第二十二章固体能带理论基础PPT讲稿.ppt

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1、第二十二章固体能带理论基础第1页，共17页，编辑于2022年，星期二22-4 半导体的导电机制半导体的导电机制 p n 结结22-3 电子填充能带的情况电子填充能带的情况 金属导体、金属导体、绝缘体和本征半导体绝缘体和本征半导体22-2 自由原子中电子的能级自由原子中电子的能级 晶体的能带晶体的能带22-1 晶体晶体第2页，共17页，编辑于2022年，星期二 了解本征半导体、了解本征半导体、n 型半导体和型半导体和 p 型半导体。型半导体。了解固体能带的形成，并用能带观点区分导了解固体能带的形成，并用能带观点区分导体、半导体和绝缘体。体、半导体和绝缘体。第3页，共17页，编辑于2022年，星期

2、二22-1 晶体晶体晶体点阵和晶胞晶体点阵和晶胞 晶体由相同的原子或原子群在空间规则地排列而晶体由相同的原子或原子群在空间规则地排列而成，每一个原子群构成晶体的基本结构单元（基元）。成，每一个原子群构成晶体的基本结构单元（基元）。基元的重心在空间规则排列形成基元的重心在空间规则排列形成晶格晶格（晶体点阵）（晶体点阵）。晶胞面心立方面心立方晶胞晶胞体心立方体心立方晶胞晶胞第4页，共17页，编辑于2022年，星期二雪花的晶体雪花的晶体金刚石的点阵结构金刚石的点阵结构第5页，共17页，编辑于2022年，星期二一一.自由原子中电子的能级自由原子中电子的能级 多电子原子中，主量子数为多电子原子中，主量子

3、数为n 角量子数为角量子数为l=0,1,2,的能级分别为的能级分别为 ns,np,nd,能级。所有能级。所有 s能级都能级都是非简并的，只有一个量子态是非简并的，只有一个量子态(l=0,ml=0)，可容纳，可容纳 2 个电子。个电子。p 能级是能级是 3 度简并的，度简并的，l=1,ml=-1,0,1，可容纳可容纳 6 个电子个电子。d 能级是能级是 5 度简并的，度简并的，l=2,ml=-2,-1,0,1,2，可容纳，可容纳10个电子个电子。22-2 自由原子中电子的能级自由原子中电子的能级 晶体的能带晶体的能带 一般来说，一般来说，角量子数为角量子数为 l 的能级是的能级是(2l+1)度简

4、并度简并的的，对应于每一个这样的能级有对应于每一个这样的能级有(2l+1)个量子态，个量子态，可可容纳容纳2(2l+1)个电子个电子。第6页，共17页，编辑于2022年，星期二二二.晶体的能带晶体的能带6 6个原子组成的晶体个原子组成的晶体 在实际晶体中，原子中的外层电子在相邻原子的在实际晶体中，原子中的外层电子在相邻原子的势场作用下，可以在整个晶体中作共有化运动，原来势场作用下，可以在整个晶体中作共有化运动，原来自由原子的自由原子的简并能级分裂为许多和原来能级很接近的简并能级分裂为许多和原来能级很接近的能级，形成能级，形成能带能带。d0 d E 禁带禁带能带能带能带能带2s 1s 分分立立的

5、的能能级级间距减小能级分裂 N 个原子组个原子组成的晶体，角量成的晶体，角量子数为子数为 l 的能级的能级对应的能带包含对应的能带包含(2l+1)N个能级。个能级。第7页，共17页，编辑于2022年，星期二 自由原子中电子的能级越高，对应的能带越宽。自由原子中电子的能级越高，对应的能带越宽。钠晶体的能带随原钠晶体的能带随原子间距的变化子间距的变化d0 d E 3s 2p 3p 金刚石晶体的能带随金刚石晶体的能带随原子间距的变化原子间距的变化d0 d E 2p 2s N 3N 禁带禁带第8页，共17页，编辑于2022年，星期二一一.电子填充能带的情况电子填充能带的情况 当温度接近当温度接近 0

6、K时，电子由低能级到高能级逐个填时，电子由低能级到高能级逐个填充能带。充能带。22-3 电子填充能带的情况电子填充能带的情况 金属导体、绝金属导体、绝缘体和本征半导体缘体和本征半导体 一般，原子的内层能级都被电子填满，成为一般，原子的内层能级都被电子填满，成为满带满带。价。价电子引起的能带（价带）可能是满带，也可能不是满电子引起的能带（价带）可能是满带，也可能不是满带。带。有些能带相互交叠形成混合能带，交叠后的能带有些能带相互交叠形成混合能带，交叠后的能带还可能再分裂为上下两个能带。还可能再分裂为上下两个能带。第9页，共17页，编辑于2022年，星期二二二.金属导体、绝缘体和半导体金属导体、绝

7、缘体和半导体 1.导体导体 较低的能带都被电子填满，上面的能带只较低的能带都被电子填满，上面的能带只是部分地被电子填充。是部分地被电子填充。当无外电场时，晶当无外电场时，晶体中的电子速度分布对体中的电子速度分布对称，不引起宏观电流。称，不引起宏观电流。当有外电场时，晶体中的运动着电子有些被加速，有当有外电场时，晶体中的运动着电子有些被加速，有些被减速，即有些动能增加有些动能减小。些被减速，即有些动能增加有些动能减小。只有当电子所只有当电子所在的能带内有未被占据的空能级，即为非满带时，这在的能带内有未被占据的空能级，即为非满带时，这样的跃迁才有可能实现样的跃迁才有可能实现。2p3sEg 禁带禁带

8、未填满的导带未填满的导带填满的能带填满的能带第10页，共17页，编辑于2022年，星期二 2.绝缘体绝缘体 完全填满的能带上面都是空带。完全填满的能带上面都是空带。满带和空带之间是较宽满带和空带之间是较宽的禁带。除非外电场相当强，的禁带。除非外电场相当强，否则不能使电子获得足够的否则不能使电子获得足够的能量从满带跃迁到空带。能量从满带跃迁到空带。即使有外电场，也不可能改变电子速度分布的对称性，即使有外电场，也不可能改变电子速度分布的对称性，即不能引起电子的定向流动而形成电流。即不能引起电子的定向流动而形成电流。2s2pEg 禁带禁带空带空带填满的能带填满的能带 金刚石是典型的绝缘体。金刚石是典

9、型的绝缘体。第11页，共17页，编辑于2022年，星期二 3.本征半导体本征半导体 不含杂质的纯净半导体。不含杂质的纯净半导体。当温度接近当温度接近 0 K时，时，价带都被电子填满，价价带都被电子填满，价带以上的能带以上的能带都是空带。带都是空带。因此和绝缘体一样都没因此和绝缘体一样都没有导电性。有导电性。本征半导体的禁带比绝缘体的窄很多，在常温下，本征半导体的禁带比绝缘体的窄很多，在常温下，少数电子经热激发可越过禁带跃迁到空带中，这时，半少数电子经热激发可越过禁带跃迁到空带中，这时，半导体就具有一定的导电性。导体就具有一定的导电性。3s3pEg 禁带禁带空带空带填满的能带填满的能带有有些些电

10、电子子可可能能跃跃入入空空带带第12页，共17页，编辑于2022年，星期二一一.本征半导体的导电机制本征半导体的导电机制22-4 半导体的导电机制半导体的导电机制 p-n p-n 结结 价带中少数电子被热价带中少数电子被热激发进入激发进入导带导带，在电场，在电场作用下，导带中的电子作用下，导带中的电子和满带中的空穴都可引和满带中的空穴都可引起电流。起电流。3s3pEg 禁带禁带导带导带填满的能带填满的能带空穴跃迁电子 导带中的电子是负载流子，形成电子流；满带中的导带中的电子是负载流子，形成电子流；满带中的空穴是正载流子，形成空穴是正载流子，形成空穴电流空穴电流。总电流是电子流和空。总电流是电子

11、流和空穴电流的代数和。穴电流的代数和。第13页，共17页，编辑于2022年，星期二二二.杂质半导体的导电机制杂质半导体的导电机制 1.n 型半导体型半导体 杂质原子在紧靠导带边沿形成附加的施杂质原子在紧靠导带边沿形成附加的施主能级，电子因热激发由施主能级跃迁到导带中可形成主能级，电子因热激发由施主能级跃迁到导带中可形成电子电流电子电流。施主能级施主能级导带导带价带价带跃迁电子PSiSiSiSiSiSiSi+净正电荷净正电荷多余的价电子共价键四价的硅、锗掺入五价的磷、砷形成的四价的硅、锗掺入五价的磷、砷形成的n 型半导体型半导体 第14页，共17页，编辑于2022年，星期二 2.p 型半导体型半

12、导体 杂质原子在紧靠价带边沿形成附加的受杂质原子在紧靠价带边沿形成附加的受主能级，电子因热激发由价带跃迁到受主能级中在价带中主能级，电子因热激发由价带跃迁到受主能级中在价带中留下空穴，可形成留下空穴，可形成空穴电流空穴电流。四价的硅、锗掺入三价的硼、镓形成的四价的硅、锗掺入三价的硼、镓形成的p 型半导体型半导体 受主能级受主能级导带导带价带价带空穴BGeGeGeGeGeGeGe-净负电荷净负电荷留下的空穴共价键第15页，共17页，编辑于2022年，星期二三三.p-n 结结相互扩散相互扩散空穴电子I1I2U+-I2I1-+UI1I2p 区区n 区区p 区区n 区区U0UUU动态平衡动态平衡正向电流正向电流反向抑制反向抑制第16页，共17页，编辑于2022年，星期二 在在 p-n 结结中由中由 p 区到区到 n 区的净余总电流与外加电压区的净余总电流与外加电压的关系可以表示为的关系可以表示为p-n 结的伏安特性曲线结的伏安特性曲线I2UI0 p-n 结结具有明显的单向导电特性，在电路中可以起具有明显的单向导电特性，在电路中可以起到整流的作用。到整流的作用。第17页，共17页，编辑于2022年，星期二