《固体的能带结构》PPT课件.PPT

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1、1,固体能带结构简介,前 言,固体的能带,导体和绝缘体,半导体的导电机构,-结,半导体的其他特性和应用,回篇首,回主页,结 束,2,根据固体的结构,固体材料分为晶体和非晶 体（1984年发现了准晶体）,固体是由大量分子、原子或离子组成。而大量分子、原子或离子有规则排列的方式称为固体的点阵结构（晶体点阵）。,理想晶体中原子排列是有规则的，具有周期性。长程有序。,非晶体结构不规则，是短程有序。,前 言,3,二十世纪初，特鲁德和洛仑兹建立的经典的金属的自由电子论，能说明金属的导电性，和导热性质，但对有些材料是导体，有些是绝缘体，有些是半导体不能解释。,量子理论出现使人们能正确和深入描述晶体内部的微观

2、粒子运动。,能带理论是研究固体中电子运动的一个 主要理论,同时，由于近代物理的发展，对固体的认识更深入。,年劳厄首先用射线对晶体结构进行研究。,4,二十世纪三十年代，人们作了大量关于晶体中电子能量状态、电子运动规律及晶体中原子的热运动和热缺陷的研究工作。逐渐建立了固体电子能带理论。,固体的能带理论提出了导电的微观机理，指出了导体和绝缘体的区别，同时也指出有一类固体叫做半导体，其导电性介于导体和绝绝缘体之间。,如：爱因斯坦的量子化概念研究晶格振动 在特鲁德和洛仑兹的金属的自由电子论基础上，索末菲发展的固体量子论，费米发展的统计理论。,5,一.电子共有化,在固体中，相邻原子排列紧密，电子不再束缚于

3、一定的原子，电子将可以在整个固体中运动，称为电子的共有化。,电子受到周期性势场的作用.,19-1 固体的能带,6,解定态薛定格方程(略），可以得出两点重要结论：,（）电子的能量是量子化的,（）电子的运动有隧道效应,原子的外层电子(高能级)，势垒穿透概率较大，电子可以在整个固体中运动,称为共有化电子.,原子的内层电子与原子核结合较紧,一般不是 共有化电子.,7,二.能带,量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了N条靠得很近的能级,称为能带。,固体中的电子能级有什么特点？,8,能带的宽度记作E，数量级为 E eV,若N1023,则能带中两

4、能级的间距约 10-23eV.,一般规律：,（）越是外层电子，能带越宽.,（）点阵间距越小，能带越宽,(3)两个能带有可能重叠.,9,10,三.能带中电子的填充,固体中的一个电子只能处在某个能带中的 某一能级上,填充原则：,（）服从泡里不相容原理（费米子）,（）服从能量最小原理,设孤立原子的一个能级 Enl，它最多能容纳 2(2l+1)个电子,这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后，能带最多能容纳 2(2l+1)个电子,11,电子排布时，应从最低的能级排起。,有关能带被占据情况的几个名词：,1满带（排满电子）,2价带（排满一部分电子）亦称导带,3空带（未排电子）亦称导带,4禁带（不能排电子）,

5、2、能带，最多容纳 6个电子,例如，1、能带，最多容纳 2个电子,12,单个原子,N个原子,满带,导带,空带,禁带,禁带,13,19-2 导体和绝缘体,它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。,固体按导电性能的高低可以分为,14,导体,导体,导体,半导体,绝缘体,Eg,Eg,Eg,导 体,绝缘体,15,导体:在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流,从能级图上来看:是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去,E,16,从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg：约36 eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去,绝缘体:

6、在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。,半导体；的能带结构:满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄.（Eg：约0.12 eV).,上一页,17,绝缘体与半导体的击穿当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中的.,这时绝缘体与半导体就被击穿变成导体了。,18,19-3 半导体的导电机构,一.本征半导体,本征半导体是指纯净的半导体.,本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间,介绍两个概念：,（1）电子导电半导体的载流子是电子,（2）空穴导电半导体的载流子是空穴,满带上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现一个空位.,19,例.半导体,20,这相当于产生

7、了一个带正电的粒子,称为“空穴”。,1.除了电荷符号外，空穴和电子有完全相同 的性质。,2.电子和空穴总是成对出现的。,21,空带,满带,在外电场作用下,空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上来,这相当于空穴向下跃迁.,满带上带正电的空穴向下跃迁也是形成电流,这称为空穴导电.,22,解,上例中,半导体CdS激发电子,光波的波长至少多短？,23,二.杂质半导体,.n型半导体,四价的本征半导体 Si、Ge等，掺入少量五价的杂质元素（如P、As等）形成电子型半导体,称 n 型半导体,量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处,ED10-2eV，极易形成电子导电,该能级称为施主能级,24

8、,n 型半导体,在n型半导体中:电子多数载流子,空 带,施主能级,ED,空穴少数载流子,25,.型半导体,四价的本征半导体Si、e等，掺入少量三价的杂质元素（如、Ga、n等）形成空穴型半导体，称 p 型半导体,量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，ED10-2eV，极易产生空穴导电，该能级称受主能级,26,空 带,Ea,受主能级,P型半导体,在p型半导体中 空穴多数载流子,电子少数载流子,27,3.n型化合物半导体,例如，化合物GaAs中掺，六价的Te替代五价的As可形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体,4.型化合物半导体,例如，化合物 GaAs中掺Zn，二价的Zn替

9、代三价的Ga可形成受主能级，成为p型GaAs杂质半导体,28,三.杂质补偿作用,实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），又有受主杂质（浓度na），两种杂质有补偿作用：,若ndna为n型（施主）,若ndna为p型（受主）,利用杂质的补偿作用，我们可以制成P-结,29,19-4-结,一.-结的形成,在一块 n 型半导体基片的左半边掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，左边区就成为型半导体,由于区的电子向区扩散，区的空穴向区扩散，在P型半导体和型半导体的交界面附近产生了一个电场,称为内建场。,30,内建场大到一定程度,不再有净电荷的流动，达到了新的平衡,在型 n型交界面附近形成的这种特殊结构称

10、为P-N结，约0.1m厚,P-N结,n型,p型,内建场阻止电子和空穴进一步扩散，记作,31,P-N结处存在电势差Uo,也阻止右边 N区带负电的电子进一步向左扩散,它阻止左边 P区带正电的空穴进一步向右扩散；,32,考虑到P-结的存在，半导体中电子的能量应考虑进这内建场带来的电子附加势能.,电子的能带出现弯曲现象,33,P-N结,34,二.-结的单向导电性,.正向偏压,在-结的p型区接电源正极，叫正向偏压.,阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向N区运动，电子向P区运动，形成正向电流（m级）,35,外加正向电压越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的伏安特性.,36,.反向偏压,在-结的型区接电源负

11、极,叫反向偏压.,阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向区运动，也不利于电子向P区运动,没有正向电流.,37,但是，由于少数载流子的存在，会形成很弱的反向电流，,当外电场很强,反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大-反向击穿,称为漏电流（级）.,38,利用P-N结 可以作成具有整流、开关等作用的晶体二极管。,39,19-半导体的其他特性和应用,热敏电阻,光敏电阻,温差电偶,P-N结的适当组合可以作成具有放大作用的晶体三极管，以及其他一些晶体管.,集成电路,40,1947年12月23日，美国贝尔实验室的半导体小组做出了世界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。,1956年小组的巴丁等三位成员

12、获诺贝尔物理奖.,41,后来，晶体管又从点接触型发展到面接触型,晶体管比真空电子管体积小，重量轻，成本低，可靠性高，寿命长，很快成为第二代电子器件。,42,作成集成电路,大规模集成电路,超大规模集成电路,下图为INMOS T900 微处理器:,每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲大小，它有300多万个三极管,43,44,半导体激光器,半导体激光器是光纤通讯中的重要光源，在创建信息高速公路的工程中起着极重要的作用。,最简单的GaAs同质结半导体激光器,核心部分是p型 GaAs 和 n型 GaAs构成的 P-N结（通过掺杂补偿工艺制得）,45,典型尺寸：,长 L=250500 m 宽=510 m 厚 d=0.10.2 m,它的激励能源是外加电压(电泵)在正向偏压下工作.,46,当正向电压大到一定程度时，在某些特定的能级之间造成粒子数反转的状态，形成电子与空穴复合发光.,P-结本身就形成一个光学谐振腔，它的两个端面就相当于两个反射镜，形成激光振荡,适当镀膜后可达到所要求的很高的反射系数，并利于选频.,有大量载流子跃迁到较高能量的能级上,由自发辐射引起受激辐射.,47,半导体激光器,功率可达 102 W,效率高,制造方便,成本低,所需电压低(只需1.5V),体积小,极易与光纤接合,结 束,