大學(xué)物理-多媒體課件 -5 固體的能帶結(jié)構(gòu)

1、1（這是一個混合積分電路網(wǎng)絡(luò)的的高倍放大圖）（這是一個混合積分電路網(wǎng)絡(luò)的的高倍放大圖） 固體的能帶結(jié)構(gòu)固體的能帶結(jié)構(gòu)第四章第四章2本章目錄本章目錄前言前言4.2 固體的能帶固體的能帶（書（書4.4節(jié)）節(jié)） 3.3 導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體和絕緣體（書（書4.4節(jié)）節(jié)） 4.4 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（書（書4.5節(jié)）節(jié)） 4.5 p n 結(jié)結(jié)（書（書4.6節(jié)）節(jié)） 4.6 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件（書（書4.7節(jié)）節(jié)） 4.1 晶體的結(jié)構(gòu)和結(jié)合晶體的結(jié)構(gòu)和結(jié)合（補(bǔ)充）（補(bǔ)充） 4.7 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器（補(bǔ)充）（補(bǔ)充）3前前 言言 固體物理既是一門固體物理既是一門綜合性綜合性的的理論學(xué)科理

2、論學(xué)科又和又和 固體物理固體物理是是信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)1928-29 建立能帶理論并由實(shí)驗(yàn)證實(shí)建立能帶理論并由實(shí)驗(yàn)證實(shí)1947.12 發(fā)明晶體管發(fā)明晶體管1962 制成集成電路制成集成電路實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合（材料、激光、半導(dǎo)體緊密結(jié)合（材料、激光、半導(dǎo)體）41982 80286 13.4萬萬1989 80486 120萬萬1993 pentium 320萬萬1995 pentium MMX 550萬萬1997 pentium2 750萬萬集成度每集成度每 10 年增加年增加 1000 倍倍 ！1971 intel 4004 微處理器芯片微處理器芯片 2300晶體管晶體管

3、5 集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻 沒有晶體管、超大規(guī)模集成電路，就沒有計(jì)沒有晶體管、超大規(guī)模集成電路，就沒有計(jì)現(xiàn)在在一個面積比郵票還小的芯片上可以集現(xiàn)在在一個面積比郵票還小的芯片上可以集其上可以集成其上可以集成10 9個元件，個元件，度只有度只有0.12微米微米（深亞微米）。（深亞微米）。成一個系統(tǒng)成一個系統(tǒng)，的研究分不開。的研究分不開。算機(jī)的普遍應(yīng)用和今天的信息處理技術(shù)。算機(jī)的普遍應(yīng)用和今天的信息處理技術(shù)。溝道長溝道長6 量子尺度效應(yīng)的研究量子尺度效應(yīng)的研究 納米材料納米材料 原子原子原子團(tuán)原子團(tuán)固體材料，固體材料， 新材料的理論設(shè)計(jì)：新材料的

4、理論設(shè)計(jì)： 固體物理固體物理是是新材料技術(shù)的物理基礎(chǔ)新材料技術(shù)的物理基礎(chǔ) 晶格理論晶格理論 晶體的晶體的力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、量子阱、超晶格理論量子阱、超晶格理論 新型器件新型器件 能帶理論能帶理論是固體理論和應(yīng)用的基礎(chǔ)。是固體理論和應(yīng)用的基礎(chǔ)?！澳芟豆こ棠芟豆こ獭保喝斯じ淖儾牧夏芟度ミm應(yīng)器件需要，人工改變材料能隙去適應(yīng)器件需要，去創(chuàng)造特殊能帶結(jié)構(gòu)的材料。去創(chuàng)造特殊能帶結(jié)構(gòu)的材料。人們可以通過控制電子波函數(shù)來制作器件，人們可以通過控制電子波函數(shù)來制作器件，正所謂：正所謂：“自己來實(shí)踐量子力學(xué)自己來實(shí)踐量子力學(xué)”。7 晶體晶體 非晶體非晶體結(jié)結(jié) 構(gòu)：構(gòu)： 規(guī)則排列的對稱性規(guī)則排

5、列的對稱性 無一定規(guī)則排列無一定規(guī)則排列宏觀性質(zhì)：宏觀性質(zhì)： 多為各向異性多為各向異性 各向同性各向同性熔熔 點(diǎn)：點(diǎn)： 確定確定 逐漸軟化逐漸軟化 二二. 晶體的結(jié)構(gòu)晶體的結(jié)構(gòu) 晶體中原子規(guī)則排列形成晶格晶體中原子規(guī)則排列形成晶格 具有周期性具有周期性4.1 晶體的結(jié)構(gòu)和結(jié)合晶體的結(jié)構(gòu)和結(jié)合（補(bǔ)充）（補(bǔ)充）一一. 晶體和非晶體的比較晶體和非晶體的比較8初基晶胞晶格的最小單元初基晶胞晶格的最小單元abca,b,c晶格常數(shù)晶格常數(shù)cnbnanrr321 晶格有多種類型：晶格有多種類型：點(diǎn)陣間滿足關(guān)系：點(diǎn)陣間滿足關(guān)系：r點(diǎn)陣點(diǎn)陣r 面心立方晶格面心立方晶格Cu ， Al 簡單立方晶格簡單立方晶格 a

6、 = b = cAu ， Ag ，9 體心立方晶格體心立方晶格 六角密排晶格六角密排晶格 組成晶格的原子（團(tuán)）在平衡點(diǎn)附近作熱運(yùn)動組成晶格的原子（團(tuán)）在平衡點(diǎn)附近作熱運(yùn)動（晶格振動）產(chǎn)生格波，（晶格振動）產(chǎn)生格波，Li ，Na ，K ，F(xiàn)e ，CsCl Be，Mg，Zn，Cd 聲子聲子 E( n+1/2) h 10三三. 晶體的結(jié)合和類型晶體的結(jié)合和類型 離子晶體離子晶體 （ Ionic Crystal） 共價晶體共價晶體 （Covalent Crystal） 無自由電子無自由電子導(dǎo)熱導(dǎo)電性差導(dǎo)熱導(dǎo)電性差 離子間靜電力強(qiáng)離子間靜電力強(qiáng)熔點(diǎn)高，硬度好熔點(diǎn)高，硬度好正負(fù)離子交替排列形成離子鍵，正負(fù)

7、離子交替排列形成離子鍵，共價鍵共價鍵如如NaCl 晶體晶體如：如：Si ，Ge， 金鋼石金鋼石 傳熱導(dǎo)電性不好傳熱導(dǎo)電性不好 強(qiáng)度高，堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，堅(jiān)硬， 不易變形不易變形11原子貢獻(xiàn)出價電子為整個晶體所共有原子貢獻(xiàn)出價電子為整個晶體所共有帶正電的原子實(shí)周期地排列形成晶體點(diǎn)陣帶正電的原子實(shí)周期地排列形成晶體點(diǎn)陣 金屬晶體金屬晶體 （Metallic Crystal） 電子對原子實(shí)的排列要求不嚴(yán)，展延性好電子對原子實(shí)的排列要求不嚴(yán)，展延性好 導(dǎo)熱導(dǎo)電性好（有自由電子）導(dǎo)熱導(dǎo)電性好（有自由電子）12大部分有機(jī)化合物晶體是分子晶體大部分有機(jī)化合物晶體是分子晶體 原子間的作用力是范德瓦爾斯力原子間的作

8、用力是范德瓦爾斯力 吸引，能量低吸引，能量低排斥，能量高排斥，能量高 分子晶體分子晶體 （Molecular Crystal） 結(jié)合力?。喝埸c(diǎn)低，硬度小，易變形結(jié)合力?。喝埸c(diǎn)低，硬度小，易變形13 當(dāng)幾個原子有相互作用構(gòu)成一個體系時，當(dāng)幾個原子有相互作用構(gòu)成一個體系時，4.2 固體的能帶固體的能帶（書（書4.4節(jié)）節(jié)） 本節(jié)研究大量原子有相互作用構(gòu)成一個本節(jié)研究大量原子有相互作用構(gòu)成一個可以從兩方面來分析：可以從兩方面來分析： 研究孤立原子的能級如何形成固體的能帶研究孤立原子的能級如何形成固體的能帶 一一. 從原子能級到固體能帶從原子能級到固體能帶原子中的電子處于不同的能級。原子中的電子處于不

9、同的能級。體系時，電子的能量（能級）狀態(tài)。體系時，電子的能量（能級）狀態(tài)。電子的能級如何？電子的能級如何？ 研究電子在周期勢場中的運(yùn)動研究電子在周期勢場中的運(yùn)動14先看兩個原子的情況先看兩個原子的情況.Mg. Mg 根據(jù)泡利不相容原理，根據(jù)泡利不相容原理，原來的能級已填滿不能再原來的能級已填滿不能再填充電子填充電子 分裂為兩條分裂為兩條1s2s2p3s3p1s2s2p 3s 3p 空帶空帶價帶價帶15各原子間的相互作用各原子間的相互作用 原來孤立原子的能級發(fā)生分裂原來孤立原子的能級發(fā)生分裂若有若有N個原子組成一體，對于原來孤立原子個原子組成一體，對于原來孤立原子的一個能級，就分裂成的一個能級，

10、就分裂成 N條靠得很近的能級，條靠得很近的能級，能帶的寬度記作能帶的寬度記作 E E eV 的量級的量級 若若N1023，則能帶中兩相鄰能級的間距，則能帶中兩相鄰能級的間距稱為稱為能帶（能帶（energy band）。）。約為約為10-23eV。16能級能級能帶能帶N條條能隙，禁帶能隙，禁帶 E一般規(guī)律：一般規(guī)律： 1. 越是外層電子，能帶越寬，越是外層電子，能帶越寬， E越大；越大； 2. 點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬， E越大；越大； 3. 兩個能帶有可能重疊。兩個能帶有可能重疊。17離子間距離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖能帶重疊示意圖18 二二. 電子在周期勢

11、場中的運(yùn)動，電子共有化電子在周期勢場中的運(yùn)動，電子共有化孤立原子中電子的勢阱孤立原子中電子的勢阱-er+ +UWUWr電子能級電子能級勢阱勢阱旋轉(zhuǎn)對稱旋轉(zhuǎn)對稱+ +勢壘勢壘19 固體（這里指晶體）具有由大量分子、固體（這里指晶體）具有由大量分子、電子受到周期性勢場的作用：電子受到周期性勢場的作用：a原子或離子的規(guī)則排列而成的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。原子或離子的規(guī)則排列而成的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。20 解解定態(tài)薛定諤方程，定態(tài)薛定諤方程， 可以得出可以得出兩點(diǎn)兩點(diǎn)1.電子的能量是量子化的；電子的能量是量子化的；2.電子的運(yùn)動有隧道效應(yīng)。電子的運(yùn)動有隧道效應(yīng)。 原子的原子的外層電子外層電子（在高能級）（在高能級） 勢壘穿透

12、勢壘穿透 原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊，一般原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊，一般概率較大，概率較大，電子電子可以在整個固體中運(yùn)動，可以在整個固體中運(yùn)動，稱為稱為共有化電子。共有化電子。重要結(jié)論：重要結(jié)論：不是不是 共有化電子。共有化電子。21三三 . 能帶中電子的排布能帶中電子的排布 固體中的一個電子只能處在某個能帶中固體中的一個電子只能處在某個能帶中1. 排布原則：排布原則：（1） 服從泡里不相容原理（費(fèi)米子）服從泡里不相容原理（費(fèi)米子） （2） 服從能量最小原理服從能量最小原理 對孤立原子的一個能級對孤立原子的一個能級 Enl ，它，它最多能最多能 這一能級分裂成由這一能級分裂成由 N個

13、能級組成的能帶，個能級組成的能帶，的某一能級上。的某一能級上。容納容納 2 (2l +1)個電子。個電子。一個能帶最多能容納一個能帶最多能容納 2 (2l+1) N 個電子。個電子。222p、3p能帶，最多容納能帶，最多容納 6個電子。個電子。例如，例如，1s、2s能帶，最多容納能帶，最多容納 2個電子。個電子。每個能帶最多每個能帶最多容納容納 2個電子個電子每個能帶最多每個能帶最多容納容納 6個電子個電子單個單個Mg原子原子1s2s2p3s3p 晶體晶體Mg（N個原子）個原子） 電子排布應(yīng)從電子排布應(yīng)從最低的能級排起。最低的能級排起。23 滿帶：滿帶：填滿電子的能帶。填滿電子的能帶。 空帶：

14、空帶：沒有電子占據(jù)的能帶。沒有電子占據(jù)的能帶。 不滿帶：不滿帶：未填滿電子的能帶。未填滿電子的能帶。 禁帶：禁帶：不能填充電子的能區(qū)。不能填充電子的能區(qū)。 價帶：價帶：和價電子能級相應(yīng)的能帶，和價電子能級相應(yīng)的能帶，對半導(dǎo)體，價帶通常是滿帶。對半導(dǎo)體，價帶通常是滿帶。即最高的充有電子的能帶。即最高的充有電子的能帶。 2.有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個概念：有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個概念： 空帶空帶 滿帶滿帶E 不滿帶不滿帶 禁帶禁帶 禁帶禁帶價帶價帶243. 能帶對電導(dǎo)的貢獻(xiàn)能帶對電導(dǎo)的貢獻(xiàn)滿帶：滿帶： 電子交換能態(tài)電子交換能態(tài)并并不改變能量狀態(tài)，不改變能量狀態(tài)，所以所以滿帶不導(dǎo)電。滿帶不導(dǎo)電。導(dǎo)帶：

15、導(dǎo)帶：不滿帶或滿帶以上最低的空帶不滿帶或滿帶以上最低的空帶為什么把空帶或不滿帶稱為導(dǎo)帶？為什么把空帶或不滿帶稱為導(dǎo)帶？因?yàn)橐驗(yàn)殡娮又挥刑幵谶@種能帶中才能導(dǎo)電。電子只有處在這種能帶中才能導(dǎo)電。25這只有導(dǎo)帶中的電子才有可能。這只有導(dǎo)帶中的電子才有可能。E導(dǎo)電導(dǎo)電 電子在電場作用下作定向運(yùn)動，電子在電場作用下作定向運(yùn)動，以一定速度漂移，以一定速度漂移，v 10 -2 cm/s電子得到附加能量電子得到附加能量到較高的能級上去，到較高的能級上去，26滿帶滿帶空帶空帶價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶不滿帶不滿帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶從能帶來分析導(dǎo)電性：從能帶來分析導(dǎo)電性：EpEpmpE22 不導(dǎo)電不導(dǎo)電導(dǎo)電導(dǎo)電外外E外外E27 4

16、.3 導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體和絕緣體（書（書4.4節(jié)）節(jié)） （conductor and insulator） 它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊乃鼈兊膶?dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。能帶結(jié)構(gòu)不同。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體導(dǎo)體m108 半導(dǎo)體半導(dǎo)體m101074 絕緣體絕緣體m108 28一一. .導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 空帶空帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶E某些一價某些一價金屬，金屬，如如:Li 滿帶滿帶 空帶空帶E某些二價金屬，某些二價金屬，如如:Be, Ca, Mg, Zn, Ba 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 空帶空帶E如如:Na, K, Cu, Al, Ag29 導(dǎo)體導(dǎo)體在外電場

17、的作用下，大量共有化電子在外電場的作用下，大量共有化電子 從能級圖上來看，從能級圖上來看，是因?yàn)槠涔灿谢娮邮且驗(yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍芗壾S遷到高能級上去。很易從低能級躍遷到高能級上去。E很易獲得能量，集體定向流動形成電流。很易獲得能量，集體定向流動形成電流。30二二. .絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)E 空帶空帶 空帶空帶 滿帶滿帶禁帶禁帶Eg=36eV從能級圖來看，從能級圖來看，是因?yàn)闈M帶是因?yàn)闈M帶 絕緣體絕緣體在外電場的作用下，在外電場的作用下， 當(dāng)當(dāng)外電場足夠強(qiáng)外電場足夠強(qiáng)時，共有化電子還是能越過時，共有化電子還是能越過共有化電子很難從低能級共有化電子很難從低能級（滿帶）躍遷到高能級

18、（空帶）上去。（滿帶）躍遷到高能級（空帶）上去。的能量，的能量，所以形不成電流。所以形不成電流。（ Eg ：36 eV），），與空帶間有一個與空帶間有一個較寬較寬的禁帶的禁帶禁帶躍遷到上面的空帶中，使禁帶躍遷到上面的空帶中，使絕緣體被擊穿絕緣體被擊穿 。共有化電子很難接受外電場共有化電子很難接受外電場314.4 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（書（書4.5節(jié)）節(jié)） 一一. 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體（semiconductor） 本征半導(dǎo)體是指本征半導(dǎo)體是指純凈的純凈的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。1.本征本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

19、：的能帶結(jié)構(gòu)：E空帶（導(dǎo)帶）空帶（導(dǎo)帶） 滿帶滿帶 Eg=0.1 2eV禁帶禁帶本征（純凈）半導(dǎo)體本征（純凈）半導(dǎo)體所以加熱、光照、加電場所以加熱、光照、加電場都能把電子從滿帶激到發(fā)都能把電子從滿帶激到發(fā)空帶中去，同時在滿帶中空帶中去，同時在滿帶中形成形成 “空穴空穴”（hole）。）。半導(dǎo)體半導(dǎo)體的的禁帶寬度禁帶寬度Eg 很很窄窄（0.1 2eV），）， T=0K時（絕緣體）時（絕緣體）32例如半導(dǎo)體例如半導(dǎo)體 Cd S滿滿 帶帶空空 帶帶h Eg=2.42eV 滿帶上的一個電滿帶上的一個電子躍遷到空帶后，子躍遷到空帶后，滿帶中出現(xiàn)一個滿帶中出現(xiàn)一個帶帶正電的正電的空位，稱為空位，稱為 “空

20、穴空穴”。 電子和空穴總是電子和空穴總是成對出現(xiàn)的。成對出現(xiàn)的。 電子和空穴叫電子和空穴叫本征載流子，本征載流子，它們形成半導(dǎo)它們形成半導(dǎo)體的體的本征導(dǎo)電性。本征導(dǎo)電性。 當(dāng)光照當(dāng)光照 h Eg 時，時， 可可發(fā)發(fā) 生生本征吸收，本征吸收，形成形成本征光電導(dǎo)。本征光電導(dǎo)。332. 兩種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)兩種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（1）電子導(dǎo)電）電子導(dǎo)電 半導(dǎo)體的主要載流子是電子半導(dǎo)體的主要載流子是電子 解解 maxmin hchEg nm514106 . 142. 21031063. 619834max gEhc 例例 要使半導(dǎo)體要使半導(dǎo)體 Cd S產(chǎn)生產(chǎn)生本征光電導(dǎo)本征光電導(dǎo)，求求激發(fā)電子的光波的波長最大多長？激發(fā)

21、電子的光波的波長最大多長？34 在外電場作用在外電場作用下，電子可以躍下，電子可以躍遷到空穴上來，遷到空穴上來，這相當(dāng)于這相當(dāng)于 空穴反空穴反向躍遷。向躍遷。 空穴躍遷也形空穴躍遷也形成電流，成電流， 這稱這稱為為空穴導(dǎo)電?？昭▽?dǎo)電?？諑Э諑M帶滿帶 Eg（2） 空穴導(dǎo)電空穴導(dǎo)電 半導(dǎo)體的主要載流子是空穴半導(dǎo)體的主要載流子是空穴35當(dāng)當(dāng)外電場足夠強(qiáng)時，外電場足夠強(qiáng)時，共有化電子還是能越共有化電子還是能越 為什么導(dǎo)體的電阻隨溫度升為什么導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而升高，高而升高，而半導(dǎo)體的電阻卻而半導(dǎo)體的電阻卻隨溫度升高而降低？隨溫度升高而降低？半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體擊穿擊穿思考思考過禁帶躍遷到上面的空

22、帶中，使過禁帶躍遷到上面的空帶中，使半導(dǎo)體擊穿。半導(dǎo)體擊穿。36二二. 雜質(zhì)雜質(zhì)（impurity）半導(dǎo)體半導(dǎo)體1. n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體又稱又稱 n 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 量子力學(xué)表明，量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠空帶處，級在禁帶中緊靠空帶處， ED10-2eV，極易，極易形成電子導(dǎo)電。形成電子導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 Si、Ge等的四個價電子，與另四等的四個價電子，與另四個原子形成共價結(jié)合，個原子形成共價結(jié)合，當(dāng)摻入少量五價的當(dāng)摻入少量五價的雜質(zhì)雜質(zhì)元素（如元素（如P、As等）時，等）時， 就形成了就形成了電子型半導(dǎo)體，電子型半導(dǎo)體，37 n

23、 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 空空 帶帶滿滿 帶帶施主能級施主能級EDEgSiSiSiSiSiSiSiP 這種靠近空帶的附加能級稱為這種靠近空帶的附加能級稱為施主施主（donor）能級。能級。如下圖示：如下圖示：38則則 P 原子濃度原子濃度1018 cm 3np=1 .51010 cm 3+ 1018= 1018 cm 3 室溫下：室溫下：本征激發(fā)本征激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)導(dǎo)帶中電子濃度導(dǎo)帶中電子濃度 nn = 1.51010滿帶中空穴濃度滿帶中空穴濃度設(shè)設(shè) Si中中P的含量為的含量為10 4電子是多數(shù)載流子，電子是多數(shù)載流子， 空穴是少數(shù)載流子?？昭ㄊ巧贁?shù)載流子。在在n型半導(dǎo)體中：型半導(dǎo)體中：電子濃度

24、電子濃度nn 施主雜質(zhì)濃度施主雜質(zhì)濃度ndSi 原子濃度原子濃度1022 cm 3392. p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 四價的本征半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體Si、e等摻入少量三等摻入少量三價的價的雜質(zhì)雜質(zhì)元素（如、元素（如、Ga、In等）時，就等）時，就形成形成空穴型半導(dǎo)體，空穴型半導(dǎo)體，又稱又稱 p 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 量子力學(xué)表明，量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴能這種摻雜后多余的空穴能級在禁帶中緊靠滿帶處，級在禁帶中緊靠滿帶處， EA 10 -1eV，極，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。40空空 帶帶EA滿滿 帶帶受主能級受主能級 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg 這種靠

25、近滿帶的附加能級稱為這種靠近滿帶的附加能級稱為受主受主（acceptor）能級。能級。 如下圖示：如下圖示：41則則B 原子濃度原子濃度1018 cm 3np= 1.51010 室溫下：室溫下：本征激發(fā)本征激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)導(dǎo)帶中電子濃度導(dǎo)帶中電子濃度 nn=1.51010cm 3滿帶中空穴濃度滿帶中空穴濃度設(shè)設(shè) Si中中B的含量為的含量為104 + 1018= 1018 cm 3空穴是多數(shù)載流子，空穴是多數(shù)載流子， 電子是少數(shù)載流子。電子是少數(shù)載流子?？昭舛瓤昭舛萵p 受主雜質(zhì)濃度受主雜質(zhì)濃度na在在p型半導(dǎo)體中：型半導(dǎo)體中：Si 原子濃度原子濃度1022 cm 3423. n型化合物

26、半導(dǎo)體型化合物半導(dǎo)體 例如，化合物例如，化合物GaAs中摻中摻Te，六價的，六價的Te替代替代五價的五價的As可形成施主能級，可形成施主能級，成為成為n型型GaAs雜質(zhì)雜質(zhì)半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。4. p型化合物半導(dǎo)體型化合物半導(dǎo)體 例如，化合物例如，化合物 GaAs中摻中摻Zn，二價的，二價的Zn替替代三價的代三價的Ga可形成受主能級，可形成受主能級，成為成為p型型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體。43三三. 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度nd），），又有受主雜質(zhì)（濃度又有受主雜質(zhì)（濃度na），兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償），兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償作用：作用：

27、 若若nd na為為n型（施主）型（施主） 若若nd na為為p型（受主）型（受主）利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，可以制成利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，可以制成 p-n 結(jié)。結(jié)。444.5 p -n 結(jié)結(jié)（書（書4.6節(jié)）節(jié)）一一. p - n 結(jié)的形成結(jié)的形成 在在 n 型型半導(dǎo)體基片的一側(cè)半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的摻入較高濃度的面附近面附近產(chǎn)生了一個產(chǎn)生了一個內(nèi)建內(nèi)建內(nèi)內(nèi)E。內(nèi)內(nèi)E阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散。阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散。內(nèi)內(nèi)E電子和空穴的擴(kuò)散，電子和空穴的擴(kuò)散，在在p型和型和n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體交界交界p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(補(bǔ)償作用補(bǔ)償作用)。受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)，（電）場（電）場該區(qū)就成為該區(qū)就成為

28、n型型p型型45 內(nèi)建場大到一定內(nèi)建場大到一定程度，不再有凈電程度，不再有凈電荷的流動，達(dá)到了荷的流動，達(dá)到了新的平衡。新的平衡。 在在p型和型和 n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為構(gòu)稱為p-n結(jié)（阻擋層，耗盡層），其厚度約結(jié)（阻擋層，耗盡層），其厚度約為為0.1 m。 p-n結(jié)結(jié)內(nèi)內(nèi)Ep型型n型型46 p-n結(jié)處存在結(jié)處存在電勢電勢差差U0形成的形成的勢壘區(qū)勢壘區(qū) 。也阻止也阻止n區(qū)帶負(fù)電的電子區(qū)帶負(fù)電的電子進(jìn)一步向進(jìn)一步向p區(qū)區(qū)擴(kuò)散。擴(kuò)散。 它阻止它阻止 p區(qū)帶正電的區(qū)帶正電的空穴進(jìn)一步向空穴進(jìn)一步向n區(qū)區(qū)擴(kuò)散；擴(kuò)散；U00eU 電子能級電子能級電勢曲線電勢曲

29、線電子電勢能曲線電子電勢能曲線p-n結(jié)結(jié)np對對 Si: U0=0.60.7 V對對Ge: U0=0.20.3 V47 由于由于p-n結(jié)的存在，結(jié)的存在，電子電子的能量應(yīng)考慮進(jìn)勢的能量應(yīng)考慮進(jìn)勢 這使電子能帶出現(xiàn)彎曲：這使電子能帶出現(xiàn)彎曲：空帶空帶空帶空帶p-n結(jié)結(jié)0eU 施主能級施主能級受主能級受主能級滿帶滿帶滿帶滿帶壘帶來的壘帶來的附加勢能附加勢能。48二二 . p - n結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?. 正向偏壓正向偏壓p-n結(jié)的結(jié)的p型區(qū)接電源正極，叫型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓。正向偏壓。向向p區(qū)運(yùn)動，區(qū)運(yùn)動，阻擋層勢壘阻擋層勢壘降低降低、變窄，、變窄，有利于有利于空穴空穴向向n區(qū)運(yùn)動

30、，區(qū)運(yùn)動，也有利于也有利于電子電子外外E內(nèi)內(nèi)E和和反向，反向，這些都形成這些都形成正向電流（正向電流（m級）。級）。外外Ep型型n型型I內(nèi)內(nèi)E+ 49 外加正向電壓越大，外加正向電壓越大，形成的正向電流也越大，形成的正向電流也越大，且呈且呈非線性的伏安特性。非線性的伏安特性。U（伏）（伏）302010（毫安）（毫安）正向正向00.21.0I鍺管的伏安特性曲線鍺管的伏安特性曲線502. 反向偏壓反向偏壓p-n結(jié)的結(jié)的p型區(qū)接電源負(fù)極，叫型區(qū)接電源負(fù)極，叫反向偏壓。反向偏壓。也不利于電也不利于電 阻擋層勢壘阻擋層勢壘升高、變寬，升高、變寬，不利于空穴不利于空穴向向n區(qū)運(yùn)動，區(qū)運(yùn)動，外外E內(nèi)內(nèi)E和和

31、同向，同向，會形成很弱的反向電流，會形成很弱的反向電流，稱漏電流（稱漏電流（ 級）。級）。I無正向電流無正向電流外外Ep型型n型型內(nèi)內(nèi)E+ 子向子向p區(qū)運(yùn)動。區(qū)運(yùn)動。但是由于少數(shù)載流子的存在，但是由于少數(shù)載流子的存在，51 當(dāng)外電場很強(qiáng)，反向電壓超過某一數(shù)值后，當(dāng)外電場很強(qiáng)，反向電壓超過某一數(shù)值后，反向電流會急劇增大反向電流會急劇增大 反向擊穿。反向擊穿。V (伏伏)I-10-20-30（微安）（微安）反向反向-20-30 用用p n結(jié)的結(jié)的單向?qū)щ娦?，單向?qū)щ娦裕瑩舸╇妷簱舸╇妷河糜胮 n結(jié)的結(jié)的光生伏特效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)，可制成光可制成光電池。電池。p - n結(jié)的應(yīng)用：結(jié)的應(yīng)用：做做整流、

32、開關(guān)整流、開關(guān)用。用。 加反向偏壓時，加反向偏壓時，p n結(jié)的伏安特結(jié)的伏安特性曲線如左圖。性曲線如左圖?？芍瞥煽芍瞥删w二極管晶體二極管（diode），），524.6 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件（自學(xué)書第（自學(xué)書第4.7節(jié)）節(jié)） p-n結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放大作用的晶結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放大作用的晶體體三極管三極管（trasistor）和其他一些半導(dǎo)體器件。和其他一些半導(dǎo)體器件。集成電路集成電路 大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路 超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路晶體管晶體管（ 1947 ）（1962 ）（80年代年代 ）103105甚大規(guī)模集成電路甚大規(guī)模集成電路巨大規(guī)模集成電路巨大規(guī)模集成電

33、路107109 （70年代年代 ）（90年代年代 ）（現(xiàn)在）（現(xiàn)在）53晶體管的發(fā)明晶體管的發(fā)明 1947年年12月月23日，美國日，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的半導(dǎo)體小組做貝爾實(shí)驗(yàn)室的半導(dǎo)體小組做出世界上第一只具有放大作出世界上第一只具有放大作用的用的點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型晶體三極管晶體三極管。 1956年小組的三位成員獲年小組的三位成員獲諾貝爾物理獎。諾貝爾物理獎。巴丁巴丁J.Bardeen布拉頓布拉頓W.H.Brattain肖克利肖克利W.Shockley54 每一個集成塊（圖中一個長方形部分）約為每一個集成塊（圖中一個長方形部分）約為手指甲大小，它有手指甲大小，它有300多萬個三極管。多萬個三極管。 I

34、NMOS T900 微處理器微處理器55 同質(zhì)結(jié)激光器同質(zhì)結(jié)激光器 由同種材料制成的由同種材料制成的p-n結(jié)結(jié)半導(dǎo)體激光器分兩類：半導(dǎo)體激光器分兩類： 異質(zhì)結(jié)激光器異質(zhì)結(jié)激光器 由兩種不同材料制成的由兩種不同材料制成的 p-I-n 4.7 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器（補(bǔ)充）（補(bǔ)充） 半導(dǎo)體激光器是光纖通訊中的重要光源，在半導(dǎo)體激光器是光纖通訊中的重要光源，在創(chuàng)建信息高速公路的工程中起著極重要的作用。創(chuàng)建信息高速公路的工程中起著極重要的作用。（重?fù)诫s）（重?fù)诫s）結(jié)（結(jié)（ I為本征半導(dǎo)體）為本征半導(dǎo)體）56重?fù)诫s重?fù)诫spn滿滿 帶帶空空 帶帶pn滿滿 帶帶空空 帶帶普通摻雜普通摻雜1. 同質(zhì)結(jié)激光器同質(zhì)結(jié)激光器57加正向偏壓加正向偏壓V 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 pn阻擋層阻擋層E內(nèi)內(nèi)-+-+-+-+-外外E內(nèi)內(nèi)pn阻擋層阻擋層+-+pn滿滿 帶帶空空 帶帶eU0pn滿滿 帶帶空空 帶帶e(U0-V)電子空穴復(fù)合發(fā)光，電子空穴復(fù)合發(fā)光，由自發(fā)輻射引起由自發(fā)輻射引起受激輻射。受激輻射。.58解理面解理面p-n結(jié)結(jié)p-n結(jié)結(jié)它的兩個