固体的能带结构介绍

固体的能带结构第三个内容目录§4.1固体的能带§4.2导体和绝缘体§4.3半导体的导电机构§4.4pn结△§4.5半导体器件

§4.6半导体激光器（补充）

固体物理既是一门综合性的理论学科又和固体物理是信息技术的物理基础1928-29建立能带理论并由实验证实1947发明晶体管1962制成集成电路实际应用紧密结合（材料、激光、半导体…）19828028613.4万

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

集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻

没有晶体管和超大规模集成电路，就没有计现在在一个面积比邮票还小的芯片上可以集其上可以集成109个元件，度只有0.12微米。成一个系统，的研究分不开。算机的普遍应用和今天的信息处理技术。沟道长先看两个原子的情况.Mg.

Mg

根据泡利不相容原理，原来的能级已填满不能再填充电子1s2s2p3s3p1s2s2p3s3p§4.1固体的能带—分裂为两条各原子间的相互作用原来孤立原子的能级发生分裂若有N个原子组成一体，对于原来孤立原子的一个能级，就分裂成N条靠得很近的能级，能带的宽度记作E

E

～eV的量级

若N~1023，则能带中两相邻能级的间距称为能带（energyband）。约为10-23eV。能级能带N条能隙，禁带E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。离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图

一.电子在周期势场中的运动电子共有化孤立原子中电子的势阱电子能级+势垒固体（这这里指晶晶体）具具有由大大量分子子、电子受到到周期性性势场的的作用：：a原子或离离子的规规则排列列而成的的点阵结结构。解定态薛定定谔方程程，可以得出出两点1.电子的能能量是量量子化的的；2.电子的运运动有隧隧道效应应。原子的外层电子子（在高能能级）势势垒穿穿透原子的内内层电子子与原子子核结合合较紧，，一般概率较大大，电子可以在整整个固体体中运动动，称为共有化电电子。重要结论论：不是共共有化电电子。二.能带中电电子的排排布固体中的的一个电电子只能能处在某某个能带带中1.排布原则则：（1）服从从泡里不不相容原原理（费费米子））（2）服从从能量最最小原理理对孤立原原子的一一个能级级Enl，它最多能这一能级级分裂成成由N个能级组组成的能能带，的某一能能级上。。容纳2(2l+1)个电子。。一个能带带最多能能容纳2(2l+1)N个电子。。2p、3p能带，最最多容纳纳6Ｎ个电子。。例如，1s、2s能带，最最多容纳纳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）电子排布布应从最最低的能能级排起起。满带：填满电子子的能带带。空带：没有电子子占据的的能带。。不满带(也称为导导带）：：未填满电电子的能能带。禁带：不能填充充电子的的能区。。价带：和价电子子能级相相应的能能带，对半导体体，价带带通常是是满带。。即最高的的充有电电子的能能带。2.几个概念念

满带E

不满带

禁带

禁带价带

空带不满带或或满带以以上最低低的空带带，称为为导带。。3.能带中电电子的导导电性满带不导导电：…电子交换换能态并不改变变能量状状态，所所以满带不导导电。电子在电电场作用用下作定定向运动动，得到附加能量量，电子能量发生生变化。导带导电：导带中电子才能改变能量。。导电性：：Ep价带(满带)空带(导带)不满带(导带)EEp导带导电：：§4.2导体和绝缘缘体它们的导电电性能不同同，是因为为它们的能能带结构不不同。固体按导电电性能的高高低可以分分为导体半导体绝缘体一.导体的能带带结构

空带

导带E某些一价金属，如:Li…

满带

空带E某些二价金属，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…

导带

空带E如:Na,K,Cu,Al,Ag…导体在外电场的的作用下，，大量共有有化电子从能级图上上来看，是因为其共共有化电子子很易从低能能级跃迁到到高能级上上去。E很易获得能能量，集体体定向流动动形成电流流。二.绝缘体的能能带结构E

空带

空带

满带禁带ΔEg=3～6eV从能级图来来看，是因为满带带绝缘体在外电场的的作用下，，当外电场足够够强时，共有化化电子还是是能越过共有化电子子很难从低低能级（满带）跃跃迁到高能能级（空带带）上去。。的能量，所以形不成成电流。（Eg：3～6eV），与空带间有有一个较宽的禁禁带带禁带带跃跃迁迁到到上上面面的的空空带带中中，，使使绝缘缘体体被被击击穿穿。。共有有化化电电子子很很难难接接受受外外电电场场§4.3半导导体体的的导导电电机机构构一.本征征半半导导体体（semiconductor）本征征半半导导体体是是指指纯净净的的半导导体体。。本征征半半导导体体的的导导电电性性能能在在导导体体与与绝绝缘缘体体之之间间。。1.本征征半导导体体的能能带带结结构构Eg=0.12eVE空带（导带）

满带禁带本征半导体所以以加加热热、、光光照照、、加加电电场场都都能能把把电电子子从从满满带带激激到到发发空空带带中中去去，，同同时时在在满满带带中中形形成成“空空穴穴””（hole）。。半导导体体的禁带带宽宽度度ΔEg很窄（0.1～2eV），，例如如半半导导体体CdS：满带空带hEg=2.42eV满带带上上的的一一个个电电子子跃跃迁迁到到空空带带后后，，满带带中中出出现现一一个个带正正电电的的空位，称称为“空穴””。电子和空空穴总是是成对出现现的。电子和空空穴叫本征载流流子，它们形成成半导体的本征导电电性。当光照h>ΔEg时，可发生本征吸收收，形成本征光电电导。2.两种导电电机构（1）电子导导电—半导体的的主要载载流子是是电子解【例】要使半导导体CdS产生本征光电电导，求激发电子子的光波波的波长长最大多多长？在外电场场作用下下，电子子可以跃跃迁到空空穴上来来，这相相当于空穴反向向跃迁。。空穴跃迁迁也形成成电流，，这称称为空穴导电电。空带满带Eg（2）空穴穴导电—半导体的的主要载载流子是是空穴当外电场足足够强时时，共有化电电子还是是能越半导体导体击穿过禁带跃跃迁到上上面的空空带中，，使半导体击击穿。二.杂质（impurity）半导体1.n型半导体体又称n型半导体体。量子力学学表明，，这种掺杂杂后多余余的电子子的能级级在禁带带中紧靠靠空带处处，ED～10-2eV，极易形形成电子子导电。。本征半导导体Si、Ge等的四个个价电子子，与另另四个原子形形成共价价结合，，当掺入少少量五价价的杂质元素（如如P、As等）时，，就形成了了电子型半半导体，，n型半导体体空带满带施主能级级EDEgSiSiSiSiSiSiSiP这种靠近近空带的的附加能能级称为为施主（donor）能级。。如下图图示：：则P原子浓浓度～～1018cm3np=1.5××1010cm3+1018=1018cm3室温下下：本征激激发杂质激激发导带中中电子子浓度度nn=1.5×1010满带中中空穴穴浓度度设Si中P的含量量为104电子是是多数数载流流子，，空穴是是少数数载流流子。。在n型半导导体中中：电子浓浓度nn～施施主杂杂质浓浓度ndSi原子浓浓度～～1022cm32.p型半导导体四价的的本征征半导导体Si、Ｇe等掺入入少量量三价价的杂质元素（（如ＢＢ、Ga、In等）时时，就就形成成空穴型半导导体，又称p型半导体。。量子力学表表明，这种掺杂后后多余的空空穴能级在在禁带中紧紧靠满带处处，EA<10-1eV，极易产生生空穴导电电。空带EA满带受主能级P型半导体SiSiSiSiSiSiSi+BEg这种靠近满满带的附加加能级称为为受主（acceptor）能级级。。如下下图图示示：：则B原子子浓浓度度～～1018cm3np=1.5××1010室温温下下：：本征征激激发发杂质质激激发发导带带中中电电子子浓浓度度nn=1.5××1010cm3满带带中中空空穴穴浓浓度度设Si中B的含含量量为为10－4+1018=1018cm3空穴穴是是多多数数载载流流子子，，电子子是是少少数数载载流流子子。。空穴穴浓浓度度np～受受主主杂杂质质浓浓度度na在p型半半导导体体中中：：Si原子子浓浓度度～～1022cm33.n型化化合合物物半半导导体体例如如，，化化合合物物GaAs中掺掺Te，六六价价的的Te替代代五五价价的的As可形形成成施施主主能能级级，，成为为n型GaAs杂质质半半导导体体。。4.p型化合合物半半导体体例如，，化合合物GaAs中掺Zn，二价价的Zn替代三三价的的Ga可形成成受主主能级级，成为p型GaAs杂质半半导体体。三.杂质的的补偿偿作用用实际的的半导导体中中既有有施主主杂质质（浓浓度nd），又又有受受主杂杂质（（浓度度na），两两种杂杂质有有补偿偿作用用：若ndna——为n型（施施主））若ndna——为p型（受受主））利用杂杂质的的补偿偿作用用，可可以制制成p-n结。§4.4p-n结一.p-n结的形形成在n型半导体体基片片的一一侧掺入较较高浓浓度的的面附近近产生了了一个个内建阻止电电子和和空穴穴进一一步扩扩散。。电子和和空穴穴的扩扩散，，在p型和n型半导导体交界p型半导导体(补偿作作用)。受主杂杂质，（电））场该区就就成为为n型p型内建场场大到到一定定程度，，不再再有净净电荷的流流动，，达到到了新的平平衡。。在p型和n型交界界面附附近形形成的的这种种特殊殊结构构称为为p-n结（阻阻挡层层，耗耗尽层层），其厚厚度约约为0.1m。p-n结p型n型U0电势电子电势能p-n结np由于p-n结的存存在，，电子的能量量应考考虑进进势这使电电子能能带出出现弯弯曲：：空带空带p-n结施主能级受主能级满带满带垒带来来的附加势势能。二.p-n结的单单向导导电性性1.正向偏偏压p-n结的p型区接接电源源正极极，叫叫正向偏偏压。。向p区运动动，阻挡层层势垒垒降低、变窄窄，有利于于空穴向向n区运动动，也有利利于电子和反向，这些都都形成成正向电电流（（mＡ级））。p型n型I+外加正正向电电压越越大，，形成的的正向向电流流也越越大，，且呈呈非线性性的伏伏安特特性。。U（伏）302010（毫安）正向00.21.0I锗管的伏安安特性曲线线2.反向偏压p-n结的p型区接电源源负极，叫叫反向偏压。。也不利于电电阻挡层势垒垒升高、变变宽，不利于空穴穴向n区运动，和同向，会形成很弱弱的反向电电流，称漏电流（（Ａ级）。I无正向电流流p型n型+子向p区运动。但是由于少少数载流子子的存在，，当外电场很很强，反向向电压超过过某一数值值后，反向电流会会急剧增大大—反向击穿。。V(伏)I-10-20-30（微安）反向-20-30用pn结的单向导电性性，击穿电压用pn结的光生伏特效效应，可制成光电池。p-n结的应用：：做整流、开关关用。加反向偏压压时，pn结的伏安特特性曲线如如左图。可制成晶体二极管管（diode），半导体发光二极管

1、发光二极管定义和应用根据应用划划分的超高高亮度发光光二极管市市场LED水下灯饰LED照明的会议议室汽车灯草坪灯LED特点：电压低，小小于5伏；响响应时时间短，几几十nS；寿命长，几几万小时以以上;耗能低；无污染LED应用：背光源、大屏幕显显示、灯灯具、防防伪、生生物、医医学白光LED流明效率率达到150流明/瓦（lm/W）流明效率率已经超超过日光光灯（80lm/W)在电流作作用下，，n型层的电电子和p型层的空空穴发生生扩散，，电子和和空穴复复合发光光。

2、LED发光原理可见光波波长：380nm～770nm(700nm),发光二极极管波长长：紫:380-410nm;蓝:430-480nm;绿:510-550nm;黄:570-600nm;红:620-700nm发光波长长由光子子能量决决定,光子能量量一般由由禁带宽宽度决定定光子能量量:E=hυυ：频率，，h：普朗克克常数（4.14×10-15eV·s）发光波长长:λ=c/υ=hc/E=1240/E（nm）禁带宽度度2.0eV,发光波长长：620nm白光LED发光原理1:蓝光芯片片激发黄黄光荧光光粉:成本低,应用最广广2:紫光或紫紫外光芯芯片激发发蓝,黄,红荧光粉粉芯片发光光效率不不高3:红,绿,蓝芯片组组合成本高,高档场所所应用注入的电电子和空空穴数目目；非辐射复复合中心心的数目目；辐射复合合几率；；出光效率率

3、决定LED强度因素hvnp获得较高高载流子子浓度的的p型和n型材材料料；；减少少缺缺陷陷和和杂杂质质浓浓度度；；提高高电电子子和和空空穴穴的的复复合合几几率率；；提高高出出光光效效率率。。

4、提高LED性能途径提高高复复合合几几率率（（內量量子子效效率率）:量子子阱阱结结构构提高高出出光光效效率率(1)发光光波波长长（（λ）；；一一般般用用nm表示示。。(2)正向向电电压压:20mA时所所用用电电压压；；一一般般用用Vf。(3)输出出光光功功率率:20mA时的的输输出出光光功功率率，，用用mW，W表示示。。20mA时的的输输出出光光功功率率，，单单位位：：坎坎德德拉拉，，cd；mcd；照明明光光源源：：流流明明/瓦；；lm/W；白炽灯（25lm/W）；日光光灯（80lm/W）(4)反向漏电流流：反向5伏或10伏时的反向向电流。

5、LED的电流电压特性和性能参数外延片生长芯片制备封装n型电极p型电极

6、LED制备流程（1）外延片生生长：金属有机气气相沉积metalorgannicchemicalvapordeposition（MOCVD）生长参数：：温度、气压压、原材料料、流量、掺掺杂剂剂量热电偶尾气管GaN-MOCVD反应室管有机源

NH3光学探头冷却水尾气管(CH3)3Ga+NH3GaN+3CH4H2LED外延片结构构：同质结结、异质结结、双异质质结、量量子阱、量量子点发光二极管管材料的选选择：1.带隙宽度合合适2.有合适的衬衬底材料3.可获得高电电导率n型和p型材料4.载流子复合合几率大,可获得异质质结或量子阱阱结构蓝宝石缓冲层未掺杂GaNn-GaN:SiP-AlGaN:MgBarrierGaNWellInGaNP-GaN:Mg金属电极n-AlGaN:Si金属电极量子阱（2）芯片制备备：光刻刻蚀镀膜光刻、刻蚀合金镀膜镀膜光刻、刻蚀合金光刻、刻蚀外延片工序：光刻、刻蚀蚀、镀膜、、合金、划划片（切割割）、裂片片、分选设备：光刻机、刻刻蚀机、电电子束蒸发发台（镀膜膜机）、合合金炉、磨磨片机、划划片机、裂裂片机、芯片分选设设备制备环节多多，各环节节的稳定性性，成品率率对于规模模化生产极为重要要。增加外量子子效率：厚厚的窗口层层及透明基基板表面编织改变芯片几几何形状采用光子晶晶体技术（3）、LED封装：工序：装架架、键合合、封装、、等国内绝大数数公司从事事LED封装和应用用产品生产产外延片生长长和芯片制制备产业薄薄弱△§4.5半导体器件件p-n结的适当组组合可以作作成具有放放大作用的的晶体三极管（trasistor）和其他一些些半导体器器件。集成电路大规模集成成电路超大规模集集成电路晶体管（1947）（1962）（80年代）103105甚大规模集集成电路巨大规模集集成电路107109（70年代）（90年代）（现在）晶体管的发发明1947年12月23日，美国贝贝尔实验室室的半导体体小组做出出世界上第第一只具有有放大作用用的点接触型型晶体三极极管。1956年小组的的三位成成员获诺诺贝尔物物理奖。。巴丁J.Bardeen布拉顿W.H.Brattain肖克利W.Shockley每一个集集成块（（图中一一个长方方形部分分）约为为手指甲甲大小，，它有300多万个三三极管。。INMOST900微处理器器同质结激激光器—由同种材材料制成成的p-n结半导体激激光器分分两类：：异质结激激光器—由两种不不同材料料制成的的p-I-n§4.6半导体激激光器（补充））半导体激激光器是是光纤通通讯中的的重要光光源，在在创建信信息高速速公路的的工程中中起着极极重要的的作用。。（重掺杂杂）结（I为本征半半导体））重掺杂pn满带空带pn满带空带普通掺杂杂1.同质结激激光器加正向偏偏压V粒子数反反转。

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)电子空穴穴复合发发光，由自发辐辐射引起起受激辐射射。.解理面p-n结p-n结它的两个个端面就就相当于两个个反射镜镜，光振荡并利于选频。．的反射系系数，激励能源源就是外接电源（电电泵）。。使电子空空穴的复复合不断断进行，，维持激激光的输输出。p-n结本身就就形成一个光学谐振振腔，它提供正正向电流流，适当镀膜膜达到所所要求可形成解理面p-n结核心部分分：p型GaAsn型GaAs典型尺寸寸（m）：长L=250-500宽W=5-10厚d=0.1-0.2GaAs同质结半半导体激激光器2.异质结激光光器作为概念念上的过过渡，先先介绍同同质p-I-n结。同质结的的缺点是是需要重重掺杂，，且光损损耗大。。加正向偏偏压实现现粒子数数反转。。需要电压压较高。。导带禁带价带pInpIn-------++++++E内U0导带禁带价带三块半导导体紧密接触触，形成成p-I-n结Inp（本征））+-pInE内E外异质p-I-n结激光器器：Ga1-xAlxAsGaAsGa1-xAlxAs加正向偏压后后，很容易实现粒粒子数反转。。GaAs和GaAlAs,晶格常数基本本相同，禁带带宽度不同，，折射率不同同紧密接触,形成p-I-n结导带禁带价带pIn导带禁带价带U0InppIn-------++++++E内+-pInE内E外（2）GaAs的折射率比两两侧高5%，可形成全实际使用的都都是异质结激光器器。异质结激光器器的优点：（1）无须重掺杂杂；（3）阈值电流密密度低，可在在室温下连续续工作。反射射，，把把激激光光束束限限制制在在激激活活区区内内；；半导导体体激激光光器器的的特特点点：：功率率可可达达102mW效率率高高制造造方方便便成本本低低所需需电电压压低低（（对对GaAs只需需1.5V）体积积小小极易易与与光光纤纤接接合合电能能直直接接变变成成光光能能寿命命长长可达达百百万万小小时时用于于激激光光通通讯讯、、信信息息储储存存、、处处理理和和显显示示器器件件、、测测距距、、制制导导、、夜夜视视等等。。9、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。12月-2212月-22Thursday,December22,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。18:39:5318:39:5318:3912/22/20226:39:53PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。12月月-2218:39:5318:39Dec-2222-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。18:39:5318:39:5318:39Thursday,December22,202213、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。12月-2212月-2218:39:5318:39:53December22,202214、他乡生生白发，，旧国见见青山。。。22十十二月20226:39:53下午午18:39:5312月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月226:39下下午12月-2218:39December22,202216、行动出成成果，工作作出财富。。。2022/12/2218:39:5318:39:5322December202217、做前，能够够环视四周；；做时，你只只能或者最好好沿着以脚为为起点的射线线向前。。6:39:53下午6:39下下午18:39:5312月-229、没有失败，，只有暂时停停止成功！。。12月-2212月-22Thursday,December22,202210、很多多事情情努力力了未未必有有结果果，但但是不不努力力却什什么改改变也也没有有。。。18:39:5318:39:5318:3912/22/20226:39:53PM11、成功功就是是日复复一日日那一一点点点小小小努力力的积积累。。。12月月-2218:39:5318:39Dec-2222-Dec-2212、世间间成事事，不不求其其绝对对圆满满，留留一份份不足足，可可得无无限完完美。。。18:39:5318:39:53