(本科）物理学第七版15-12 半导体.ppt

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1、课程主讲人：物理学第七版物理学第七版15-12 半导体半导体物理学第七版第十五章第十五章 量子物理量子物理* *15-12 15-12 半导体半导体2一固体的能带一固体的能带 能带：理想晶体中的原子规则排列，原能带：理想晶体中的原子规则排列，原子间有不同程度的相互作用，形成能带子间有不同程度的相互作用，形成能带. . 两个相距较远的孤立氢原子中，能态两个相距较远的孤立氢原子中，能态以分立能级的形式出现以分立能级的形式出现. .2s1s2p2s1s2p+e-e+e-e氢原子A氢原子B物理学第七版第十五章第十五章 量子物理量子物理* *15-12 15-12 半导体半导体3 能级分裂：原子靠近时，

2、每个原子上的能级分裂：原子靠近时，每个原子上的电子除受到自身的原子核作用外，还受到其电子除受到自身的原子核作用外，还受到其他邻近原子的作用，使原先的能级分裂成多他邻近原子的作用，使原先的能级分裂成多个相距很近的子能级个相距很近的子能级. .2s1sr2s1sr2s1sr2个原子能级分裂个原子能级分裂 5个原子能级分裂个原子能级分裂 N个原子能级分裂个原子能级分裂物理学第七版第十五章第十五章 量子物理量子物理* *15-12 15-12 半导体半导体4 每个原子能级有每个原子能级有2(2l+1)个量子态，即能容个量子态，即能容纳纳2(2l+1)个电子，且每个能带上有个电子，且每个能带上有N个分裂

3、个分裂的子能级，因此的子能级，因此每个能带上能容纳的电子数每个能带上能容纳的电子数为：为：2(2l+1)Ns轨道轨道(l=0)：可容纳电子数为：可容纳电子数为2Np轨道轨道(l=1)：可容纳电子数为：可容纳电子数为6Nd轨道轨道(l=2)：可容纳电子数为：可容纳电子数为10N物理学第七版第十五章第十五章 量子物理量子物理* *15-12 15-12 半导体半导体5空带：能带中各能级空带：能带中各能级均无电子填入均无电子填入满带：能带中各能级满带：能带中各能级均被电子填满均被电子填满非满带：能带中的能非满带：能带中的能级没有被电子填满级没有被电子填满导带：空带导带：空带和未被电子和未被电子填满的

4、价带填满的价带价带：价电价带：价电子的能级所子的能级所分裂而成的分裂而成的能带能带EgEgEg称为禁带宽度，即相邻能带之间不存在能级称为禁带宽度，即相邻能带之间不存在能级的区域宽度，也是相邻能带间的最小能量差的区域宽度，也是相邻能带间的最小能量差.物理学第七版第十五章第十五章 量子物理量子物理* *15-12 15-12 半导体半导体6导体、半导体、绝缘体的差异：导体、半导体、绝缘体的差异：1.1. 电阻率：电阻率：导体：导体：电阻率电阻率10-810-4m10-810-4m，温度系数为，温度系数为 正正半导体：半导体：电阻率电阻率10-4108 m 10-4108 m ，温度系，温度系 数为

5、负数为负绝缘体：绝缘体：电阻率电阻率1081020 m 1081020 m ，温度系，温度系 数为负数为负物理学第七版第十五章第十五章 量子物理量子物理* *15-12 15-12 半导体半导体72. 禁带宽度：禁带宽度：导体：基本无禁带导体：基本无禁带半导体：禁带宽度较小半导体：禁带宽度较小绝缘体：禁带宽度较大绝缘体：禁带宽度较大物理学第七版第十五章第十五章 量子物理量子物理* *15-12 15-12 半导体半导体8二二 本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体1. 本征半导体：纯净无杂质的半导体本征半导体：纯净无杂质的半导体导带满带Eg+e-e物理学第七版第十五章第十五章 量子物理量

6、子物理* *15-12 15-12 半导体半导体9本本征征导导电电电子导电：电子导电：导带中电子移导带中电子移动引起的导电性动引起的导电性空穴导电：空穴导电：价带中空穴移价带中空穴移动引起的导电性动引起的导电性物理学第七版第十五章第十五章 量子物理量子物理* *15-12 15-12 半导体半导体102. 杂质半导体：在半导体中掺入微量杂质，杂质半导体：在半导体中掺入微量杂质，从而使其特性显著改变，分为空穴型（从而使其特性显著改变，分为空穴型（p型）半导体和电子型（型）半导体和电子型（n型）半导体型）半导体.（1） n型半导体：五价杂质原子砷掺入四型半导体：五价杂质原子砷掺入四价硅中价硅中物理

7、学第七版第十五章第十五章 量子物理量子物理* *15-12 15-12 半导体半导体11（2） p型半导体：三价杂质原子硼掺入四型半导体：三价杂质原子硼掺入四价锗中价锗中物理学第七版第十五章第十五章 量子物理量子物理* *15-12 15-12 半导体半导体12三三 pn结结在在p型和型和n型半导体相接触区域形成型半导体相接触区域形成pn结结反向电压 正向电压Isp nIp nI(1) U=0：I=0(2) U0，即，即p正正n负：负：I0，且随，且随U增大指增大指数上升数上升(3) U0，即，即n正正p负：负：I0且很小，随且很小，随U增增大很快达到饱和大很快达到饱和 Is物理学第七版第十五

8、章第十五章 量子物理量子物理* *15-12 15-12 半导体半导体13电偶层E内E内内要阻止空穴和电子的要阻止空穴和电子的继续扩散，直到达到动继续扩散，直到达到动平衡，平衡，U0为此时的势垒为此时的势垒正向电压势垒高度降低，电子和空穴更易通过电偶层反向电压势垒高度升高，电子和空穴更难通过电偶层p nIp nI物理学第七版第十五章第十五章 量子物理量子物理* *15-12 15-12 半导体半导体14四四 光生伏打效应光生伏打效应 利用利用pn结制造光电池的原理：结制造光电池的原理：+e-e(1) 光照射光照射pn结，光子结，光子产生电子空穴对产生电子空穴对(2) 在偶电层内的强电场在偶电层

9、内的强电场作用下，电子移到作用下，电子移到n型中，型中，空穴移到空穴移到p型中型中(3) pn结两边分别带有结两边分别带有正、负电荷，就相当于正、负电荷，就相当于一个电池一个电池+-物理学第七版第十五章第十五章 量子物理量子物理* *15-12 15-12 半导体半导体15 这种由光的照射，使这种由光的照射，使pn结产生电动势的结产生电动势的现象，叫做现象，叫做光生伏打效应光生伏打效应.利用太阳光照射利用太阳光照射pn结产生电能的装置，叫结产生电能的装置，叫太阳能光电池太阳能光电池.光电转化效率：光电转化效率：多晶硅多晶硅15%单晶硅单晶硅20%GaAs晶体晶体25%以上以上第十五章第十五章

10、量子物理量子物理本章目录本章目录物理学第七版16选择进入下一节：选择进入下一节：15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设15-4 15-4 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论15-3 15-3 康普顿效应康普顿效应15-2 15-2 光电效应光电效应 光的波粒二象性光的波粒二象性15-015-0 教学基本要求教学基本要求第十五章第十五章 量子物理量子物理本章目录本章目录物理学第七版1715-8 15-8 量子力学简介量子力学简介15-9 15-9 氢原子的量子理论简介氢原子的量子理论简介 * *15-10 15-10 多电子原子中的电子分布多电子原子中的电子分布* *1515-5 -5 弗兰克弗兰克- -赫兹实验赫兹实验15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性15-7 15-7 不确定关系不确定关系 选择进入下一节：选择进入下一节：第十五章第十五章 量子物理量子物理本章目录本章目录物理学第七版18选择进入下一节：选择进入下一节：* *1515-11 -11 激光激光* *1515-12 -12 半导体半导体* *1515-13 -13 超导电性超导电性* *1515-14 -14 扫描隧穿显微镜扫描隧穿显微镜* *1515-15 -15 纳米材料简介纳米材料简介