大學(xué)物理m固體中的電子7課件

第三章固體中的電子(ElectronsinSolids)主要內(nèi)容：固體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體1§3.1固體的能帶(EnergyBandsinSolids)晶體準(zhǔn)晶體非晶體固體晶體結(jié)構(gòu)＝點(diǎn)陣＋基元⒈能帶的由來(lái)2晶體結(jié)構(gòu)＝點(diǎn)陣＋基元X射線衍射極大的方向，對(duì)應(yīng)于X射線在一組晶面上反射后干涉相長(zhǎng)的方向：對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋：晶面d晶面間距掠射角——布拉格(W.L.Bragg)公式XRDof[001]texturedPMN–32PT3周期性勢(shì)場(chǎng)和電子的共有化例：價(jià)電子在Na+的電場(chǎng)中的勢(shì)能特點(diǎn)一維晶體點(diǎn)陣形成的周期性勢(shì)能函數(shù)曲線EPr+++++rE+dE電子能量E低，穿過(guò)勢(shì)壘概率小，共有化程度低電子能量E高，穿過(guò)勢(shì)壘概率大，共有化程度高5先看兩個(gè)原子的情況.Mg.

Mg根據(jù)泡利不相容原理，原來(lái)的能級(jí)已填滿不能再填充電子1s2s2p3s3p1s2s2p3s3p——分裂為兩條6各原子間的相互作用原來(lái)孤立原子的能級(jí)發(fā)生分裂若有N個(gè)原子組成一體，對(duì)于原來(lái)孤立原子的一個(gè)能級(jí)，就分裂成

N條靠得很近的能級(jí)，稱為能帶（energyband）7原子間的相互作用原子能級(jí)分裂成能帶e.g.1s2s2p9⒉電子對(duì)能帶的填充——服從泡利不相容原理和能量最低原理.⑴滿帶(filledband)——所有量子態(tài)都被電子占據(jù)的能帶.⑵空帶(emptyband)——所有量子態(tài)都沒(méi)有被電子占據(jù)的能帶.⑶價(jià)帶(valenceband)——由原子中價(jià)電子能級(jí)分裂成的能帶.價(jià)帶可能是滿帶(例如金剛石)，也可能不是滿帶(例如堿金屬).10能帶理論指出：若電子處于未被填滿的能帶中，則在外電場(chǎng)作用下，電子可以躍入能帶中較高的空能級(jí)，從而參與導(dǎo)電.通常，未被填滿的價(jià)帶是導(dǎo)帶；位于滿帶上方的空帶，在外界(光、熱等)激發(fā)下，會(huì)有電子躍入，也稱為導(dǎo)帶.⑷導(dǎo)帶(conductionband)——具有能導(dǎo)電的電子的最高能帶.⑸禁帶(forbiddenband)——兩相鄰能帶間，不能被電子占據(jù)的能量范圍.11⒊能帶論對(duì)固體導(dǎo)電性的解釋導(dǎo)體——電阻率<10–8m半導(dǎo)體——10–8m<<108m絕緣體——>108m能帶論的解釋：⑴導(dǎo)體中，或是價(jià)帶未被填滿，或是價(jià)帶與上方的空帶交疊

價(jià)電子都能參與導(dǎo)電

導(dǎo)體有良好的導(dǎo)電性能131.導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體Na，K，CuMg、Be、Zn14

⑵半導(dǎo)體中，價(jià)帶已滿，但上面的禁帶寬度較小(~1eV)，在常溫下有一定數(shù)量的電子從價(jià)帶躍入上方的空帶，能參與導(dǎo)電。但導(dǎo)電電子數(shù)密度(~1016/m3)遠(yuǎn)小于導(dǎo)體中的值(~1028/m3)導(dǎo)電性能不及導(dǎo)體。15⑶絕緣體中，價(jià)帶已滿，且上面的禁帶寬度較大(～5eV)。在常溫下只有極少數(shù)電子能從價(jià)帶躍入上方的空帶

導(dǎo)電電子數(shù)密度極小

導(dǎo)電性能很差。171.導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體Na，K，CuMg、Be、Zn18§3.2半導(dǎo)體(Semiconductors)⒈兩種導(dǎo)電機(jī)制在常溫下，有部分價(jià)電子從滿帶躍入上方的空帶，從而在滿帶中留下一些空的量子態(tài)——空穴(hole).躍入空帶中的電子可參與導(dǎo)電——電子導(dǎo)電；留在滿帶中的空穴也可參與導(dǎo)電，可用“帶正電的空穴”的運(yùn)動(dòng)來(lái)描繪——空穴導(dǎo)電.純凈(本征)半導(dǎo)體：導(dǎo)帶中的電子數(shù)等于滿帶中的空穴數(shù).19⒉雜質(zhì)的影響雜質(zhì)半導(dǎo)體(extrinsicsemiconductors)分為兩類:⑴電子型(N型)半導(dǎo)體——摻有施主雜質(zhì)，以電子為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體.(N——negative)施主(donor)雜質(zhì)：進(jìn)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(jià)電子.e.g.在四價(jià)元素半導(dǎo)體(Si,Ge)中摻入五價(jià)雜質(zhì)(P,As)——施主雜質(zhì).21摻入施主雜質(zhì)后,在價(jià)帶上面的禁帶中靠近導(dǎo)帶(E~10-2eV)處,出現(xiàn)雜質(zhì)能級(jí)——施主能級(jí).常溫下E價(jià)帶導(dǎo)帶低溫下施主能級(jí)22常溫下，施主能級(jí)上的電子很容易躍入導(dǎo)帶，相對(duì)說(shuō)來(lái)，從價(jià)帶躍入導(dǎo)帶的電子數(shù)很少導(dǎo)帶中的電子數(shù)遠(yuǎn)多于價(jià)帶中的空穴數(shù)在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子(majoritycarrier，簡(jiǎn)稱多子)，而空穴是少數(shù)載流子(minoritycarrier，簡(jiǎn)稱少子).23常溫下E價(jià)帶導(dǎo)帶低溫下受主能級(jí)常溫下，價(jià)帶中的電子很容易躍入受主能級(jí)，相對(duì)說(shuō)來(lái)，躍入導(dǎo)帶的電子數(shù)很少

價(jià)帶中的空穴數(shù)遠(yuǎn)多于導(dǎo)帶中的電子數(shù)

在P型半導(dǎo)體中，空穴是多子，電子是少子.253.1半導(dǎo)體的摻雜性—Si為例+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+4+4+4p型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+4+4+4AsV族：N、P、As、Sb、BiB

III族：B、Al、Ga、In、TlEg

導(dǎo)帶

滿帶

EEA受主能級(jí)

空穴濃度增加；空穴多子，電子少子

Eg

電子空穴對(duì)濃度小熱激發(fā)：電子空穴對(duì)

導(dǎo)帶

滿帶

E導(dǎo)帶

EED施主能級(jí)

電子濃度增加；電子多子（熱激發(fā)+摻雜）空穴（熱激發(fā)）少子Eg

滿帶

摻雜可以提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能——室溫本征硅電阻率2.3×105Ω·cm，摻入10–6砷，電阻率變?yōu)?.2Ω·cm26⒊外場(chǎng)的影響⑴熱激發(fā)溫度躍遷電子數(shù)載流子數(shù)電阻.應(yīng)用：熱敏電阻器(thermistor).金屬RT半導(dǎo)體o27⑵光激發(fā)光照躍遷電子數(shù)載流子數(shù)電阻.——光電導(dǎo)現(xiàn)象應(yīng)用：光敏電阻器(photoresistor).293.3半導(dǎo)體的光敏性光電導(dǎo)現(xiàn)象：當(dāng)受到光照時(shí)，其導(dǎo)電能力增強(qiáng)。施主能級(jí)導(dǎo)帶滿帶hvn型半導(dǎo)體導(dǎo)帶滿帶受主能級(jí)hvp型半導(dǎo)體光激發(fā)的自由載流子。光生載流子內(nèi)光電效應(yīng)光生載流子越多，物體導(dǎo)電能力越強(qiáng)，并且載流子沒(méi)有逸出體外的光電導(dǎo)現(xiàn)象。導(dǎo)帶滿帶hv本征半導(dǎo)體hv≥Eg利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器

。光敏電阻其他應(yīng)用：光敏二極管、光敏三極管、光敏電池等光敏電阻光敏二極管30⒋PN結(jié)(PNjunction)——P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的交界區(qū).PN+++PN在交界區(qū),因載流子擴(kuò)散而形成電偶層——阻擋層

(厚度約1m,場(chǎng)強(qiáng)約106~108V/m).PN結(jié)的特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?PN結(jié)的應(yīng)用：整流(rectification).314.1pn結(jié)—形成pn接觸前接觸擴(kuò)散電流U0內(nèi)建電場(chǎng)阻擋層：U0勢(shì)壘區(qū)—阻礙n區(qū)電子進(jìn)入p區(qū)，同時(shí)阻礙p區(qū)空穴進(jìn)入n區(qū)。動(dòng)態(tài)平衡pn+-U0總電流=0擴(kuò)散電流漂移電流空間電荷區(qū)接觸前接觸后能帶324.2pn結(jié)—單向?qū)щ娦晕醇悠珘赫蚱珘悍聪蚱珘赫蚱珘海簝?nèi)建電場(chǎng)與外加電壓反向；勢(shì)壘高度降低；阻擋層減??；多子擴(kuò)散電流增大，少子漂移電流減小，形成p流向n的正向電流。反向偏壓：內(nèi)建電場(chǎng)與外加電壓同向；勢(shì)壘高度升高；阻擋層增厚；多子擴(kuò)散困難，擴(kuò)散電流減??；少子漂移電流增大，可能形成小的反向電流（n到p）。正向偏壓：低電阻性，PN結(jié)導(dǎo)通反向偏壓：高電阻性，PN結(jié)截止PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?-+334.3pn結(jié)—伏安特性曲線正向偏壓：低電阻性，PN結(jié)導(dǎo)通反向偏壓：高電阻性，PN結(jié)截止PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?PN結(jié)具有整流效應(yīng)A點(diǎn)：外加正向電壓小于開(kāi)啟電壓（閾值電壓）時(shí)，外電場(chǎng)不足以克服內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散的阻力，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。B點(diǎn)：外加正向電壓大于開(kāi)啟電壓（閾值電壓），PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流隨著外加電壓增大而增大。C點(diǎn)：外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。1、溫升使反向電流增加很快（本征激發(fā)，少子濃度增大）；2、反向電流很小且穩(wěn)定（少子濃度一定）。D點(diǎn)：反向電壓大于擊穿電壓時(shí)，反向電流急劇增加。原因?yàn)殡姄舸?、強(qiáng)外電場(chǎng)破壞鍵結(jié)構(gòu)；2、獲得大能量的載流子碰撞原子產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。如無(wú)限流措施，會(huì)造成熱擊穿而損壞。IVABCDPN結(jié)伏安特性曲線34⒈固體的能帶⑴能帶的由來(lái)⒉半導(dǎo)體⑴兩種導(dǎo)電機(jī)制⑵雜質(zhì)半導(dǎo)體N型：施主雜質(zhì)、施主能級(jí)、多子、少子P型：受主雜質(zhì)、受主能級(jí)、多子、少子⑶能帶論對(duì)固體導(dǎo)電性的解釋⑵滿帶,空帶,價(jià)帶,導(dǎo)帶,禁帶Chap.3SUMMARY35⑶外場(chǎng)(熱、光)對(duì)導(dǎo)電性的影響⑷PN結(jié)36⒈本征半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子是電子與空穴，N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)電的載流子是.答案：電子與空穴電子與空穴EXERCISES37⒉在4價(jià)元素半導(dǎo)體中摻