m固體中的電子

1、第十三章第十三章 固體中的電子固體中的電子(Electrons in Solids)內(nèi)容內(nèi)容固體的能帶結(jié)構(gòu)固體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體半導(dǎo)體13.1 固體的能帶固體的能帶 (Energy Bands in Solids)晶體晶體準(zhǔn)晶體準(zhǔn)晶體非晶體非晶體固體固體晶體結(jié)構(gòu)點陣基元晶體結(jié)構(gòu)點陣基元能帶的由來能帶的由來原子間的相互作用原子間的相互作用 原子的能級分裂成原子的能級分裂成能帶能帶.e.g.1s2s2p電子對能帶的填充電子對能帶的填充服從泡利不相容原理和能量最低原理服從泡利不相容原理和能量最低原理.滿帶滿帶(filled band)所有量子態(tài)都被電子所有量子態(tài)都被電子占據(jù)的能帶占據(jù)的能帶.空帶空帶(

2、empty band)所有量子態(tài)都沒有所有量子態(tài)都沒有被電子占據(jù)的能帶被電子占據(jù)的能帶.價帶價帶(valence band)由原子中價電子能由原子中價電子能級分裂成的能帶級分裂成的能帶. 價帶可能是滿帶價帶可能是滿帶(例如金剛石例如金剛石)，也可能不是滿帶，也可能不是滿帶(例如堿金屬例如堿金屬).能帶理論能帶理論指出：指出：若電子處于未被填滿的能帶中，若電子處于未被填滿的能帶中，則在外電場作用下，電子可以躍入能帶中較高則在外電場作用下，電子可以躍入能帶中較高的空能級，從而參與導(dǎo)電的空能級，從而參與導(dǎo)電.通常，未被填滿的價帶是導(dǎo)帶；位于滿帶上方通常，未被填滿的價帶是導(dǎo)帶；位于滿帶上方的空帶，在外

3、界的空帶，在外界(光、熱等光、熱等)激發(fā)下，會有電子躍激發(fā)下，會有電子躍入，也稱為導(dǎo)帶入，也稱為導(dǎo)帶.導(dǎo)帶導(dǎo)帶(conduction band)具有能導(dǎo)電的具有能導(dǎo)電的電子的最高能帶電子的最高能帶.禁帶禁帶(forbidden band)兩相鄰能帶間，兩相鄰能帶間，不能被電子占據(jù)的能量范圍不能被電子占據(jù)的能量范圍.禁帶禁帶空帶空帶(導(dǎo)帶導(dǎo)帶)禁帶禁帶滿帶滿帶價帶價帶(滿帶滿帶)能帶分布：能帶分布：滿帶滿帶空帶空帶禁帶禁帶禁帶禁帶E價帶價帶(導(dǎo)帶導(dǎo)帶)能帶論對固體導(dǎo)電性的解釋能帶論對固體導(dǎo)電性的解釋導(dǎo)體導(dǎo)體電阻率電阻率 10-8 m半導(dǎo)體半導(dǎo)體10-8 m 108 m能帶論的解釋：能帶論的解釋：

4、 導(dǎo)體中，或是價帶未被填滿，或是價帶導(dǎo)體中，或是價帶未被填滿，或是價帶與上方的空帶交疊與上方的空帶交疊. 價電子都能參與導(dǎo)電價電子都能參與導(dǎo)電 導(dǎo)體有良好的導(dǎo)電性能導(dǎo)體有良好的導(dǎo)電性能. 半導(dǎo)體中，價帶已滿，但上面的禁帶寬半導(dǎo)體中，價帶已滿，但上面的禁帶寬度較小度較小(1eV). 在常溫下有一定數(shù)量的電子在常溫下有一定數(shù)量的電子從價帶躍入上方的空帶，能參與導(dǎo)電從價帶躍入上方的空帶，能參與導(dǎo)電. 但導(dǎo)但導(dǎo)電電子數(shù)密度電電子數(shù)密度(1016/m3)遠(yuǎn)小于導(dǎo)體中的值遠(yuǎn)小于導(dǎo)體中的值(1028/m3) 導(dǎo)電性能不及導(dǎo)體導(dǎo)電性能不及導(dǎo)體. 絕緣體中，價帶已滿，且上面的禁帶寬絕緣體中，價帶已滿，且上面的禁

5、帶寬度較大度較大(5eV). 在常溫下只有極少數(shù)電子能在常溫下只有極少數(shù)電子能從價帶躍入上方的空帶從價帶躍入上方的空帶 導(dǎo)電電子數(shù)密度導(dǎo)電電子數(shù)密度極小極小 導(dǎo)電性能很差導(dǎo)電性能很差.13.2 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 (Semiconductors)兩種導(dǎo)電機制兩種導(dǎo)電機制 在常溫下，有部分價電子從滿帶躍入上方的在常溫下，有部分價電子從滿帶躍入上方的空帶，從而空帶，從而在滿帶中留下一在滿帶中留下一 些空的量子態(tài)些空的量子態(tài)空穴空穴(hole). 躍入空帶中的電子可參與導(dǎo)電躍入空帶中的電子可參與導(dǎo)電電子導(dǎo)電電子導(dǎo)電；留在滿帶中的電子也可參與導(dǎo)電，可用留在滿帶中的電子也可參與導(dǎo)電，可用“帶正帶正電的空穴電的

6、空穴”的運動來描繪的運動來描繪空穴導(dǎo)電空穴導(dǎo)電. 純凈純凈(本征本征)半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)帶中的電子數(shù)等于滿帶導(dǎo)帶中的電子數(shù)等于滿帶中的空穴數(shù)中的空穴數(shù).雜質(zhì)的影響雜質(zhì)的影響雜質(zhì)半導(dǎo)體分為兩類雜質(zhì)半導(dǎo)體分為兩類:電子型電子型(N型型)半導(dǎo)體半導(dǎo)體 摻有施主雜質(zhì)，以電子為多數(shù)載流摻有施主雜質(zhì)，以電子為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體子的半導(dǎo)體. (Nnegative)施主施主(donor)雜質(zhì)：雜質(zhì)：進入晶格，與周圍基質(zhì)原進入晶格，與周圍基質(zhì)原子形成晶體原有的電子結(jié)構(gòu)后，尚有多余價子形成晶體原有的電子結(jié)構(gòu)后，尚有多余價電子電子.e.g.在四價元素半導(dǎo)體在四價元素半導(dǎo)體(Si, Ge)中摻入五價中摻入五價雜質(zhì)雜質(zhì)

7、(P, As) 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì). 摻入施主雜質(zhì)后摻入施主雜質(zhì)后, 在價帶上面的禁帶中靠在價帶上面的禁帶中靠近導(dǎo)帶近導(dǎo)帶( E10-2eV)處處, 出現(xiàn)雜質(zhì)能級出現(xiàn)雜質(zhì)能級施主能級施主能級.常溫下常溫下E價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶低溫下低溫下施主能級施主能級 常溫下，施主能級上的電子很容易躍入常溫下，施主能級上的電子很容易躍入導(dǎo)帶，相對說來，從價帶躍入導(dǎo)帶的電子導(dǎo)帶，相對說來，從價帶躍入導(dǎo)帶的電子數(shù)很少數(shù)很少 導(dǎo)帶中的電子數(shù)遠(yuǎn)多于價帶中導(dǎo)帶中的電子數(shù)遠(yuǎn)多于價帶中的空穴數(shù)的空穴數(shù) 在在N型半導(dǎo)體中，電子是型半導(dǎo)體中，電子是多多數(shù)載流子數(shù)載流子(majority carrier，簡稱，簡稱多子多子)，而空穴

8、是而空穴是少數(shù)載流子少數(shù)載流子(minority carrier，簡，簡稱稱少子少子).空穴型空穴型(P型型)半導(dǎo)體半導(dǎo)體摻有受主雜質(zhì)，以空穴為多數(shù)載流摻有受主雜質(zhì)，以空穴為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體子的半導(dǎo)體. (Ppositive)受主受主(acceptor)雜質(zhì)：雜質(zhì)：進入晶格，與周圍進入晶格，與周圍基質(zhì)原子形成晶體原有的電子結(jié)構(gòu)時，基質(zhì)原子形成晶體原有的電子結(jié)構(gòu)時，缺少價電子缺少價電子.e.g.在四價元素半導(dǎo)體在四價元素半導(dǎo)體(Si, Ge)中摻入三價中摻入三價雜質(zhì)雜質(zhì)(B, Al)受主雜質(zhì)受主雜質(zhì). 摻入受主雜質(zhì)后，在價帶上面的禁帶摻入受主雜質(zhì)后，在價帶上面的禁帶中靠近價帶中靠近價帶( E1

9、0-2eV)處，出現(xiàn)雜質(zhì)能處，出現(xiàn)雜質(zhì)能級級受主能級受主能級.常溫下常溫下E價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶低溫下低溫下受主能級受主能級 常溫下，價帶中的電子很容易躍入受主能級，常溫下，價帶中的電子很容易躍入受主能級，相對說來，躍入導(dǎo)帶的電子數(shù)很少相對說來，躍入導(dǎo)帶的電子數(shù)很少 價帶中價帶中的空穴數(shù)遠(yuǎn)多于導(dǎo)帶中的電子數(shù)的空穴數(shù)遠(yuǎn)多于導(dǎo)帶中的電子數(shù) 在在P型半導(dǎo)型半導(dǎo)體中，空穴是體中，空穴是多子多子，電子是，電子是少子少子.外場的影響外場的影響熱激發(fā)熱激發(fā)溫度溫度 躍遷電子數(shù)躍遷電子數(shù) 載流子數(shù)載流子數(shù) 電阻電阻 .應(yīng)用：熱敏電阻器應(yīng)用：熱敏電阻器(thermistor).金屬金屬RT半導(dǎo)體半導(dǎo)體o光激發(fā)光激發(fā)

10、光照光照 躍遷電子數(shù)躍遷電子數(shù) 載流子數(shù)載流子數(shù) 電阻電阻 .光電導(dǎo)現(xiàn)象光電導(dǎo)現(xiàn)象應(yīng)用：光敏電阻器應(yīng)用：光敏電阻器(photoresistor). PN結(jié)結(jié) (PN junction)P型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的交界區(qū)型半導(dǎo)體的交界區(qū).PN + + +PN在交界區(qū)在交界區(qū), 因載流子擴散而形成電偶層因載流子擴散而形成電偶層 阻阻擋層擋層 (厚度約厚度約1 m, 場強約場強約106108V/m).PN結(jié)的特性：結(jié)的特性：單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?PN結(jié)的應(yīng)用：結(jié)的應(yīng)用：整流整流(rectification). 固體的能帶固體的能帶能帶的由來能帶的由來 半導(dǎo)體半導(dǎo)體兩種導(dǎo)電機制兩種導(dǎo)電機制雜質(zhì)半

11、導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體N型：施主雜質(zhì)、施主能級、多子、少子型：施主雜質(zhì)、施主能級、多子、少子P型：受主雜質(zhì)、受主能級、多子、少子型：受主雜質(zhì)、受主能級、多子、少子能帶論對固體導(dǎo)電性的解釋能帶論對固體導(dǎo)電性的解釋滿帶滿帶, 空帶空帶, 價帶價帶, 導(dǎo)帶導(dǎo)帶, 禁帶禁帶.Chap.13 SUMMARY外場外場(熱、光熱、光)對導(dǎo)電性的影響對導(dǎo)電性的影響PN結(jié)結(jié)本征半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子是電子與本征半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子是電子與空穴，空穴， N型半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子是型半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子是， P型半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子型半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子是是. 答案：答案： 電子與空穴電子與空穴電子與空穴電子與空穴Chap.13 EXERCISES在在4價元素半導(dǎo)體中摻入價元素半導(dǎo)體中摻入5價雜質(zhì)，則可構(gòu)價雜質(zhì)，則可構(gòu)成成型半導(dǎo)體，參與導(dǎo)電的載流子多型半導(dǎo)體，參與導(dǎo)電的載流子多數(shù)是數(shù)是；相反，若摻入；相反，若摻入3價雜質(zhì)，則可價雜質(zhì)，則可構(gòu)成構(gòu)成型半導(dǎo)體，參與導(dǎo)電的載流子型半導(dǎo)體，參與導(dǎo)電的載流子多數(shù)是多數(shù)是. 答案：答案： N電子電