固体的能带结构.ppt

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1、第三章固体的能带结构1前言§1固体的能带一.电子共有化固体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构。电子受到周期性势场的作用。a第三章固体的能带结构2解定态薛定格方程(略），可以得出两点重要结论：１.电子的能量是量子化的;２.电子的运动有隧道效应。原子的外层电子(高能级)，势垒穿透概率较大，电子可以在整个固体中运动,称为共有化电子。原子的内层电子与原子核结合较紧,一般不是共有化电子。3二.能带(energyband)量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能

2、级,变成了N条靠得很近的能级,称为能带。固体中的电子能级有什么特点？4能带的宽度记作E，数量级为E～eV。若N~1023,则能带中两能级的间距约10-23eV。一般规律：1.越是外层电子，能带越宽，E越大。2.点阵间距越小，能带越宽，E越大。3.两个能带有可能重叠。5离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图6三.能带中电子的排布固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上。排布原则：１.服从泡里不相容原理（费米子）２.服从能量最小原理设孤立原子的一个能级Enl，它最多能容纳2(2+1)个电子。这一能

3、级分裂成由N条能级组成的能带后，能带最多能容纳２Ｎ(2+1)个电子。7电子排布时，应从最低的能级排起。有关能带被占据情况的几个名词：1．满带（排满电子）2．价带（能带中一部分能级排满电子）亦称导带3．空带（未排电子）亦称导带4．禁带（不能排电子）2ｐ、３ｐ能带，最多容纳6Ｎ个电子。例如，1ｓ、２ｓ能带，最多容纳2Ｎ个电子。２Ｎ(2+1)8§2导体和绝缘体（conductor．insulator）它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。固体按导电性能的高低可以分为导体半导体绝缘体9导体导体导体半导体绝

4、缘体EgEgEg10在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。E导体11从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg约3～6eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。的能带结构,满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄（Eg约0.1～2eV)。绝缘体半导体12绝缘体与半导体的击穿当外电场非常强时，它们的共有化电子还

5、是能越过禁带跃迁到上面的空带中的。绝缘体半导体导体13§３半导体的导电机构一.本征半导体（semiconductor）本征半导体是指纯净的半导体。本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。介绍两个概念：1.电子导电……半导体的载流子是电子2.空穴导电……半导体的载流子是空穴满带上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现一个空位。14例.半导体CdS满带空带hEg=2.42eV15这相当于产生了一个带正电的粒子(称为“空穴”),把电子抵消了。电子和空穴总是成对出现的。16空带满带空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上

6、来,这相当于空穴向下跃迁。满带上带正电的空穴向下跃迁也是形成电流,这称为空穴导电。Eg在外电场作用下,17解上例中,半导体CdS激发电子,光波的波长最大多长？18为什么半导体的电阻随温度升高而降低？19二.杂质半导体１.n型半导体四价的本征半导体Si、Ｇｅ等，掺入少量五价的杂质（impurity）元素（如P、As等）形成电子型半导体,称n型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处,ED～10-2eV，极易形成电子导电。该能级称为施主（donor）能级。20n型半导体在n型半导

7、体中电子……多数载流子空带满带施主能级EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴……少数载流子21２.ｐ型半导体四价的本征半导体Si、Ｇe等，掺入少量三价的杂质元素（如Ｂ、Ga、Ｉn等）形成空穴型半导体，称p型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，ED～10-2eV，极易产生空穴导电。该能级称受主（acceptor）能级。22空带Ea满带受主能级P型半导体SiSiSiSiSiSiSi+BEg在p型半导体中空穴……多数载流子电子……少数载流子233.n型化合物半导体例如，化合物G

8、aAs中掺Ｔｅ，六价的Te替代五价的As可形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体。4.ｐ型化合物半导体例如，化合物GaAs中掺Zn，二价的Zn替代三价的Ga可形成受主能级，成为p型GaAs杂质半导体。24三.杂质补偿作用实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），又有受主杂质（浓度na），两种杂质有补偿作用：若ndna——为n型（施主）若ndna——为p型（受主）利用杂质的补偿作用，可以制成P-Ｎ