大学物理-多媒体 -5 固体的能带结构公开课一等奖省优质课大赛获奖课件

（这是一个混合积分电路网络高倍放大图）固体能带结构第四章1本章目录序言§4.2固体能带（书4.4节）

§3.3导体和绝缘体（书4.4节）

§4.4半导体导电机构（书4.5节）

§4.5pn结（书4.6节）

△§4.6半导体器件（书4.7节）

§4.1晶体结构和结合（补充）

§4.7半导体激光器（补充）2前言固体物理既是一门综合性理论学科又和▲固体物理是信息技术物理基础1928-29建立能带理论并由试验证实1947.12创造晶体管1962制成集成电路实际应用紧密结合（材料、激光、半导体…）319828028613.4万80486120万1993pentium320万1995pentiumMMX550万1997pentium2750万集成度每10年增加1000倍！1971intel4004微处理器芯片2300晶体管4集成度每一步提升，都和表面物理及光刻没有晶体管、超大规模集成电路，就没有计现在在一个面积比邮票还小芯片上能够集其上能够集成109个元件，度只有0.12微米（深亚微米）。成一个系统，研究分不开。算机普遍应用和今天信息处理技术。沟道长5量子尺度效应研究

纳米材料原子原子团固体材料，新材料理论设计：

▲固体物理是新材料技术物理基础

晶格理论晶体力学性质、热学性质、······量子阱、超晶格理论

新型器件能带理论是固体理论和应用基础。“能隙工程”：人工改变材料能隙去适应器件需要，去创造特殊能带结构材料。人们能够经过控制电子波函数来制作器件，正所谓：“自己来实践量子力学”。6晶体非晶体结构：规则排列对称性无一定规则排列宏观性质：多为各向异性各向同性熔点：确定逐步软化二.晶体结构晶体中原子规则排列形成晶格—含有周期性§4.1晶体结构和结合（补充）一.晶体和非晶体比较7初基晶胞－晶格最小单元abca,b,c－晶格常数晶格有各种类型：点阵间满足关系：点阵▲面心立方晶格Cu，Al▲简单立方晶格a=b=cAu，Ag，8▲体心立方晶格▲

六角密排晶格组成晶格原子（团）在平衡点附近作热运动（晶格振动）产生格波，Li，Na，K，Fe，CsClBe，Mg，Zn，Cd声子E＝(n+1/2)h9三.晶体结合和类型▲

离子晶体（IonicCrystal）

▲

共价晶体

（CovalentCrystal）

无自由电子导热导电性差离子间静电力强熔点高，硬度好正负离子交替排列形成离子键，共价键如NaCl晶体如：Si，Ge，金钢石传热导电性不好强度高，坚硬，不易变形10原子贡献出价电子为整个晶体所共有带正电原子实周期地排列形成晶体点阵▲

金属晶体（MetallicCrystal）电子对原子实排列要求不严，展延性好导热导电性好（有自由电子）11大部分有机化合物晶体是分子晶体原子间作用力是范德瓦尔斯力吸引，能量低排斥，能量高▲

分子晶体（MolecularCrystal）结协力小：熔点低，硬度小，易变形12当几个原子有相互作用组成一个体系时，§4.2固体能带（书4.4节）

本节研究大量原子有相互作用组成一个能够从两方面来分析：研究孤立原子能级怎样形成固体能带一.从原子能级到固体能带原子中电子处于不一样能级。体系时，电子能量（能级）状态。电子能级怎样？

研究电子在周期势场中运动13先看两个原子情况.Mg.

Mg依据泡利不相容原理，原来能级已填满不能再填充电子—分裂为两条1s2s2p3s3p1s2s2p3s3p空带价带14各原子间相互作用原来孤立原子能级发生分裂若有N个原子组成一体，对于原来孤立原子一个能级，就分裂成N条靠得很近能级，能带宽度记作E

E

～eV量级

若N~1023，则能带中两相邻能级间距称为能带（energyband）。约为10-23eV。15能级能带N条能隙，禁带E普通规律：

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合。16离子间距a2P2S1SE0能带重合示意图17二.电子在周期势场中运动，电子共有化孤立原子中电子势阱-er+●●UWUWr●电子能级势阱旋转对称+势垒18固体（这里指晶体）含有由大量分子、电子受到周期性势场作用：a原子或离子规则排列而成点阵结构。19解定态薛定谔方程，能够得出两点1.电子能量是量子化；2.电子运动有隧道效应。

原子外层电子（在高能级）势垒穿透原子内层电子与原子核结合较紧，普通概率较大，电子能够在整个固体中运动，称为共有化电子。主要结论：不是共有化电子。20三.能带中电子排布固体中一个电子只能处于某个能带中1.排布标准：（1）服从泡里不相容原理（费米子）（2）服从能量最小原理对孤立原子一个能级Enl，它最多能

这一能级分裂成由N个能级组成能带，某一能级上。容纳2(2l+1)个电子。一个能带最多能容纳2

(2l+1)N

个电子。212p、3p能带，最多容纳6Ｎ个电子。比如，1s、2s能带，最多容纳2Ｎ个电子。每个能带最多容纳2Ｎ个电子每个能带最多容纳6Ｎ个电子单个Mg原子1s2s2p3s3p晶体Mg（N个原子）电子排布应从最低能级排起。22

满带：填满电子能带。

空带：没有电子占据能带。

不满带：未填满电子能带。

禁带：不能填充电子能区。

价带：和价电子能级对应能带，对半导体，价带通常是满带。即最高充有电子能带。2.相关能带被占据情况几个概念：

空带

满带E

不满带

禁带

禁带价带233.能带对电导贡献满带：…电子交换能态并不改变能量状态，所以满带不导电。导带：不满带或满带以上最低空带为何把空带或不满带称为导带？因为电子只有处于这种能带中才能导电。24这只有导带中电子才有可能。E导电——电子在电场作用下作定向运动，以一定速度漂移，v

10-2cm/s电子得到附加能量到较高能级上去，25满带空带价带导带不满带导带从能带来分析导电性：EpEp不导电导电26§4.3导体和绝缘体（书4.4节）

（conductorandinsulator）

它们导电性能不一样，是因为它们能带结构不一样。固体按导电性能高低能够分为导体半导体绝缘体27一.导体能带结构空带

导带E一些一价金属，如:Li…

满带空带E一些二价金属，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…

导带空带E如:Na,K,Cu,Al,Ag…28导体在外电场作用下，大量共有化电子从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。E很易取得能量，集体定向流动形成电流。29二.绝缘体能带结构E空带空带满带禁带ΔEg=3～6eV从能级图来看，是因为满带绝缘体在外电场作用下，

当外电场足够强时，共有化电子还是能越过共有化电子极难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。能量，所以形不成电流。（Eg：3～6eV），与空带间有一个较宽禁带禁带跃迁到上面空带中，使绝缘体被击穿。共有化电子极难接收外电场30§4.4半导体导电机构（书4.5节）

一.本征半导体（semiconductor）本征半导体是指纯净半导体。本征半导体导电性能在导体与绝缘体之间。1.本征半导体能带结构：E空带（导带）满带Eg=0.12eV禁带本征（纯净）半导体所以加热、光照、加电场都能把电子从满带激到发空带中去，同时在满带中形成“空穴”（hole）。半导体禁带宽度ΔEg

很窄（0.1～2eV），T=0K时（绝缘体）31比如半导体CdS满带空带hEg=2.42eV满带上一个电子跃迁到空带后，满带中出现一个带正电空位，称为“空穴”。

电子和空穴总是成对出现。电子和空穴叫本征载流子，它们形成半导体本征导电性。当光照h>ΔEg

时，可发生本征吸收，形成本征光电导。322.两种导电机构（1）电子导电—半导体主要载流子是电子解[例]要使半导体CdS产生本征光电导，求激发电子光波波长最大多长？33在外电场作用下，电子能够跃迁到空穴上来，这相当于空穴反向跃迁。空穴跃迁也形成电流，这称为空穴导电。空带满带Eg（2）空穴导电—半导体主要载流子是空穴34当外电场足够强时，共有化电子还是能越为何导体电阻随温度升高而升高，而半导体电阻却随温度升高而降低？半导体导体击穿思索过禁带跃迁到上面空带中，使半导体击穿。35二.杂质（impurity）半导体1.n型半导体又称n型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多出电子能级在禁带中紧靠空带处，ED～10-2eV，极易形成电子导电。本征半导体Si、Ge等四个价电子，与另四个原子形成共价结合，当掺入少许五价杂质元素（如P、As等）时，就形成了电子型半导体，36

n型半导体空带满带施主能级EDEgSiSiSiSiSiSiSiP

这种靠近空带附加能级称为施主（donor）能级。以下列图示：37则P原子浓度～1018cm3np=1.5×1010cm3+1018=1018cm3室温下：本征激发杂质激发导带中电子浓度nn=1.5×1010满带中空穴浓度设Si中P含量为104电子是多数载流子，空穴是少数载流子。在n型半导体中：电子浓度nn～施主杂质浓度ndSi原子浓度～1022cm3382.p型半导体四价本征半导体Si、Ｇe等掺入少许三价杂质元素（如Ｂ、Ga、In等）时，就形成空穴型半导体，又称p型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多出空穴能级在禁带中紧靠满带处，EA

<10-1eV，极易产生空穴导电。39空带EA满带受主能级

P型半导体SiSiSiSiSiSiSi+BEg

这种靠近满带附加能级称为受主（acceptor）能级。以下列图示：40则B原子浓度～1018cm3np=1.5×1010室温下：本征激发杂质激发导带中电子浓度nn=1.5×1010cm3满带中空穴浓度设Si中B含量为10－4+1018=1018cm3空穴是多数载流子，电子是少数载流子。空穴浓度np～受主杂质浓度na在p型半导体中：Si原子浓度～1022cm

3413.n型化合物半导体比如，化合物GaAs中掺Te，六价Te替换五价As可形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体。4.p型化合物半导体比如，化合物GaAs中掺Zn，二价Zn替换三价Ga可形成受主能级，成为p型GaAs杂质半导体。42三.杂质赔偿作用实际半导体中现有施主杂质（浓度nd），又有受主杂质（浓度na），两种杂质有赔偿作用：若ndna——为n型（施主）若ndna——为p型（受主）利用杂质赔偿作用，能够制成p-n结。43§4.5p-n结（书4.6节）一.p-n结形成在n型半导体基片一侧掺入较高浓度面附近产生了一个内建阻止电子和空穴深入扩散。电子和空穴扩散，在p型和n型半导体交界p型半导体(赔偿作用)。受主杂质，（电）场该区就成为n型p型44内建场大到一定程度，不再有净电荷流动，到达了新平衡。在p型和n型交界面附近形成这种特殊结构称为p-n结（阻挡层，耗尽层），其厚度约为0.1m。p-n结p型n型45

p-n结处存在电势差U0形成势垒区。也阻止n区带负电电子深入向p区扩散。它阻止p区带正电空穴深入向n区扩散；U0电子能级电势曲线电子电势能曲线p-n结np对Si:U0=0.6－0.7V对Ge:U0=0.2－0.3V46因为p-n结存在，电子能量应考虑进势这使电子能带出现弯曲：空带空带p-n结施主能级受主能级满带满带垒带来附加势能。47二.p-n结单向导电性1.正向偏压p-n结p型区接电源正极，叫正向偏压。向p区运动，阻挡层势垒降低、变窄，有利于空穴向n区运动，也有利于电子和反向，这些都形成正向电流（mＡ级）。p型n型I+48外加正向电压越大，形成正向电流也越大，且呈非线性伏安特征。U（伏）302010（毫安）正向00.21.0I锗管伏安特征曲线492.反向偏压p-n结p型区接电源负极，叫反向偏压。也不利于电阻挡层势垒升高、变宽，不利于空穴向n区运动，和同向，会形成很弱反向电流，称漏电流（Ａ级）。I无正向电流p型n型+子向p区运动。不过因为少数载流子存在，50当外电场很强，反向电压超出某一数值后，反向电流会急剧增大—反向击穿。V(伏)I-10-20-30（微安）反向-20-30用pn结单向导电性，击穿电压用pn结光生伏特效应，可制成光电池。p-n结应用：做整流、开关用。加反向偏压时，pn结伏安特征曲线如左图。可制成晶体二极管（diode），51△§4.6半导体器件（自学书第4.7节）

p-n结适当组合能够作成含有放大作用晶体三极管（trasistor）和其它一些半导体器件。集成电路大规模集成电路超大规模集成电路晶体管（1947）（1962）（80年代）103105甚大规模集成电路巨大规模集成电路107109（70年代）（90年代）（现在）52晶体管创造1947年12月23日，美国贝尔试验室半导体小组做出世界上第一只含有放大作用点接触型晶体三极管。1956年小组三位组员获诺贝尔物理奖。巴丁J.Bardeen布拉顿W.H.Brattain肖克利W.Shockley53每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲大小，它有300多万个三极管。INMOST900微处理器54

同质结激光器—由同种材料制成p-n结半导体激光器分两类：

异质结激光器—由两种不一样材料制成p-I-n

§4.7半导体激光器（补充）半导体激光器是光纤通讯中主要光源，在创建信息高速公路工程中起着极主要作用。（重掺杂）结（I为本征半导体）55重掺杂pn满带空带pn满带空带普通掺杂1.同质结激光器56加正向偏压V

粒子数反转。

pn阻挡层E内-++-+-+-+-Ｅ外E内pn阻挡层+-----++++pn满带空带eU0pn满带空带e(U0-V)电子空穴复合发光，由自发辐射引发受激辐射。.57解理面p-n结p-n结它两个端面就相当于两个反射镜，光振荡并利于选频。．反射系数，激