固体能带理论简介.ppt

2) 泡利不相容原理 由于共有化电子彼此间量子数不能完全相同，于是 各原子中能量相同的能级分裂为N个与原来能级接近的新能级，组成能带来容纳这些共有化电子。 E n, l, ml, ms * 2)能带宽度随能量增加而增加，随离子对电子约束程 度增加而减少。 N个子能级 N个子能级 N个子能级 E E 1)能带由准连续的N个子能级组成，能带之间用禁带 分开，原子数N变化时，能带宽度不变，密度变化。 2. 能带特点 * 3)每个角量子数一定的能带中最多容纳的电子数为： 2(2l+1)N 价电子所处的能带—价带 可为满带 可为导带 4) 能量最小原理：电子总是先填满能量较低的能带。 T 0K, 无激发电子,原子所占据的最大能级叫做费米能级 满 2. 能带特点 能带被电子填满： 满带 能带未被电子填满： 导带 完全未被电子填充： 空带（激发态能级） * 5）不同能带有可能重叠 6） 晶体中有杂质或缺陷时，破坏了周期性结构， 禁带中可能出现杂质能级。 2. 能带特点 * 八.导体，绝缘体，半导体的能带特征 以 l = 0 ，即每个子能级至多容纳 2 个电子为例： 满带中的电子运动不产生电流 电子运动,分布不变 导带中的电子运动可以形成电流 电子运动 ,分布变化 如果一个能带中所有能态都已被电子填满,这个能带就称为满带. 价电子所在的能级分裂成的能带称价带.价带可能是满带,也可能不是满带.未填满电子的能带称为导带. * 1. 导体的能带结构 1)价带为导带 例： Li 每个原子一个价电子（2s 态） N个原子共有N个价电子 N个 Li 原子形成固体时，2s 能级分裂为能带，有N个子能级。可容纳2N个电子，成为未满带：导带 空带 价带 较低的能带都被填满,而较高的能带只部分被填满而成为导带,因此导电性能良好. * 2) 价带为满带，与相邻空带紧密衔接或部分重叠 3) 价带为导带，又与空带部分重叠 例： Na 每个原子一个价电子，3s能带形成导带，又与空带重叠，形成更宽导带。 空带 价带 例： Mg 每个原子二个价电子，3s能带形成满带，但与空带重叠，形成较宽导带。 空带 价带 * 2. 绝缘体的能带结构 价带为满带，且与空带间的禁带较宽。 一般：从满带到空带激发微不足道，可以认为不存在导带。 当外来激发使较多电子越过禁带进入空带时，绝缘体击穿，原空带 导带。 空带 价带 ?E=1.5~10eV 钠的最外层3s电子转移到氯的3p层而形成钠正离子和氯负离子,并且钠正离子的2p能级和氯负离子的3p能级都已为电子所填满,形成晶体时,相应的两个能带各为6N个电子所填满而表现为不导电. 以氯化钠为例: * 3. 半导体 价带为满带，与空带间的禁带较窄。 空带 价带 ?E=0.1~1.5eV 因此用不大的热激发、光照或不太强的外加电场就可以使满带中的电子获得足够的能量跃迁到空带，使其成为导带。 * “电子—空穴”对为载流子 导带中电子逆电场方向运动 ——电子导电 原满带中电子填补空穴，空穴沿电场方向运动 —空穴导电 外场作用下 1) 本征半导体（纯净半导体） 空带 价带 ?E=0.1~1.5eV 热运动足以使一些电子从满带进入空带，使空带成为导带，满带中留下空穴。 空带 价带 ?E=0.1~1.5eV 在外电场作用下导带中的电子和近满带中的空穴都可参与导电的半导体称为本征半导体，参与导电的电子和空穴称为本征载流子，这种导电性称为本征导电性。 * 2) n型半导体（四价元素中掺入五价元素） 杂质能级接近空带底，其上电子容易受激发进入空带，使其电子浓度增大。 空带 价带（满） 杂质能级 施主 电子 —— 多数载流子 杂质能级 —— 施主能级 以电子导电为主 实际半导体的导电能力可通过在纯净半导体中掺进杂质来控制 施主杂质:能给出电子的杂质 * 3) p型半导体（四价元素中掺入三价元素） 空穴——多数载流子 杂质能级——受主能级 以空穴导电为主 杂质能级接近满带顶，满带中电子容易受激发进入杂质能级，使满带中空穴浓度增大。 空带 价带（满） 杂质能级 受主 受主杂质:能接受电子的杂质 * 4） p-n结及其单向导电性 p-n结的形成及其对扩散的阻挡作用 电子能带弯曲 ， 电势高处，电势能低。 形成阻挡层势垒 阻挡层电场方向 n p 扩散作用 电子 n—p 空穴 p—n - + eV0 V0 * p: + n: - 阻挡层减弱 势垒降低 多数载流子导电 p: - n: + 阻挡层加强 势垒升高 少数载流子导电 p-n结的单向导电性 p-n 结的单向导电性 * 由于热激发, 半导体的载流子显著增加，杂质半导体尤为显著，电导性随温度变化十分灵敏。 热敏电阻：半导体的电阻随温度的升高而指数下