[教育]楊莉-大物ii課件第18章.固體的能帶結(jié)構(gòu)

1、第18章 固體的能帶結(jié)構(gòu),§18-1 晶體 *非晶體,§18-2 晶體中的電子 能帶結(jié)構(gòu),§18-3 半導(dǎo)體 絕緣體 導(dǎo)體的能帶,§18-4 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu),固體：晶體、非晶體,晶體特點(diǎn)：?有規(guī)則對(duì)稱的幾何外形；,?物理性質(zhì)(力、熱、電、光、……)各向異性；,?有確定的熔點(diǎn)；,?微觀上，分子、原子或離子呈有規(guī)則的周期性排列，形成長(zhǎng)程有序的空間點(diǎn)陣(晶格)。,一、晶體,&#

2、167;18-1 晶體 *非晶體,面心立方結(jié)構(gòu),立方結(jié)構(gòu),在晶體中，原子或離子周期性重復(fù)排列，形成晶格，或稱為空間點(diǎn)陣。,金剛石,體心立方,二. 非晶體 非晶態(tài)也稱為無(wú)定形態(tài)或玻璃態(tài)，其中分子排列在小范圍的空間內(nèi)是短程有序的，但與理想晶體相比，在次近鄰原子間的關(guān)系上就可能有顯著差別。,SiO2,三. 晶體和非晶體的區(qū)別,(1)晶體有一定對(duì)稱性的規(guī)則外形,非晶體則沒(méi)有。(2)晶體的物理性質(zhì)是各向異性的，而非晶體是各向同

3、性的。(3)晶體有一定的熔點(diǎn)，非晶體則沒(méi)有。(4)晶體在外力的作用下，容易沿著一定的平面(解理面)裂開，而非晶體沒(méi)有解理面。,§18-2 晶體中的電子 能帶結(jié)構(gòu),從泡利不相容原理出發(fā)來(lái)研究能帶的形成。,1.電子的共有化 晶體中原子排列的很緊密，因而各相鄰原子的波函數(shù)(或者說(shuō)外電子殼層)將發(fā)生重疊。因此，各相鄰原子的外層電子，很難說(shuō)是屬于那個(gè)原子，而實(shí)際上是處于為各鄰近原子乃至整個(gè)晶體所共有的狀態(tài)。這種現(xiàn)

4、象稱為電子的共有化。,Mg,兩個(gè)Mg原子的情況,Mg,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。,2. 能帶的形成,,,若有N個(gè)原子組成一體系，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。,能帶的寬度記作 ?E， ?E ～eV 的量級(jí)。若 N ~ 1023，則能帶中兩相鄰能級(jí)的間距約 10-23 eV。,能級(jí),能帶,N條,能隙，禁帶,幾個(gè)名詞：,禁帶：兩個(gè)相鄰的能帶之間的能量間隔。在此間隔中，e不能處于穩(wěn)定

5、狀態(tài)，從而形成一個(gè)禁區(qū)。,滿帶：能帶中所有的能級(jí)均被e填滿。滿帶中e沒(méi)有導(dǎo)電作用。,空帶：能帶中所有的能級(jí)均沒(méi)有e填入。,導(dǎo)帶：能帶中只填入部分e。,價(jià)帶：最外層e所在的能帶。,導(dǎo)帶中的能級(jí)未被占滿，一個(gè)電子在外力作用下向其它能級(jí)轉(zhuǎn)移時(shí)，不一定有相反方向的轉(zhuǎn)移來(lái)抵消，所以導(dǎo)帶具有導(dǎo)電作用。,由于滿帶中所有能級(jí)都被電子占滿，因此一個(gè)電子在外力作用下向其它能級(jí)轉(zhuǎn)移時(shí)，必然伴隨著相反方向的轉(zhuǎn)移來(lái)抵消，所以滿帶是不導(dǎo)電的。,3.電子在能帶中的填

6、充和運(yùn)動(dòng),滿帶,導(dǎo)帶,§18-3 半導(dǎo)體 絕緣體 導(dǎo)體的能帶,1.半導(dǎo)體和絕緣體(電介質(zhì))的能帶,從能帶上看，半導(dǎo)體和絕緣體的能帶沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別：都具有填滿電子的滿帶和隔離滿帶與空帶的禁帶。不同的是，半導(dǎo)體的禁帶較窄，而絕緣體的禁帶較寬。,絕緣體的禁帶一般很寬,一般的熱激發(fā)、光照或外加電場(chǎng)不是特別強(qiáng)時(shí),滿帶中的電子很少能被激發(fā)到空帶中去,所以絕緣體有較大的電阻率，導(dǎo)電性極差。 半導(dǎo)體的禁帶寬度較窄,在通常溫度下,有

7、較多的電子受到熱激發(fā)從滿帶進(jìn)入空帶, 不但進(jìn)入空帶的電子具有導(dǎo)電性能,而且滿帶中留下的空穴也具有導(dǎo)電性能。所以半導(dǎo)體的導(dǎo)電性雖不及導(dǎo)體但卻比絕緣體好得多。,2.導(dǎo)體的能帶,導(dǎo)體的能帶特點(diǎn)：都具有一個(gè)未被電子填滿的能帶。在外電場(chǎng)作用下，這些能帶中的電子很容易從一個(gè)能級(jí)躍入另一個(gè)能級(jí)，從而形成電流,所以導(dǎo)體顯示出很強(qiáng)的導(dǎo)電能力。,§18-4 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu),1. 本征半導(dǎo)體,半導(dǎo)體禁帶寬度較窄，通常溫度下，滿帶的電子可能受激

8、進(jìn)入空帶。進(jìn)入空帶的電子和留在滿帶中的空穴在外電場(chǎng)作用下都可導(dǎo)電。這種導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電。具有本征導(dǎo)電的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。參與導(dǎo)電的電子和空穴統(tǒng)稱本征載流子。,價(jià)帶,半導(dǎo)體,在純凈的半導(dǎo)體里,可以用擴(kuò)散的方法摻入少量其他元素的原子(稱為雜質(zhì)),摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能較之本征半導(dǎo)體有很大的改變。,2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體,(1) N型半導(dǎo)體,四價(jià)元素中摻入五價(jià)元素后, 其中四個(gè)電子可以和鄰近的硅原子或鍺原子形成共

9、價(jià)鍵,多余的一個(gè)電子成為自由電子。,本征半導(dǎo)體 Si、Ge等的四個(gè)價(jià)電子，與另四個(gè)原子形成共價(jià)結(jié)合，當(dāng)摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)元素（如P、As等）時(shí)，形成了n 型半導(dǎo)體。,量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余電子的能級(jí)在禁帶中緊靠空帶處， ?E～10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。,這種在禁帶中，并靠近導(dǎo)帶的邊緣的附加能級(jí)叫施主能級(jí)。,施主—不斷向空帶輸送電子。容易看出，N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是電子。,施主能級(jí)與導(dǎo)帶底部之間的能量差值很小，通常溫度下，施

10、主能級(jí)中的電子很容易被激發(fā)而躍遷到導(dǎo)帶去。 大量自由電子的存在大大提高了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。,(2) P型半導(dǎo)體,這種雜質(zhì)原子在代替晶體中硅或鍺原子而構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí),將缺少一個(gè)電子,這相當(dāng)于增加一個(gè)可供電子填充的空穴。,四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素（如Ｂ、Ga、In等）時(shí)，就形成空穴型半導(dǎo)體，又稱 P 型半導(dǎo)體。,這種空穴的能級(jí)出現(xiàn)在禁帶中，并且靠近滿帶，稱為受主能級(jí)。,滿帶頂部與雜質(zhì)能級(jí)之間的能量很小，在溫度不