半导体材料能带结构讲解.ppt

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半导体材料能带结构讲解

§2 纳米科学技术 DNA合成瞬间 平行双链DNA 观察DNA分子——揭示生命的奥秘 1 2 3 4 5 6 退出 返回 §2 纳米科学技术 DNA合成瞬间 平行双链DNA 观察DNA分子——揭示生命的奥秘 1 2 3 4 5 6 退出 返回 * * 材料科学的发展 人类文明的发展伴随着新材料的发现和应用。 旧石器时代 新石器时代 铜器时代 铁器时代 材料:人类用来制造有用物件的物质。 材料技术在人类社会的发展中起着极其重要的作用。 物理学的进展,使人们对越来越多的天然材料的性能有了更为清楚的了解。 也更加具备了人造新材料的能力。今天,人类已经可以摆布一个一个的原子,让分子、原子按照周密的设计构造成新材料。 材料(传统) 金属 无机非金属 有机高分子 复合材料 按材料的性能:功能材料、结构材料 §7.1 物质结构的基础知识 按导电能力:导体、半导体和绝缘体三类。 按材料的结构:晶体、非晶固体和液体 一、元素是构成材料的最小单位 1、元素是构成材料的最小单位 2、组成化合物的最小单位是分子 二、分子的键型和构形 构成原则:使构成的分子或晶体处于最低的能态 1、分子的键型:离子键和共价键 离子键:有电子转移,如NaCl 共价键:两原子共享电子而成 2、分子的构型:有极分子和无极分子 有极分子:如NH3,H2O,SO2,CO等 无极分子:如N2,H2,CO2,CH4等 三、晶体的结合类型和结构 绝大部分的金属材料、半导体材料和绝缘体材料都是晶体。 原子或分子在晶体中有规则地排列着,被称为“长程有序”,这一规则排列一般称为晶体格子,或简称为晶格。 原子在结合成晶体时,相互之间的间距只有几个埃(10-10m)的数量级。 1、离子晶体:结构稳固,导电性能差,熔点高,膨胀系数小 2、原子晶体:共价晶体 3、金属晶体:价电子为自由电子 氯化钠结构(NaCl) 氯化铯结构(CsCl) 四、晶体特性 1、晶体结构的周期性 2、晶体结构的对称性 3、各向异性 4、最小内能性 5、晶格振动 五、非晶凝聚态物质 (多数人工合成的) 合金,金属玻璃,非晶硅和液晶 §7.2 半导体 一、导体、绝缘体和半导体 1、导体:善于传导电流的物体,其电阻率很小 2、绝缘体:电阻率极高的物体 3、半导体:导电能力介于导体与绝缘体之间 4、晶体的能带结构 1947年12月,美国贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱三人利用半导体材料锗制成第一个晶体管,同获1956年诺贝尔物理学奖。 (1)、能带的形成 a、外层电子共有化 对大量原子有规则地排列成晶体时,由于原子离得很近,每个电子不仅受到本身原子核的作用,而且受到邻近原子核的影响,内层电子因受原子核的牢牢束缚而影响较小;价电子或外层电子却不同,外层电子受邻近原子的作用更强,容易脱离原来的原子而进入到其他原子当中。 即电子不再分属各个原子所有,而是属于整个原子所共有,这称电子的共有化, b、能带的形成 因为当有N个相同的自由原子时,每个原子内的电子有相同的分立的能级,它们是N重简并的,当这N个原子逐渐靠近时,原来束缚在单原子中的电子,不能在一个能级上存在(违反泡利不相容原则)从而只能分裂成N个非常靠近的能级(10-22ev),因为能量差甚小,可看成能量连续的区域,称为能带。 1s 2p 2s E o 原子间距 禁带 禁带 能带 (2)电子填空能带的情况 a、满带:各能级都被两个自旋相反电子填满的能带 满带 当电子从原来状态转移到另一状态时,另一电子必作相反的转移。没有额外的定向运动。满带中电子不能形成电流。 导带 电子可在外场作用下跃迁到高一级的能级形成电流。故称为导带。 b、导带:能级没有被电子填满的能带 c、空带:各能级都没有被电子填充的能带 d、价带:价电子所处的带称为价带 (3)金属、半导体、绝缘体的能带结构 a、导体:价带是导带或等效导带 导带 满带 满带 空带 满带 空带 重叠 相连 b、绝缘体:只有满带和空带,且禁带宽度较大 满带 空带 禁带 例如金刚石中两个碳原子相距15纳米时,Eg=5.33电子伏。 c、半导体:价带是满带,但是禁带宽度较小 导体、半导体、绝缘体的不同,主要是能带结构不同 满带 空带 禁带 例如硅?Eg=1.14电子伏,锗?Eg=0.67电子伏,砷化镓?Eg=1.43电子伏。 金属导电与半导体导电的差别:金属导电的载流子是自由电子,半导体导电的载流子是导带中的电子和价带中的空穴。 二、本征半导体与杂质半导体 1、本征半导体:不含杂质的纯净半导体,很少实际应用 空带 满带 禁带 -e -e -e -e Ie IP ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 本征激发 空 穴 电 流 导电机制: 本征导

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