56导体绝缘体和半导体

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1、固体物理讲稿5.6导体绝缘体和半导体(书5.3)[重点概念满带导带近满带空带空穴导体绝缘体半导体本征半导体杂质半体施主受主难点空穴]一.满带电子不导电满带一个能带的所有状态都被电子占据称为满带r由于电子k状态的对称性如Errrr右面一维图及v(k)=−v(−k)rrrri(k)=−i(−k)加外电场后仍无宏观电流二.导带电子导电k导带能带中只有部分能级被电子占据无外场时由于电子状态的对称性无宏观电流加外场后破坏了电子状态的对称性便产生了宏观电流EEKK三.近满带空穴导电近满带能带顶部少量能级没有电子空穴的概念我们关心的是近满带在宏观上

2、表现出的电流和电流的变化rr1.已知满带对电流的贡献为零电子的电量-e<0电子的速度为v(k)rrrr电子电流i(k)=−ev(k)顶部电子的有效质量m*<0r2.近满带电流若缺少一个k态电子与不缺少该电子的满带比较近满带的rrr电流为I(k)=+ev(k)r3.顶部缺少一个k态电子的近满带在电磁场中电流的变化rrrrrrrrrdrdv−e[ε+v(k)×B]e[ε+v(k)×B]I(k)=e=e=e⋅∗∗dtdtm−mrr∗与电量为+e有效质量为−m>0而速度为v(k)与该电子相同的粒子所产生结果相同4.空穴在满带顶部若有少数个状态

3、没有被电子占据则我们可以认为存561固体物理讲稿∗在一种带正电荷e有效质量为−m>0其运动速度和占据这些状况的电子完全一样的假想粒子这种假想粒子就称为空穴5.引入空穴的意义使处理近满带大量电子的问题化为只处理少量空穴的问题使导体和半导体中许多现象和性质的解释和计算大为简化如对正霍耳系数的解释近满带众多电子的运动可等效成少量空穴的运动在外电场中空穴的运动形成宏观电流四.三维晶体可发生能带重迭(E)>(E)nmaxn+1minkccabkaboabkacdkca五.导体有导带电子导电[价带对应孤立原子最外层电子能级的能带为价带]1.如Na

4、K等其价电子N个只能使价带半满形成导带2.如MgZnCd等因能带重迭形成导带和近满带六.绝缘体满带+宽禁带36eV+空带空带所有状态都没有被电子占据的能带七.半导体1.本征半导体无任何杂质的半导体热激发满带窄禁带空带⎯⎯→⎯近满带(空穴导电)窄禁带导带(电子导电)窄禁带0.12eV禁带宽度举例见下页表一热激发⎯⎯→⎯2.杂质半导体有杂质存在的半导体N型半导体电子导电满带禁带中的施主能级导带(电子导电)562固体物理讲稿施主这种杂质可以提供电子其能级在带隙中靠近空→导带见表二P型半导体空穴导电近满带(空穴导电)禁带中的受主能级空带受主这

5、种杂质可以接受电子其能级在带隙中靠近满→近满带见表二附表一禁带宽度举例绝缘体禁带宽度(eV)半导体禁带宽度(eV)金刚石C5.33硅Si1.14氧化锌ZnO3.2锗Ge0.67氯化银AgCl3.2碲Te0.33硫化钙CaS2.42砷化镓GaAs1.43附表二禁带中施主受主能级到能带的距离∆E举例半导体禁带宽度(eV)施主能级(eV)受主能级(eV)砷As0.0127硼B0.0104锗Ge0.67磷P0.0120镓Ga0.0108锑Sb0.0097铟In0.0112砷As0.049硼B0.045硅Si1.14磷P0.045镓Ga0.06

6、5锑Sb0.039铟In0.016563固体物理讲稿附空穴与满带顶部电子的比较满带顶部电子空穴电量-e<0e>0有效质量m*<0-m*>0rrrr速度v(k)v(k)r设有外电场ε→→则受力←→加速度→→[参考价电子一般指原子最外[层能参与组成化学键的电子但对某些元素特别是过渡元素的原子中有时也包括次外层电子在内]564