m固体中的电子

1、第十三章第十三章 固体中的电子固体中的电子(Electrons in Solids)内容内容固体的能带结构固体的能带结构半导体半导体13.1 固体的能带固体的能带 (Energy Bands in Solids)晶体晶体准晶体准晶体非晶体非晶体固体固体晶体结构点阵基元晶体结构点阵基元能带的由来能带的由来原子间的相互作用原子间的相互作用 原子的能级分裂成原子的能级分裂成能带能带.e.g.1s2s2p电子对能带的填充电子对能带的填充服从泡利不相容原理和能量最低原理服从泡利不相容原理和能量最低原理.满带满带(filled band)所有量子态都被电子所有量子态都被电子占据的能带占据的能带.空带空带(

2、empty band)所有量子态都没有所有量子态都没有被电子占据的能带被电子占据的能带.价带价带(valence band)由原子中价电子能由原子中价电子能级分裂成的能带级分裂成的能带. 价带可能是满带价带可能是满带(例如金刚石例如金刚石)，也可能不是满带，也可能不是满带(例如碱金属例如碱金属).能带理论能带理论指出：指出：若电子处于未被填满的能带中，若电子处于未被填满的能带中，则在外电场作用下，电子可以跃入能带中较高则在外电场作用下，电子可以跃入能带中较高的空能级，从而参与导电的空能级，从而参与导电.通常，未被填满的价带是导带；位于满带上方通常，未被填满的价带是导带；位于满带上方的空带，在外

3、界的空带，在外界(光、热等光、热等)激发下，会有电子跃激发下，会有电子跃入，也称为导带入，也称为导带.导带导带(conduction band)具有能导电的具有能导电的电子的最高能带电子的最高能带.禁带禁带(forbidden band)两相邻能带间，两相邻能带间，不能被电子占据的能量范围不能被电子占据的能量范围.禁带禁带空带空带(导带导带)禁带禁带满带满带价带价带(满带满带)能带分布：能带分布：满带满带空带空带禁带禁带禁带禁带E价带价带(导带导带)能带论对固体导电性的解释能带论对固体导电性的解释导体导体电阻率电阻率 10-8 m半导体半导体10-8 m 108 m能带论的解释：能带论的解释：

4、 导体中，或是价带未被填满，或是价带导体中，或是价带未被填满，或是价带与上方的空带交叠与上方的空带交叠. 价电子都能参与导电价电子都能参与导电 导体有良好的导电性能导体有良好的导电性能. 半导体中，价带已满，但上面的禁带宽半导体中，价带已满，但上面的禁带宽度较小度较小(1eV). 在常温下有一定数量的电子在常温下有一定数量的电子从价带跃入上方的空带，能参与导电从价带跃入上方的空带，能参与导电. 但导但导电电子数密度电电子数密度(1016/m3)远小于导体中的值远小于导体中的值(1028/m3) 导电性能不及导体导电性能不及导体. 绝缘体中，价带已满，且上面的禁带宽绝缘体中，价带已满，且上面的禁

5、带宽度较大度较大(5eV). 在常温下只有极少数电子能在常温下只有极少数电子能从价带跃入上方的空带从价带跃入上方的空带 导电电子数密度导电电子数密度极小极小 导电性能很差导电性能很差.13.2 半导体半导体 (Semiconductors)两种导电机制两种导电机制 在常温下，有部分价电子从满带跃入上方的在常温下，有部分价电子从满带跃入上方的空带，从而空带，从而在满带中留下一在满带中留下一 些空的量子态些空的量子态空穴空穴(hole). 跃入空带中的电子可参与导电跃入空带中的电子可参与导电电子导电电子导电；留在满带中的电子也可参与导电，可用留在满带中的电子也可参与导电，可用“带正带正电的空穴电的

6、空穴”的运动来描绘的运动来描绘空穴导电空穴导电. 纯净纯净(本征本征)半导体：半导体：导带中的电子数等于满带导带中的电子数等于满带中的空穴数中的空穴数.杂质的影响杂质的影响杂质半导体分为两类杂质半导体分为两类:电子型电子型(N型型)半导体半导体 掺有施主杂质，以电子为多数载流掺有施主杂质，以电子为多数载流子的半导体子的半导体. (Nnegative)施主施主(donor)杂质：杂质：进入晶格，与周围基质原进入晶格，与周围基质原子形成晶体原有的电子结构后，尚有多余价子形成晶体原有的电子结构后，尚有多余价电子电子.e.g.在四价元素半导体在四价元素半导体(Si, Ge)中掺入五价中掺入五价杂质杂质

7、(P, As) 施主杂质施主杂质. 掺入施主杂质后掺入施主杂质后, 在价带上面的禁带中靠在价带上面的禁带中靠近导带近导带( E10-2eV)处处, 出现杂质能级出现杂质能级施主能级施主能级.常温下常温下E价带价带导带导带低温下低温下施主能级施主能级 常温下，施主能级上的电子很容易跃入常温下，施主能级上的电子很容易跃入导带，相对说来，从价带跃入导带的电子导带，相对说来，从价带跃入导带的电子数很少数很少 导带中的电子数远多于价带中导带中的电子数远多于价带中的空穴数的空穴数 在在N型半导体中，电子是型半导体中，电子是多多数载流子数载流子(majority carrier，简称，简称多子多子)，而空穴

8、是而空穴是少数载流子少数载流子(minority carrier，简，简称称少子少子).空穴型空穴型(P型型)半导体半导体掺有受主杂质，以空穴为多数载流掺有受主杂质，以空穴为多数载流子的半导体子的半导体. (Ppositive)受主受主(acceptor)杂质：杂质：进入晶格，与周围进入晶格，与周围基质原子形成晶体原有的电子结构时，基质原子形成晶体原有的电子结构时，缺少价电子缺少价电子.e.g.在四价元素半导体在四价元素半导体(Si, Ge)中掺入三价中掺入三价杂质杂质(B, Al)受主杂质受主杂质. 掺入受主杂质后，在价带上面的禁带掺入受主杂质后，在价带上面的禁带中靠近价带中靠近价带( E1

9、0-2eV)处，出现杂质能处，出现杂质能级级受主能级受主能级.常温下常温下E价带价带导带导带低温下低温下受主能级受主能级 常温下，价带中的电子很容易跃入受主能级，常温下，价带中的电子很容易跃入受主能级，相对说来，跃入导带的电子数很少相对说来，跃入导带的电子数很少 价带中价带中的空穴数远多于导带中的电子数的空穴数远多于导带中的电子数 在在P型半导型半导体中，空穴是体中，空穴是多子多子，电子是，电子是少子少子.外场的影响外场的影响热激发热激发温度温度 跃迁电子数跃迁电子数 载流子数载流子数 电阻电阻 .应用：热敏电阻器应用：热敏电阻器(thermistor).金属金属RT半导体半导体o光激发光激发

10、光照光照 跃迁电子数跃迁电子数 载流子数载流子数 电阻电阻 .光电导现象光电导现象应用：光敏电阻器应用：光敏电阻器(photoresistor). PN结结 (PN junction)P型半导体与型半导体与N型半导体的交界区型半导体的交界区.PN + + +PN在交界区在交界区, 因载流子扩散而形成电偶层因载流子扩散而形成电偶层 阻阻挡层挡层 (厚度约厚度约1 m, 场强约场强约106108V/m).PN结的特性：结的特性：单向导电性单向导电性.PN结的应用：结的应用：整流整流(rectification). 固体的能带固体的能带能带的由来能带的由来 半导体半导体两种导电机制两种导电机制杂质半

11、导体杂质半导体N型：施主杂质、施主能级、多子、少子型：施主杂质、施主能级、多子、少子P型：受主杂质、受主能级、多子、少子型：受主杂质、受主能级、多子、少子能带论对固体导电性的解释能带论对固体导电性的解释满带满带, 空带空带, 价带价带, 导带导带, 禁带禁带.Chap.13 SUMMARY外场外场(热、光热、光)对导电性的影响对导电性的影响PN结结本征半导体中参与导电的载流子是电子与本征半导体中参与导电的载流子是电子与空穴，空穴， N型半导体中参与导电的载流子是型半导体中参与导电的载流子是， P型半导体中参与导电的载流子型半导体中参与导电的载流子是是. 答案：答案： 电子与空穴电子与空穴电子与空穴电子与空穴Chap.13 EXERCISES在在4价元素半导体中掺入价元素半导体中掺入5价杂质，则可构价杂质，则可构成成型半导体，参与导电的载流子多型半导体，参与导电的载流子多数是数是；相反，若掺入；相反，若掺入3价杂质，则可价杂质，则可构成构成型半导体，参与导电的载流子型半导体，参与导电的载流子多数是多数是. 答案：答案： N电子电