半导体材料能带结构讲解.ppt

§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