微电子概论（第3版）课件2-1-2半导体能带.pptx

《微电子概论（第3版）IntroductiontoMicroelectronics郝跃贾新章史江一》ThirdEdition

目录1.能级和能带2.1.2半导体的能带模型2.能带图上表示的“自由电子”和“空穴”3.从能带图角度理解导体、绝缘体和半导体

引言：基于固体物理引入的半导体能带概念，可以在一种更高的理论层次上分析半导体材料和器件的导电特性。本节基于普通物理中的原子能级概念，以对比方式介绍能带的概念和相关结论。

1.能级和能带(1)原子能级原子中的电子分层绕核运动。从能量角度看，各层轨道上运动的电子具有一定的能量，因此能量是不连续的。不同轨道上电子对应的能量只能取确定的数值，通常称之为能级。例：硅原子结构图以及对应的能级图。Si+14n=3n=2n=1

1.能级和能带(2)晶体中的能带当原子组成晶体时，根据量子力学原理，单个原子中的每个能级都要分裂，形成能带。例：硅晶体的能带图。每个能带分别对应于单个原子中的一个能级。Si+14n=3n=2n=1

根据量子力学理论，价电子到达该空带后将能参与导电，因此该空能带又称为导带。1.能级和能带(3)价带、导带和禁带与最外层价电子能级对应的能带称为价带价带上方是完全没有电子的空能带。价带下方是与内层束缚电子对应的能带。记价带顶部能量为Ev。价带导带底能量记为Ec。导带

1.能级和能带(3)价带、导带和禁带各能带之间的间隔中不存在电子能态，因此又称之为禁带。禁带能隙宽度记为Eg，禁带宽度Eg=Ec－Ev。禁带中央的能量位置记为Ei。对半导体导电特性起决定性作用的是价带、导带及其间的禁带，故一般能带图中就不再绘出内层电子的能带，只给出价带顶、导带底及禁带。价带导带禁带

2.能带图上表示的“自由电子”和“空穴”(1)共价键中的价电子和价带中的电子按照共价键概念，硅晶体价键中的价电子，不能参与导电。从能带角度分析，这些价电子填满了价带。根据量子力学理论，如果一个能带完全被电子填满，即使有外加电场作用，这些电子也不会对电流有贡献。

2.能带图上表示的“自由电子”和“空穴”(1)共价键中的价电子和价带中的电子室温下，由于热激发使一部分价电子脱离共价键束缚成为“自由电子”，同时价键上留下的空位相当于一个带正电荷的“空穴”，空穴与自由电子一起都是导电载流子。从能带角度分析，价电子脱离共价键束缚对应于价带中的电子获得大于禁带宽度Eg的能量从而能够“跃迁”到导带。

2.能带图上表示的“自由电子”和“空穴”(3)“自由电子”和“空穴”根据量子力学理论，到达导带中的电子就是起导电作用的自由电子。价带中的电子不能参与导电，但是价带中的空位等效于带正电的粒子，能参与导电，也就是前面提到的“空穴”。

3.从能带图角度理解导体、绝缘体和半导体禁带宽度Eg对应于价电子脱离共价键束缚所需要的能量，因此Eg的大小决定了固体的导电性。

3.从能带图角度理解导体、绝缘体和半导体价带和导带重叠，实际上没有禁带，原子中最外层的价带电子全为自由电子，因此导电性能很强。金属：

3.从能带图角度理解导体、绝缘体和半导体禁带很宽。在室温条件下几乎所有的束缚电子都难以获得足够的能量成为自由电子，因此电导率很差，表现出具有很高的电阻率。绝缘体：

3.从能带图角度理解导体、绝缘体和半导体其Eg比绝缘体的禁带宽度小得多，即使在室温下，已经有足够多的电子从价带“跃迁”到导带，因此导电能力明显高于绝缘体。半导体：

3.从能带图角度理解导体、绝缘体和半导体绝缘体与半导体的能带结构实际上差不多，但是由于禁带宽度差别很大，才导致了他们导电性的明显差别。结论：

3.从能带图角度理解导体、绝缘体和半导体绝缘体与半导体的能带结构实际上差不多，但是由于禁带宽度差别很大，才导致了他们导电性的明显差别。结论：例：典型材料的禁带宽度材料GeSiGaAsGaNSiO2禁带宽度Eg0.66eV1.12eV1.42eV3.4eV8eV材料类型半导体绝缘体涉及微观粒子的能量单位用电子伏特(eV)说明：1eV=1.60×10－19焦耳