大學(xué)物理m固體中的電子

1§3.1固體的能帶(EnergyBandsinSolids)晶體準晶體非晶體固體晶體結(jié)構(gòu)＝點陣＋基元⒈能帶的由來第1頁/共42頁2晶體點陣學(xué)說第2頁/共42頁3晶體與非晶的比較第3頁/共42頁4NaClCsCl第4頁/共42頁5晶體結(jié)構(gòu)＝點陣＋基元X射線衍射極大的方向，對應(yīng)于X射線在一組晶面上反射后干涉相長的方向：對實驗結(jié)果的解釋：

晶面d晶面間距掠射角——布拉格(W.L.Bragg)公式XRDof[001]texturedPMN–32PT第5頁/共42頁6晶格衍射圖樣第6頁/共42頁7RichardBuckminsterFullerwasanAmericanengineerandarchitectwhoisrenownedforhisgeodesicdomes.Inthesesphericaldomesribsareplacedinatriangularorpolygonalpatternandlieonthegeodesiclinesofasphere.Geodesicdomesareverylightweightstructuresthatcanspanlargeareas.AwellknownexampleisthegeodesicdomeFullerconstructedfortheUnitedStatesexhibitatExpo67inMontreal.ThispictureshowsFulleronthecoverofTime

Magazin,January10,1964.Noticehowhisheadismodelledasageodesicdome.Canyoufindapentagon?BuckminsterFullerdiedin1983,sohedidnotlivetoseethediscoveryofthemolecule(in1985)thatnowbearshisname.Butmaybehediddidhaveasixthsense,sincehechosetoworkasaprofesseratSouthernIllinoisUniversityinCarbondale.第7頁/共42頁8周期性勢場和電子的共有化例：價電子在Na+的電場中的勢能特點一維晶體點陣形成的周期性勢能函數(shù)曲線EPr+++++rE+dE

電子能量E低，穿過勢壘概率小，共有化程度低

電子能量E高，穿過勢壘概率大，共有化程度高第8頁/共42頁9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——分裂為兩條第9頁/共42頁10

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，稱為能帶（energyband）第10頁/共42頁11

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約為10–23eV。第11頁/共42頁12原子間的相互作用

原子能級分裂成能帶e.g.1s2s2p第12頁/共42頁13⒉電子對能帶的填充——服從泡利不相容原理和能量最低原理.⑴滿帶(filledband)——所有量子態(tài)都被電子占據(jù)的能帶.⑵空帶(emptyband)——所有量子態(tài)都沒有被電子占據(jù)的能帶.⑶價帶(valenceband)——由原子中價電子能級分裂成的能帶.

價帶可能是滿帶(例如金剛石)，也可能不是滿帶(例如堿金屬).第13頁/共42頁14能帶理論指出：若電子處于未被填滿的能帶中，則在外電場作用下，電子可以躍入能帶中較高的空能級，從而參與導(dǎo)電.通常，未被填滿的價帶是導(dǎo)帶；位于滿帶上方的空帶，在外界(光、熱等)激發(fā)下，會有電子躍入，也稱為導(dǎo)帶.⑷導(dǎo)帶(conductionband)——具有能導(dǎo)電的電子的最高能帶.⑸禁帶(forbiddenband)——兩相鄰能帶間，不能被電子占據(jù)的能量范圍.第14頁/共42頁15禁帶空帶(導(dǎo)帶)禁帶滿帶價帶(滿帶)能帶分布：滿帶空帶禁帶禁帶E價帶(導(dǎo)帶)第15頁/共42頁16⒊能帶論對固體導(dǎo)電性的解釋導(dǎo)體——電阻率

<10–8m半導(dǎo)體——10–8m<<108m絕緣體——>108m能帶論的解釋：⑴導(dǎo)體中，或是價帶未被填滿，或是價帶與上方的空帶交疊

價電子都能參與導(dǎo)電

導(dǎo)體有良好的導(dǎo)電性能第16頁/共42頁171.導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體導(dǎo)體conductor絕緣體insulator半導(dǎo)體semiconductor定義易導(dǎo)電不易或不導(dǎo)電導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間例子金、銀、銅、鐵等塑料、橡膠、陶瓷、玻璃等硅(Si)、鍺(Ge)、GaAs等電阻率小于10–8Ω·m大于108Ω·m10–8Ω·m與108Ω·m之間能帶圖禁帶寬度Eg3–6eV0.1–1.5eVNa，K，CuMg、Be、Zn第17頁/共42頁18

⑵半導(dǎo)體中，價帶已滿，但上面的禁帶寬度較小(~1eV)，在常溫下有一定數(shù)量的電子從價帶躍入上方的空帶，能參與導(dǎo)電。但導(dǎo)電電子數(shù)密度(~1016/m3)遠小于導(dǎo)體中的值(~1028/m3)

導(dǎo)電性能不及導(dǎo)體。第18頁/共42頁191.導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體導(dǎo)體conductor絕緣體insulator半導(dǎo)體semiconductor定義易導(dǎo)電不易或不導(dǎo)電導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間例子金、銀、銅、鐵等塑料、橡膠、陶瓷、玻璃等硅(Si)、鍺(Ge)、GaAs等電阻率小于10–8Ω·m大于108Ω·m10–8Ω·m與108Ω·m之間能帶圖禁帶寬度Eg3–6eV0.1–1.5eVNa，K，CuMg、Be、Zn第19頁/共42頁20⑶絕緣體中，價帶已滿，且上面的禁帶寬度較大(～5eV)。在常溫下只有極少數(shù)電子能從價帶躍入上方的空帶

導(dǎo)電電子數(shù)密度極小

導(dǎo)電性能很差。第20頁/共42頁211.導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體導(dǎo)體conductor絕緣體insulator半導(dǎo)體semiconductor定義易導(dǎo)電不易或不導(dǎo)電導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間例子金、銀、銅、鐵等塑料、橡膠、陶瓷、玻璃等硅(Si)、鍺(Ge)、GaAs等電阻率小于10–8Ω·m大于108Ω·m10–8Ω·m與108Ω·m之間能帶圖禁帶寬度Eg3–6eV0.1–1.5eVNa，K，CuMg、Be、Zn第21頁/共42頁22§3.2半導(dǎo)體(Semiconductors)⒈兩種導(dǎo)電機制

在常溫下，有部分價電子從滿帶躍入上方的空帶，從而在滿帶中留下一些空的量子態(tài)——空穴(hole).

躍入空帶中的電子可參與導(dǎo)電——電子導(dǎo)電；留在滿帶中的空穴也可參與導(dǎo)電，可用“帶正電的空穴”的運動來描繪——空穴導(dǎo)電.

純凈(本征)半導(dǎo)體：導(dǎo)帶中的電子數(shù)等于滿帶中的空穴數(shù).第22頁/共42頁232.電子、空穴—半導(dǎo)體導(dǎo)電機理電子空穴空穴的存在，滿帶中有了空位，可以導(dǎo)電半導(dǎo)體導(dǎo)電與金屬導(dǎo)電方式的不同？半導(dǎo)體：空穴+自由電子金屬導(dǎo)體：自由電子電子導(dǎo)電：由于導(dǎo)帶內(nèi)電子引起電流

空穴導(dǎo)電：由于滿帶中缺少電子引起電流

只有電子運動

第23頁/共42頁24⒉雜質(zhì)的影響

雜質(zhì)半導(dǎo)體(extrinsicsemiconductors)分為兩類:⑴電子型(N型)半導(dǎo)體——摻有施主雜質(zhì)，以電子為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體.(N——negative)施主(donor)雜質(zhì)：進入晶格，與周圍基質(zhì)原子形成晶體原有的電子結(jié)構(gòu)后，尚有多余價電子.e.g.在四價元素半導(dǎo)體(Si,Ge)中摻入五價雜質(zhì)(P,As)——施主雜質(zhì).第24頁/共42頁25

摻入施主雜質(zhì)后,在價帶上面的禁帶中靠近導(dǎo)帶(E~10-2eV)處,出現(xiàn)雜質(zhì)能級——施主能級.常溫下E價帶導(dǎo)帶低溫下施主能級第25頁/共42頁26

常溫下，施主能級上的電子很容易躍入導(dǎo)帶，相對說來，從價帶躍入導(dǎo)帶的電子數(shù)很少

導(dǎo)帶中的電子數(shù)遠多于價帶中的空穴數(shù)

在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子(majoritycarrier，簡稱多子)，而空穴是少數(shù)載流子(minoritycarrier，簡稱少子).第26頁/共42頁27⑵空穴型(P型)半導(dǎo)體——摻有受主雜質(zhì)，以空穴為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體.(P——positive)受主(acceptor)雜質(zhì)：進入晶格，與周圍基質(zhì)原子形成晶體原有的電子結(jié)構(gòu)時，缺少價電子.e.g.在四價元素半導(dǎo)體(Si,Ge)中摻入三價雜質(zhì)(B,Al)——受主雜質(zhì).

摻入受主雜質(zhì)后，在價帶上面的禁帶中靠近價帶(E~10-2eV)處，出現(xiàn)雜質(zhì)能級——受主能級.第27頁/共42頁28常溫下E價帶導(dǎo)帶低溫下受主能級

常溫下，價帶中的電子很容易躍入受主能級，相對說來，躍入導(dǎo)帶的電子數(shù)很少

價帶中的空穴數(shù)遠多于導(dǎo)帶中的電子數(shù)

在P型半導(dǎo)體中，空穴是多子，電子是少子.第28頁/共42頁293.1半導(dǎo)體的摻雜性—Si為例+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+4+4+4p型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+4+4+4AsV族：N、P、As、Sb、BiB

III族：B、Al、Ga、In、TlEg

導(dǎo)帶

滿帶

EEA受主能級

空穴濃度增加；空穴多子，電子少子

Eg

電子空穴對濃度小熱激發(fā)：電子空穴對

導(dǎo)帶

滿帶

E導(dǎo)帶

EED施主能級

電子濃度增加；電子多子（熱激發(fā)+摻雜）空穴（熱激發(fā)）少子Eg

滿帶

摻雜可以提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能——室溫本征硅電阻率2.3×105Ω·cm，摻入10–6砷，電阻率變?yōu)?.2Ω·cm第29頁/共42頁30⒊外場的影響⑴熱激發(fā)溫度躍遷電子數(shù)載流子數(shù)電阻.應(yīng)用：熱敏電阻器(thermistor).金屬RT半導(dǎo)體o第30頁/共42頁313.2半導(dǎo)體的熱敏性環(huán)境溫度升高時本征半導(dǎo)體的電阻率下降，導(dǎo)電能力增強。金屬導(dǎo)體的電阻率增大，導(dǎo)電能力下降。溫度升高時，金屬原子的熱運動加劇，會阻礙電子的定向運動

室溫附近，溫度升高8oC，純Si的電阻率降低為原來的一半；室溫附近，溫度升高12oC，純Ge的電阻率降低為原來的一半。熱敏電阻利用半導(dǎo)體材料制成的電阻器，對溫度、熱量的反應(yīng)極其靈敏。片狀針狀—電子溫度計電阻率R溫度T0半導(dǎo)體金屬導(dǎo)帶滿帶EEg導(dǎo)帶滿帶EEg溫度升高本征激發(fā)在電子體溫計，電飯煲等自動化、無線電技術(shù)、遠距離控制與紅外測量都有廣泛應(yīng)用價值。第31頁/共42頁32⑵光激發(fā)光照躍遷電子數(shù)載流子數(shù)電阻.——光電導(dǎo)現(xiàn)象應(yīng)用：光敏電阻器(photoresistor).第32頁/共42頁333.3半導(dǎo)體的光敏性光電導(dǎo)現(xiàn)象：當(dāng)受到光照時，其導(dǎo)電能力增強。施主能級導(dǎo)帶滿帶hvn型半導(dǎo)體導(dǎo)帶滿帶受主能級hvp型半導(dǎo)體光激發(fā)的自由載流子。光生載流子內(nèi)光電效應(yīng)光生載流子越多，物體導(dǎo)電能力越強，并且載流子沒有逸出體外的光電導(dǎo)現(xiàn)象。導(dǎo)帶滿帶hv本征半導(dǎo)體hv≥Eg利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器

。光敏電阻其他應(yīng)用：光敏二極管、光敏三極管、光敏電池等光敏電阻光敏二極管第33頁/共42頁34⒋PN結(jié)(PNjunction)——P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的交界區(qū).PN

+

+

+PN在交界區(qū),因載流子擴散而形成電偶層——阻擋層

(厚度約1

m,場強約106~108V/m).PN結(jié)的特性：單向?qū)щ娦?PN結(jié)的應(yīng)用：整流(rectification).第34頁/共42頁354.1pn結(jié)—形成pn接觸前接觸擴散電流U0內(nèi)建電場阻擋層：U0勢壘區(qū)—阻礙n區(qū)電子進入p區(qū)，同時阻礙p區(qū)空穴進入n區(qū)。動態(tài)平衡pn+-U0總電流=0擴散電流漂移電流空間電荷區(qū)接觸前接觸后能帶第35頁/共42頁364.2pn結(jié)—單向?qū)щ娦晕醇悠珘赫蚱珘悍聪蚱珘赫蚱珘海簝?nèi)建電場與外加電壓反向；勢壘高度降低；阻擋層減??；多子擴散電流增大，少子漂移電流減小，形成p流向n的正向電流。反向偏壓：內(nèi)建電場與外加電壓同向；勢壘高度升高；阻擋層增厚；多子擴散困難，擴散電流減小；少子漂移電流增大，可能形成小的反向電流（n到p）。正向偏壓：低電阻性，PN結(jié)導(dǎo)通反向偏壓：高電阻性，PN結(jié)截止PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?-+第36頁/共42頁374.3pn結(jié)—伏安特性曲線正向偏壓：低電阻性，PN結(jié)導(dǎo)通反向偏壓：高電阻性，PN結(jié)截止PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?PN結(jié)具有整流效應(yīng)A點：外加正向電壓小于開啟電壓（閾值電壓）時，外電場不足以克服內(nèi)電場對多子擴散的阻力，

PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。B點：外加正向電壓大于開啟電壓（閾值電壓），PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流隨著外加電壓增大而增大。C點：外加反向電壓時，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)