1，可容納6個(gè)電子。d能級是5度簡并的，l=2,ml=-2,-1,0,1,2，可容納10個(gè)電子?！?2-2自由原子中電子的能級晶體的能帶一般來說，角量子數(shù)為l的能級是(2l+1)度簡并的，對應(yīng)于每一個(gè)這樣的能級有(2l+1)個(gè)量子態(tài)，可容納2(2l+1)個(gè)電子。第六頁，共十七頁，2022年，8月28日二.晶體的能帶6個(gè)原子組成的晶體在實(shí)際晶體中，原子中的外層電子在相鄰原子的勢場作用下，可以在整個(gè)晶體中作共有化運(yùn)動(dòng)，原來自由原子的簡并能級分裂為許多和原來能級很接近的能級，形成能帶。d0

dE禁帶能帶能帶2s

1s

分立的能級間距減小能級分裂

N個(gè)原子組成的晶體，角量子數(shù)為l的能級對應(yīng)的能帶包含(2l+1)N個(gè)能級。第七頁，共十七頁，2022年，8月28日自由原子中電子的能級越高，對應(yīng)的能帶越寬。鈉晶體的能帶隨原子間距的變化d0

dE3s

2p

3p

金剛石晶體的能帶隨原子間距的變化d0

dE2p

2s

N3N禁帶第八頁，共十七頁，2022年，8月28日一.電子填充能帶的情況當(dāng)溫度接近0K時(shí)，電子由低能級到高能級逐個(gè)填充能帶?！?2-3電子填充能帶的情況金屬導(dǎo)體、絕緣體和本征半導(dǎo)體一般，原子的內(nèi)層能級都被電子填滿，成為滿帶。價(jià)電子引起的能帶（價(jià)帶）可能是滿帶，也可能不是滿帶。有些能帶相互交疊形成混合能帶，交疊后的能帶還可能再分裂為上下兩個(gè)能帶。第九頁，共十七頁，2022年，8月28日二.金屬導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體1.導(dǎo)體較低的能帶都被電子填滿，上面的能帶只是部分地被電子填充。當(dāng)無外電場時(shí)，晶體中的電子速度分布對稱，不引起宏觀電流。當(dāng)有外電場時(shí)，晶體中的運(yùn)動(dòng)著電子有些被加速，有些被減速，即有些動(dòng)能增加有些動(dòng)能減小。只有當(dāng)電子所在的能帶內(nèi)有未被占據(jù)的空能級，即為非滿帶時(shí)，這樣的躍遷才有可能實(shí)現(xiàn)。2p3sEg

禁帶未填滿的導(dǎo)帶填滿的能帶第十頁，共十七頁，2022年，8月28日2.絕緣體完全填滿的能帶上面都是空帶。滿帶和空帶之間是較寬的禁帶。除非外電場相當(dāng)強(qiáng)，否則不能使電子獲得足夠的能量從滿帶躍遷到空帶。即使有外電場，也不可能改變電子速度分布的對稱性，即不能引起電子的定向流動(dòng)而形成電流。2s2pEg

禁帶空帶填滿的能帶金剛石是典型的絕緣體。第十一頁，共十七頁，2022年，8月28日3.本征半導(dǎo)體不含雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體。當(dāng)溫度接近0K時(shí)，價(jià)帶都被電子填滿，價(jià)帶以上的能帶都是空帶。因此和絕緣體一樣都沒有導(dǎo)電性。本征半導(dǎo)體的禁帶比絕緣體的窄很多，在常溫下，少數(shù)電子經(jīng)熱激發(fā)可越過禁帶躍遷到空帶中，這時(shí)，半導(dǎo)體就具有一定的導(dǎo)電性。3s3pEg

禁帶空帶填滿的能帶有些電子可能躍入空帶第十二頁，共十七頁，2022年，8月28日一.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制§22-4半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制p-n結(jié)價(jià)帶中少數(shù)電子被熱激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，在電場作用下，導(dǎo)帶中的電子和滿帶中的空穴都可引起電流。3s3pEg

禁帶導(dǎo)帶填滿的能帶空穴躍遷電子導(dǎo)帶中的電子是負(fù)載流子，形成電子流；滿帶中的空穴是正載流子，形成空穴電流?？傠娏魇请娮恿骱涂昭娏鞯拇鷶?shù)和。第十三頁，共十七頁，2022年，8月28日二.雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制1.n型半導(dǎo)體雜質(zhì)原子在緊靠導(dǎo)帶邊沿形成附加的施主能級，電子因熱激發(fā)由施主能級躍遷到導(dǎo)帶中可形成電子電流。施主能級導(dǎo)帶價(jià)帶躍遷電子PSiSiSiSiSiSiSi+凈正電荷多余的價(jià)電子共價(jià)鍵四價(jià)的硅、鍺摻入五價(jià)的磷、砷形成的n型半導(dǎo)體

第十四頁，共十七頁，2022年，8月28日2.p型半導(dǎo)體雜質(zhì)原子在緊靠價(jià)帶邊沿形成附加的受主能級，電子因熱激發(fā)由價(jià)帶躍遷到受主能級中在價(jià)帶中留下空穴，可形成空穴電流。四價(jià)的硅、鍺摻入三價(jià)的硼、鎵形成的p型半導(dǎo)體

受主能級導(dǎo)帶價(jià)帶空穴BGeGeGeGeGeGeGe-凈負(fù)電荷留下的空穴共價(jià)鍵第十五頁，共十七頁，2022年，8月28日三.p-n結(jié)相互擴(kuò)散空穴電子I1I2U+-I2I1-+UI1I2p區(qū)n區(qū)p區(qū)n區(qū)U0UUU動(dòng)態(tài)平衡正向電流反向抑制第十六頁，共十七頁，202