大学物理m固体中电子.pptx

13.1 固体的能带固体的能带(Energy Bands in Solids)晶体晶体准晶体准晶体非晶体非晶体固体固体晶体结构点阵基元晶体结构点阵基元能带的由来能带的由来第第1页页/共共38页页2晶体结构点阵基元晶体结构点阵基元X射射线线衍衍射射极极大大的的方方向向，对对应应于于X射射线线在在一一组晶面上反射后干涉相长的方向：组晶面上反射后干涉相长的方向：对实验结果的解释：对实验结果的解释：晶面晶面d晶面间距晶面间距掠射角掠射角布拉格布拉格(W.L.Bragg)公式公式XRD of 001 textured PMN32PT第第2页页/共共38页页3晶格衍射图样晶格衍射图样第第3页页/共共38页页4周期性势场和电子的共有化周期性势场和电子的共有化例：价电子在例：价电子在 Na+的电场中的势能特点的电场中的势能特点一维晶体点阵形成的周期性势能函数曲线一维晶体点阵形成的周期性势能函数曲线EPr+rE+dEl 电子能量电子能量 E 低，穿过势垒概率小，共有化程度低低，穿过势垒概率小，共有化程度低l 电子能量电子能量 E 高，穿过势垒概率大，共有化程度高高，穿过势垒概率大，共有化程度高第第4页页/共共38页页5先看两个原子的情况先看两个原子的情况.Mg.Mg根根据据泡泡利利不不相相容容原原理理，原原来来的的能能级级已已填填满满不不能能再再填填充电子充电子1s2s2p3s3p1s2s2p 3s 3p 分裂为两条分裂为两条第第5页页/共共38页页6各各原原子子间间的的相相互互作作用用原原来来孤孤立立原原子子的的能能级发生分裂级发生分裂若若有有N个个原原子子组组成成一一体体，对对于于原原来来孤孤立立原原子子的的一一个个能能级级，就就分分裂裂成成 N条条靠靠得得很很近近的的能能级级，称称为为能带能带（energy band）第第6页页/共共38页页7能带的宽度记作能带的宽度记作 E，E eV 的量级的量级若若N1023，则则能能带带中中两两相相邻邻能能级级的的间间距距约约为为1023eV。第第7页页/共共38页页8原子间的相互作用原子间的相互作用 原子能级分裂成能带原子能级分裂成能带e.g.1s2s2p第第8页页/共共38页页9电子对能带的填充电子对能带的填充服从泡利不相容原理和能量最低原理服从泡利不相容原理和能量最低原理.满满带带(filled band)所所有有量量子子态态都都被被电电子子占据的能带占据的能带.空空带带(empty band)所所有有量量子子态态都都没没有有被电子占据的能带被电子占据的能带.价价带带(valence band)由由原原子子中中价价电电子子能级分裂成的能带能级分裂成的能带.价价带带可可能能是是满满带带(例例如如金金刚刚石石)，也也可可能能不不是是满满带带(例如碱金属例如碱金属).第第9页页/共共38页页10能能带带理理论论指指出出：若若电电子子处处于于未未被被填填满满的的能能带带中中，则则在在外外电电场场作作用用下下，电电子子可可以以跃跃入入能能带带中中较较高高的空能级，从而参与导电的空能级，从而参与导电.通通常常，未未被被填填满满的的价价带带是是导导带带；位位于于满满带带上上方方的的空空带带，在在外外界界(光光、热热等等)激激发发下下，会会有有电电子子跃跃入，也称为导带入，也称为导带.导导带带(conduction band)具具有有能能导导电电的的电子的最高能带电子的最高能带.禁禁带带(forbidden band)两两相相邻邻能能带带间间，不能被电子占据的能量范围不能被电子占据的能量范围.第第10页页/共共38页页11禁带禁带空带空带(导带导带)禁带禁带满带满带价带价带(满带满带)能带分布：能带分布：满带满带空带空带禁带禁带禁带禁带E价带价带(导带导带)第第11页页/共共38页页12能带论对固体导电性的解释能带论对固体导电性的解释导体导体电阻率电阻率 108 m半导体半导体108 m 108 m能带论的解释：能带论的解释：导导体体中中，或或是是价价带带未未被被填填满满，或或是是价价带带与与上上方方的的空空带带交交叠叠 价价电电子子都都能能参参与与导导电电 导体有良好的导电性能导体有良好的导电性能第第12页页/共共38页页131.导体、绝缘体、半导体导体、绝缘体、半导体导体导体conductor绝缘体绝缘体insulator半导体半导体semiconductor定义定义易导电易导电不易或不导电不易或不导电导导电电性性能能介介于于导导体体与与绝绝缘缘体之间体之间例子例子金、银、铜、铁等金、银、铜、铁等塑料、橡胶、塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等陶瓷、玻璃等硅硅(Si)、锗锗(Ge)、GaAs等等电阻率电阻率小于小于108m大于大于108m108m 与与108m之间之间能带图能带图禁带宽度禁带宽度Eg36eV0.11.5eV Na，K，Cu Mg、Be、Zn 第第13页页/共共38页页14 半半导导体体中中，价价带带已已满满，但但上上面面的的禁禁带带宽宽度度较较小小(1eV)，在在常常温温下下有有一一定定数数量量的的电电子子从从价价带带跃跃入入上上方方的的空空带带，能能参参与与导导电电。但但导导电电电电子子数数密密度度(1016/m3)远远小小于于导导体体中中的的值值(1028/m3)导电性能不及导体。导电性能不及导体。第第14页页/共共38页页151.导体、绝缘体、半导体导体、绝缘体、半导体导体导体conductor绝缘体绝缘体insulator半导体半导体semiconductor定义定义易导电易导电不易或不导电不易或不导电导导电电性性能能介介于于导导体体与与绝绝缘缘体之间体之间例子例子金、银、铜、铁等金、银、铜、铁等塑料、橡胶、塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等陶瓷、玻璃等硅硅(Si)、锗锗(Ge)、GaAs等等电阻率电阻率小于小于108m大于大于108m108m 与与108m之间之间能带图能带图禁带宽度禁带宽度Eg36eV0.11.5eV Na，K，Cu Mg、Be、Zn 第第15页页/共共38页页16 绝绝缘缘体体中中，价价带带已已满满，且且上上面面的的禁禁带带宽宽度度较较大大(5eV)。在在常常温温下下只只有有极极少少数数电电子子能能从从价价带带跃跃入入上上方方的的空空带带 导导电电电电子子数数密密度度极极小小 导电性能很差。导电性能很差。第第16页页/共共38页页171.导体、绝缘体、半导体导体、绝缘体、半导体导体导体conductor绝缘体绝缘体insulator半导体半导体semiconductor定义定义易导电易导电不易或不导电不易或不导电导导电电性性能能介介于于导导体体与与绝绝缘缘体之间体之间例子例子金、银、铜、铁等金、银、铜、铁等塑料、橡胶、塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等陶瓷、玻璃等硅硅(Si)、锗锗(Ge)、GaAs等等电阻率电阻率小于小于108m大于大于108m108m 与与108m之间之间能带图能带图禁带宽度禁带宽度Eg36eV0.11.5eV Na，K，Cu Mg、Be、Zn 第第17页页/共共38页页183.2 半导体半导体(Semiconductors)两种导电机制两种导电机制 在在常常温温下下，有有部部分分价价电电子子从从满满带带跃跃入入上上方方的的空空带带，从从而而在在满满带带中中留留下下一一些些空空的的量量子子态态空穴空穴(hole).跃跃入入空空带带中中的的电电子子可可参参与与导导电电电电子子导导电电；留留在在满满带带中中的的空空穴穴也也可可参参与与导导电电，可可用用“带带正正电的空穴电的空穴”的运动来描绘的运动来描绘空穴导电空穴导电.纯纯净净(本本征征)半半导导体体：导导带带中中的的电电子子数数等等于于满满带带中的空穴数中的空穴数.第第18页页/共共38页页192.电子、空穴电子、空穴半导体导电机理半导体导电机理电子电子 空穴空穴 空穴的存在，满带中有了空位，可以导电空穴的存在，满带中有了空位，可以导电半导体导电与金属导电方式的不同半导体导电与金属导电方式的不同？半导体半导体：空穴空穴+自由电子自由电子 金属导体金属导体：自由电子自由电子电子导电电子导电：由于导带内电子引起电流由于导带内电子引起电流 空穴导电空穴导电：由于满带中缺少电子引起电流由于满带中缺少电子引起电流 只有电子运动只有电子运动 第第19页页/共共38页页20杂质的影响杂质的影响 杂质半导体杂质半导体(extrinsic semiconductors)分为两类分为两类:电子型电子型(N型型)半导体半导体 掺掺有有施施主主杂杂质质，以以电电子子为为多多数数载载流流子的半导体子的半导体.(Nnegative)施施主主(donor)杂杂质质：进进入入晶晶格格，与与周周围围基基质质原原子子形形成成晶晶体体原原有有的的电电子子结结构构后后，尚尚有多余价电子有多余价电子.e.g.在四价元素半导体在四价元素半导体(Si,Ge)中掺入五价中掺入五价杂质杂质(P,As)施主杂质施主杂质.第第20页页/共共38页页21 掺入施主杂质后掺入施主杂质后,在价带上面的禁带中靠在价带上面的禁带中靠近导带近导带(E10-2eV)处处,出现杂质能级出现杂质能级施主能级施主能级.常温下常温下E价带价带导带导带低温下低温下施主能级施主能级第第21页页/共共38页页22 常常温温下下，施施主主能能级级上上的的电电子子很很容容易易跃跃入入导导带带，相相对对说说来来，从从价价带带跃跃入入导导带带的的电电子子数数很很少少 导导带带中中的的电电子子数数远远多多于于价价带带中中的的空空穴穴数数 在在N型型半半导导体体中中，电电子子是是多多数数载载流流子子(majority carrier，简简称称多多子子)，而而空空穴穴是是少少数数载载流流子子(minority carrier，简称简称少子少子).第第22页页/共共38页页23空穴型空穴型(P型型)半导体半导体掺有受主杂质，以空穴为多数载流掺有受主杂质，以空穴为多数载流子的半导体子的半导体.(Ppositive)受主受主(acceptor)杂质：进入晶格，与周杂质：进入晶格，与周围基质原子形成晶体原有的电子结构时，围基质原子形成晶体原有的电子结构时，缺少价电子缺少价电子.e.g.在四价元素半导体在四价元素半导体(Si,Ge)中掺入三价中掺入三价杂质杂质(B,Al)受主杂质受主杂质.掺入受主杂质后，在价带上面的禁带掺入受主杂质后，在价带上面的禁带中靠近价带中靠近价带(E10-2eV)处，出现杂质能处，出现杂质能级级受主能级受主能级.第第23页页/共共38页页24常温下常温下E价带价带导带导带低温下低温下受主能级受主能级 常常温温下下，价价带带中中的的电电子子很很容容易易跃跃入入受受主主能能级级，相相对对说说来来，跃跃入入导导带带的的电电子子数数很很少少 价价带带中中的的空空穴穴数数远远多多于于导导带带中中的的电电子子数数 在在P型型半半导导体体中，空穴是中，空穴是多子多子，电子是，电子是少子少子.第第24页页/共共38页页253.1 半导体的掺杂性半导体的掺杂性Si为例为例+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体本征半导体 n型半导体型半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+4+4+4p型半导体型半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+4+4+4AsV族：N、P、As、Sb、BiB III族：B、Al、Ga、In、Tl Eg 导导 带带 满满 带带 EEA受主能级受主能级 空穴浓度增加；空穴浓度增加；空穴多子，电子少子空穴多子，电子少子 Eg 电子空穴对浓度小电子空穴对浓度小热激发：电子空穴对热激发：电子空穴对 导导 带带 满满 带带 E导导 带带 EED 施主能级施主能级 电子浓度增加；电子浓度增加；电子多子（热激发电子多子（热激发+掺杂）掺杂）空穴（热激发）少子空穴（热激发）少子 Eg 满满 带带 掺杂可以提高半导体的导电性能掺杂可以提高半导体的导电性能 室温本征硅电阻率室温本征硅电阻率2.3105cm，掺入，掺入106砷，电阻率变为砷，电阻率变为0.2cm第第25页页/共共38页页26外场的影响外场的影响热激发热激发温度温度 跃迁电子数跃迁电子数 载流子数载流子数 电阻电阻.应用：应用：热敏电阻器热敏电阻器(thermistor).金属金属RT半导体半导体o第第26页页/共共38页页273.2 半导体的热敏性半导体的热敏性环境温度升高环境温度升高时时本征半导体本征半导体的的电阻率下降电阻率下降，导电能力增强。，导电能力增强。金属导体金属导体的的电阻率增大电阻率增大，导电能力下降。，导电能力下降。温度升高时，金属原子的热运动加剧，会阻碍电子的定向运动 室温附近，温度升高8oC，纯Si的电阻率降低为原来的一半；室温附近，温度升高12oC，纯Ge的电阻率降低为原来的一半。热敏电阻热敏电阻 利用半导体材料制成的电阻器，对温度、热量的反应极其灵敏。利用半导体材料制成的电阻器，对温度、热量的反应极其灵敏。片状片状 针状针状电子温度计电子温度计电阻率电阻率R温度温度 T0半导体半导体金属金属导带 满带 EEg 导带 满带 EEg 温度升高温度升高本征激发本征激发在电子体温计，电饭煲等自动化、无线电技术、远距离控制与红外测量都有广泛应用价值。第第27页页/共共38页页28光激发光激发光照光照 跃迁电子数跃迁电子数 载流子数载流子数 电阻电阻.光电导现象光电导现象应用：应用：光敏电阻器光敏电阻器(photoresistor).第第28页页/共共38页页293.3 半导体的光敏性半导体的光敏性光电导现象：当受到光照时，其导电能力增强。光电导现象：当受到光照时，其导电能力增强。施主能级导带 满带 hvn型半导体型半导体 导带 满带 受主能级hvp型半导体型半导体 光激发的自由载流子。光激发的自由载流子。光生载流子光生载流子 内光电效应内光电效应 光生载流子越多，物体导电能力越强，并且载流子没有逸出体外的光电导现象。光生载流子越多，物体导电能力越强，并且载流子没有逸出体外的光电导现象。导带 满带 hv本征半导体本征半导体 hvEg利用半导体的光电效应制成的电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器利用半导体的光电效应制成的电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。光敏电阻光敏电阻 其他应用：光敏二极管、光敏三极管、光敏电池 等光敏电阻光敏电阻光敏二极管光敏二极管第第29页页/共共38页页30 PN结结(PN junction)P型半导体与型半导体与N型半导体的交界区型半导体的交界区.PN +PN在交界区在交界区,因载流子扩散而形成电偶层因载流子扩散而形成电偶层 阻阻挡层挡层(厚度约厚度约1 m,场强约场强约106108V/m).PN结的特性：结的特性：单向导电性单向导电性.PN结的应用：结的应用：整流整流(rectification).第第30页页/共共38页页314.1 pn结结形成形成pn接触前接触前 接触接触 扩散电流扩散电流U0 内建电场内建电场阻挡层：阻挡层：U0 势垒区势垒区阻碍n区电子进入p区，同时阻碍p区空穴进入n区。动态平衡动态平衡 pn+-U0 总电流总电流=0 扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流空间电荷区空间电荷区接触前 接触后 能能 带带 第第31页页/共共38页页324.2 pn结结单向导电性单向导电性未加偏压未加偏压正向偏压正向偏压反向偏压反向偏压正向偏压：正向偏压：内建电场与外加电压反向；内建电场与外加电压反向；势垒高度降低；势垒高度降低；阻挡层减薄；阻挡层减薄；多子扩散电流增大，少子漂移电多子扩散电流增大，少子漂移电流减小，形成流减小，形成p流向流向n的的正向电流正向电流。反向偏压：反向偏压：内建电场与外加电压同向；内建电场与外加电压同向；势垒高度升高；势垒高度升高；阻挡层增厚；阻挡层增厚；多子扩散困难，扩散电流减小；多子扩散困难，扩散电流减小；少子漂移电流增大，可能形成少子漂移电流增大，可能形成小小的的反向电流反向电流（n到到p）。）。正向偏压：正向偏压：低电阻性，低电阻性，PN结导通结导通反向偏压：反向偏压：高电阻性，高电阻性，PN结截止结截止PN结具有单向导电性结具有单向导电性+-+第第32页页/共共38页页334.3 pn结结伏安特性曲线伏安特性曲线正向偏压：正向偏压：低电阻性，低电阻性，PN结导通结导通反向偏压：反向偏压：高电阻性，高电阻性，PN结截止结截止PN结具有结具有单向导电性单向导电性+PN结具有结具有整流效应整流效应A点点：外加正向电压小于开启电压（阈值电压）时，外加正向电压小于开启电压（阈值电压）时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结处于结处于截止状态截止状态。B点点：外加正向电压大于开启电压（阈值电压），外加正向电压大于开启电压（阈值电压），PN结结 处于处于导通状态导通状态，电流随着外加电压增大而增大，电流随着外加电压增大而增大。C点点：外加反向电压时，外加反向电压时，PN结处于结处于截止状态截止状态。1、温升使反向电流增加很快（本征激发，少子浓度增大）；、温升使反向电流增加很快（本征激发，少子浓度增大）；2、反向电流、反向电流 很小且稳定（少子浓度一定）。很小且稳定（少子浓度一定）。D点点：反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。原因为原因为电击穿电击穿。1、强外电场破坏键结构；、强外电场破坏键结构；2、获得大能量的載流子碰撞原子产生新的电子空穴对。如、获得大能量的載流子碰撞原子产生新的电子空穴对。如无限流措施，会造成无限流措施，会造成热击穿热击穿而损坏。而损坏。IVABCDPN结伏安特性曲线结伏安特性曲线 第第33页页/共共38页页34 固体的能带固体的能带能带的由来能带的由来 半导体半导体两种导电机制两种导电机制杂质半导体杂质半导体N型：施主杂质、施主能级、多子、少子型：施主杂质、施主能级、多子、少子P型：受主杂质、受主能级、多子、少子型：受主杂质、受主能级、多子、少子能带论对固体导电性的解释能带论对固体导电性的解释满带满带,空带空带,价带价带,导带导带,禁带禁带Chap.3 SUMMARY第第34页页/共共38页页35外场外场(热、光热、光)对导电性的影响对导电性的影响PN结结第第35页页/共共38页页36本征半导体中参与导电的载流子是电子与本征半导体中参与导电的载流子是电子与空穴，空穴，N型半导体中参与导电的载流子是型半导体中参与导电的载流子是，P型半导体中参与导电的载流子型半导体中参与导电的载流子是是.答案：答案：电子与空穴电子与空穴电子与空穴电子与空穴EXERCISES第第36页页/共共38页页37在在4价元素半导体中掺入价元素半导体中掺入5价杂质，则可构价杂质，则可构成成型半导体，参与导电的载流子多型半导体，参与导电的载流子多数是数是；相反，若掺入；相反，若掺入3价杂质，则可价杂质，则可构成构成型半导体，参与导电的载流子型半导体，参与导电的载流子多数是多数是.答案：答案：N电子电子P空穴空穴第第37页页/共共38页页38N型半导体中杂质原子所形成的局部能级型半导体中杂质原子所形成的局部能级（施主能级），在能带结构中应处于（施主能级），在能带结构中应处于(A)满带中满带中.(B)导带中导带中.(C)禁带中，但接近满带顶禁带中，但接近满带顶.(D)禁带中，但接近导带底禁带中，但接近导带底.答案：答案：(D)思考思考 P型半导体中受主能级的位置型半导体中受主能级的位置?第第38页页/共共38页页