固體的能帶結(jié)構(gòu)

固體的能帶結(jié)構(gòu)1第1頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月目錄§4.1固體的能帶§3.2導(dǎo)體和絕緣體§4.3半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)§4.4pn結(jié)△§4.5半導(dǎo)體器件

§4.6半導(dǎo)體激光器（補充）第2頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月固體物理既是一門綜合性的理論學(xué)科又和固體物理是信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)1928-29建立能帶理論并由實驗證實1947發(fā)明晶體管1962制成集成電路實際應(yīng)用緊密結(jié)合（材料、激光、半導(dǎo)體…）第3頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月19828028613.4萬

80486120萬1993pentium320萬1995pentiumMMX550萬1997pentium2750萬集成度每10年增加1000倍！1971intel4004微處理器芯片2300晶體管第4頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻沒有晶體管和超大規(guī)模集成電路，就沒有計現(xiàn)在在一個面積比郵票還小的芯片上可以集其上可以集成109個元件，度只有0.12微米。成一個系統(tǒng)，的研究分不開。算機的普遍應(yīng)用和今天的信息處理技術(shù)。溝道長第5頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月先看兩個原子的情況.Mg.

Mg根據(jù)泡利不相容原理，原來的能級已填滿不能再填充電子1s2s2p3s3p1s2s2p3s3p§4.1固體的能帶—分裂為兩條第6頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月各原子間的相互作用原來孤立原子的能級發(fā)生分裂若有N個原子組成一體，對于原來孤立原子的一個能級，就分裂成N條靠得很近的能級，能帶的寬度記作E

E

～eV的量級

若N~1023，則能帶中兩相鄰能級的間距稱為能帶（energyband）。約為10-23eV。第7頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月能級能帶N條能隙，禁帶E一般規(guī)律：

1.越是外層電子，能帶越寬，E越大；

2.點陣間距越小，能帶越寬，E越大；

3.兩個能帶有可能重疊。第8頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖第9頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月一.電子在周期勢場中的運動電子共有化孤立原子中電子的勢阱電子能級+勢壘第10頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月固體（這里指晶體）具有由大量分子、電子受到周期性勢場的作用：a原子或離子的規(guī)則排列而成的點陣結(jié)構(gòu)。第11頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月解定態(tài)薛定諤方程，可以得出兩點1.電子的能量是量子化的；2.電子的運動有隧道效應(yīng)。

原子的外層電子（在高能級）勢壘穿透原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊，一般概率較大，電子可以在整個固體中運動，稱為共有化電子。重要結(jié)論：不是共有化電子。第12頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月二.能帶中電子的排布固體中的一個電子只能處在某個能帶中1.排布原則：（1）服從泡里不相容原理（費米子）（2）服從能量最小原理對孤立原子的一個能級Enl，它最多能

這一能級分裂成由N個能級組成的能帶，的某一能級上。容納2(2l+1)個電子。一個能帶最多能容納2

(2l+1)N

個電子。第13頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2p、3p能帶，最多容納6Ｎ個電子。例如，1s、2s能帶，最多容納2Ｎ個電子。每個能帶最多容納2Ｎ個電子每個能帶最多容納6Ｎ個電子單個Mg原子1s2s2p3s3p晶體Mg（N個原子）電子排布應(yīng)從最低的能級排起。第14頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

滿帶：填滿電子的能帶。

空帶：沒有電子占據(jù)的能帶。

不滿帶：未填滿電子的能帶。

禁帶：不能填充電子的能區(qū)。

價帶：和價電子能級相應(yīng)的能帶，對半導(dǎo)體，價帶通常是滿帶。即最高的充有電子的能帶。

2.幾個概念

滿帶E

不滿帶

禁帶

禁帶價帶

空帶第15頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月不滿帶或滿帶以上最低的空帶，稱為導(dǎo)帶。3.能帶中電子的導(dǎo)電性滿帶不導(dǎo)電：…電子交換能態(tài)并不改變能量狀態(tài)，所以滿帶不導(dǎo)電。電子在電場作用下作定向運動，得到附加能量，電子能量發(fā)生變化。導(dǎo)帶導(dǎo)電：導(dǎo)帶中電子才能改變能量。

導(dǎo)電性：第16頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月Ep價帶(滿帶)空帶(導(dǎo)帶)不滿帶(導(dǎo)帶)EEp導(dǎo)帶導(dǎo)電：第17頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月§4.2導(dǎo)體和絕緣體

它們的導(dǎo)電性能不同，是因為它們的能帶結(jié)構(gòu)不同。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體第18頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月一.導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)空帶

導(dǎo)帶E某些一價金屬，如:Li…

滿帶空帶E某些二價金屬，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…

導(dǎo)帶空帶E如:Na,K,Cu,Al,Ag…第19頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

導(dǎo)體在外電場的作用下，大量共有化電子從能級圖上來看，是因為其共有化電子很易從低能級躍遷到高能級上去。E很易獲得能量，集體定向流動形成電流。第20頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月二.絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)E空帶空帶滿帶禁帶ΔEg=3～6eV從能級圖來看，是因為滿帶絕緣體在外電場的作用下，

當(dāng)外電場足夠強時，共有化電子還是能越過共有化電子很難從低能級（滿帶）躍遷到高能級（空帶）上去。的能量，所以形不成電流。（Eg：3～6eV），與空帶間有一個較寬的禁帶禁帶躍遷到上面的空帶中，使絕緣體被擊穿。共有化電子很難接受外電場第21頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月§4.3半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)一.本征半導(dǎo)體（semiconductor）本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。1.本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)Eg=0.12eVE空帶（導(dǎo)帶）滿帶禁帶本征半導(dǎo)體所以加熱、光照、加電場都能把電子從滿帶激到發(fā)空帶中去，同時在滿帶中形成“空穴”（hole）。半導(dǎo)體的禁帶寬度ΔEg

很窄（0.1～2eV），第22頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月例如半導(dǎo)體CdS：滿帶空帶hEg=2.42eV滿帶上的一個電子躍遷到空帶后，滿帶中出現(xiàn)一個帶正電的空位，稱為“空穴”。

電子和空穴總是成對出現(xiàn)的。電子和空穴叫本征載流子，它們形成半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電性。

當(dāng)光照

h>ΔEg

時，

可發(fā)生本征吸收，形成本征光電導(dǎo)。第23頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.兩種導(dǎo)電機構(gòu)（1）電子導(dǎo)電

—半導(dǎo)體的主要載流子是電子解【例】要使半導(dǎo)體CdS產(chǎn)生本征光電導(dǎo)，求激發(fā)電子的光波的波長最大多長？第24頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月在外電場作用下，電子可以躍遷到空穴上來，這相當(dāng)于空穴反向躍遷?？昭ㄜS遷也形成電流，這稱為空穴導(dǎo)電?？諑M帶Eg（2）空穴導(dǎo)電

—半導(dǎo)體的主要載流子是空穴第25頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)外電場足夠強時，共有化電子還是能越【思考】為什么導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而升高，而半導(dǎo)體的電阻卻隨溫度升高而降低？半導(dǎo)體導(dǎo)體擊穿過禁帶躍遷到上面的空帶中，使半導(dǎo)體擊穿。第26頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月二.雜質(zhì)（impurity）半導(dǎo)體1.n型半導(dǎo)體又稱n型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠空帶處，ED～10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體Si、Ge等的四個價電子，與另四個原子形成共價結(jié)合，當(dāng)摻入少量五價的雜質(zhì)元素（如P、As等）時，就形成了電子型半導(dǎo)體，第27頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

n型半導(dǎo)體空帶滿帶施主能級EDEgSiSiSiSiSiSiSiP

這種靠近空帶的附加能級稱為施主（donor）能級。如下圖示：第28頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月則P原子濃度～1018cm3np=1.5×1010cm3+1018=1018cm3室溫下：本征激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)導(dǎo)帶中電子濃度nn=1.5×1010滿帶中空穴濃度設(shè)Si中P的含量為104電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。在n型半導(dǎo)體中：電子濃度nn～施主雜質(zhì)濃度ndSi原子濃度～1022cm3第29頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.p型半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等摻入少量三價的雜質(zhì)元素（如Ｂ、Ga、In等）時，就形成空穴型半導(dǎo)體，又稱p型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴能級在禁帶中緊靠滿帶處，EA

<10-1eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。第30頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月空帶EA滿帶受主能級

P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg

這種靠近滿帶的附加能級稱為受主（acceptor）能級。如下圖示：第31頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月則B原子濃度～1018cm3np=1.5×1010室溫下：本征激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)導(dǎo)帶中電子濃度nn=1.5×1010cm3滿帶中空穴濃度設(shè)Si中B的含量為10－4

+1018=1018cm3空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子?？昭舛萵p～受主雜質(zhì)濃度na在p型半導(dǎo)體中：Si原子濃度～1022cm

3第32頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3.n型化合物半導(dǎo)體例如，化合物GaAs中摻Te，六價的Te替代五價的As可形成施主能級，成為n型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。4.p型化合物半導(dǎo)體例如，化合物GaAs中摻Zn，二價的Zn替代三價的Ga可形成受主能級，成為p型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。第33頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月三.雜質(zhì)的補償作用實際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度nd），又有受主雜質(zhì)（濃度na），兩種雜質(zhì)有補償作用：若ndna——為n型（施主）若ndna——為p型（受主）利用雜質(zhì)的補償作用，可以制成p-n結(jié)。第34頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月§4.4p-n結(jié)一.p-n結(jié)的形成在n型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的面附近產(chǎn)生了一個內(nèi)建阻止電子和空穴進一步擴散。電子和空穴的擴散，在p型和n型半導(dǎo)體交界p型半導(dǎo)體(補償作用)。受主雜質(zhì)，（電）場該區(qū)就成為n型p型第35頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)建場大到一定程度，不再有凈電荷的流動，達到了新的平衡。在p型和n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為p-n結(jié)（阻擋層，耗盡層），其厚度約為0.1m。p-n結(jié)p型n型第36頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月U0電勢電子電勢能p-n結(jié)np第37頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月由于p-n結(jié)的存在，電子的能量應(yīng)考慮進勢這使電子能帶出現(xiàn)彎曲：空帶空帶p-n結(jié)施主能級受主能級滿帶滿帶壘帶來的附加勢能。第38頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月二.p-n結(jié)的單向?qū)щ娦?.正向偏壓p-n結(jié)的p型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓。向p區(qū)運動，阻擋層勢壘降低、變窄，有利于空穴向n區(qū)運動，也有利于電子和反向，這些都形成正向電流（mＡ級）。p型n型I+第39頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月外加正向電壓越大，形成的正向電流也越大，且呈非線性的伏安特性。U（伏）302010（毫安）正向00.21.0I鍺管的伏安特性曲線第40頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.反向偏壓p-n結(jié)的p型區(qū)接電源負極，叫反向偏壓。也不利于電阻擋層勢壘升高、變寬，不利于空穴向n區(qū)運動，和同向，會形成很弱的反向電流，稱漏電流（Ａ級）。I無正向電流p型n型+子向p區(qū)運動。但是由于少數(shù)載流子的存在，第41頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)外電場很強，反向電壓超過某一數(shù)值后，反向電流會急劇增大—反向擊穿。V(伏)I-10-20-30（微安）反向-20-30用pn結(jié)的單向?qū)щ娦?，擊穿電壓用pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)，可制成光電池。p-n結(jié)的應(yīng)用：做整流、開關(guān)用。加反向偏壓時，pn結(jié)的伏安特性曲線如左圖?？芍瞥删w二極管（diode），第42頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月△§4.5半導(dǎo)體器件（自學(xué)書第4.7節(jié)）

p-n結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放大作用的晶體三極管（trasistor）和其他一些半導(dǎo)體器件。集成電路大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路晶體管（1947）（1962）（80年代）103105甚大規(guī)模集成電路巨大規(guī)模集成電路107109（70年代）（90年代）（現(xiàn)在）第43頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體管的發(fā)明

1947年12月23日，美國貝爾實驗室的半導(dǎo)體小組做出世界上第一只具有放大作用的點接觸型晶體三極管。

1956年小組的三位成員獲諾貝爾物理獎。巴丁J.Bardeen布拉頓W.H.Brattain肖克利W.Shockley第44頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月每一個集成塊（圖中一個長方形部分）約為手指甲大小，它有300多萬個三極管。

INMOST900微處理器第45頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

同質(zhì)結(jié)激光器—由同種材料制成的p-n結(jié)半導(dǎo)體激光器分兩類：

異質(zhì)結(jié)激光器—由兩種不同材料制成的p-I-n

§4.6半導(dǎo)體激光器（補充）半導(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。（重摻雜）結(jié)（I為本征半導(dǎo)體）第46頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月重摻雜pn滿帶空帶pn滿帶空帶普通摻雜1.同質(zhì)結(jié)激光器第47頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月加正向偏壓V

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

pn阻擋層E內(nèi)-++-+-+-+-Ｅ外E內(nèi)pn阻擋層+-----++++pn滿帶空帶eU0pn滿帶空帶e(U0-V)電子空穴復(fù)合發(fā)光，由自發(fā)輻射引起受激輻射。.第48頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月解理面p-n結(jié)p-n結(jié)它的兩個端面就相當(dāng)于兩個反射鏡，光振蕩并利于選頻。．的反射系數(shù)，激勵能源就是外接電源（電泵）。使電子空穴的復(fù)合不斷進行，維持激光的輸出。p-n結(jié)本身就形成一個光學(xué)諧振腔，它提供正向電流，適當(dāng)鍍膜達到所要求可形成第49頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月解理面p-n結(jié)核心部分：

p型GaAsn型GaAs典型尺寸（m）：長

L=250-5