§15.12半导体(毕岚).ppt

Chapter 15. 量子物理 §15.12 半导体 P. * / 29 §15.12 半导体 一.固体的能带 + 完 全 分 离 的 两 个 氢 原 子 能 级 + 1、能带的形成 当原子靠得很近时,原先每个原子的能级因各原子间的相互影响而分裂成一系列和原来能级很接近的子能级。 两个氢原子靠 得很近时的能级分裂 六个氢原子靠 得很近时的能级分裂 固态晶 体的能带 原子中的能级 晶体中的能带 固态晶体中,原子间距很小,原子数量(N个)巨大,使得原有能级分裂成N个间距极小的子能级,几乎靠在一起,形成能带。 2、能带的一般规律： （2）越是外层电子，能带越宽，?E越大。 （1）原子间距越小，能带越宽，?E越大。 （3） 两个能带有可能重叠。 禁带：两个相邻能带间可能有一个不被允许的能量间隔。 离子间距 r0 2p 2s 1s E O 能带重叠示意图 3、电子在能带中的分布： （2）能量最小原理 正常情况下，电子总是优先填能量较低的能级。 （1）泡利不相容原理 每个子能级有 个量子态，每个量子态容纳的电子不能超过一个，每个能带最多容纳 个电子（N是组成晶体的原子个数）。 4、满带,空带,价带,导带 满带：各能级都被电子填满的能带。满带中电子 不参与导电过程。 价带：由价电子能级分裂而形成的能带。 价带能量最高，可能被填满，也可不满。 空带：与各原子的激发态能级相应的能带。 正常情况下没有电子填入。 导带：空带和未被电子填满的价带统称为导带。 晶 体 的 能 带 禁带 禁带 导带 价带 （非满带） 空带 价带 （满带） 导带 5、电子在能带中的填充运动 （1）满带中，由于所有量子态完全被电子所占据，无论是热运动还是在外场中的运动，电子向各个方向运动的几率都相同，故不能形成电流。 在通常情况下，满带中的电子是不可能通过吸收外场能量而进入空带的。 价带 （满带） 禁带 导带 E （2）在没有外电场时，导带中的电子向各个方向运动的几率相同，没有电流。当加上外电场时，每个电子都获得动量增量?P而离开原来占据的低能态进入较高的能态（子能级）上。 而且这种转移不一定有反向电子的移动来抵消，于是在导带中就会出现一个定向的几率流密度，从宏观看就是电流。即导带中的电子是参与导电的，故谓之导带。 价带 （非满带） 空带 禁带 导带 E 它们的导电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。 固体按导电性能的高低可以分为 导体 半导体 绝缘体 二.固体的分类 负 较小 满带 负 较大 满带 导体 半导体 绝缘体 电阻率 温度系数 禁带 价带 正 非满带 1、绝缘体 价带是满带的固体，且与最邻近的空带间的能级差很大，即为绝缘体。 从能级图上来看，是因为满价带与空带之间有一个较宽的禁带（?Eg：约3～6 eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。 禁带 ?Eg 满价带 空带 绝缘体 2、半导体 价带也是满带。但其与最低空带间的禁带宽度?Eg较窄，一般只有0.1eV。因此满价带中的电子比绝缘体容易被激发到最邻近的空带上去。 3、导体 凡价带为导带的固体即为导体。 导体的能带结构还有另外两种形式。 半导体 ?Eg 满价带 空带 禁带 ?Eg 导 体 导带 导带 导带 导带 空带 满带 禁带 锗晶体中的正常键 三.本征半导体和杂质半导体 1. 本征半导体：纯净的无杂质的半导体 导带 禁带 满带 空穴 电子 电子被激发，晶体中出现空穴 在本征半导体中，电子和空穴同时参与导电。这些电子和空穴称之为本征载流子。 在本征半导体中，以扩散的方式掺入微量其它元素的原子，这样的半导体称为杂质半导体。例如，在半导体锗（Ge）中掺入百万分之一的砷（As），它的导电率将提高数万倍。 杂质半导体，由于所掺杂质的类型不同，又可分为p型半导体和n型半导体。 1. 本征半导体：纯净的无杂质的半导体 2. 杂质半导体：掺有杂质的半导体 Si Si Si Si Si Si Si P (1) n型半导体 在四价的本征半导体(如Si、Ge)中掺入少量五价的杂质元素(如P、As等)形成