大学物理m固体中的电子7课件

第三章固体中的电子(ElectronsinSolids)主要内容：固体的能带结构半导体1§3.1固体的能带(EnergyBandsinSolids)晶体准晶体非晶体固体晶体结构＝点阵＋基元⒈能带的由来2晶体结构＝点阵＋基元X射线衍射极大的方向，对应于X射线在一组晶面上反射后干涉相长的方向：对实验结果的解释：晶面d晶面间距掠射角——布拉格(W.L.Bragg)公式XRDof[001]texturedPMN–32PT3周期性势场和电子的共有化例：价电子在Na+的电场中的势能特点一维晶体点阵形成的周期性势能函数曲线EPr+++++rE+dE电子能量E低，穿过势垒概率小，共有化程度低电子能量E高，穿过势垒概率大，共有化程度高5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——分裂为两条6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，称为能带（energyband）7原子间的相互作用原子能级分裂成能带e.g.1s2s2p9⒉电子对能带的填充——服从泡利不相容原理和能量最低原理.⑴满带(filledband)——所有量子态都被电子占据的能带.⑵空带(emptyband)——所有量子态都没有被电子占据的能带.⑶价带(valenceband)——由原子中价电子能级分裂成的能带.价带可能是满带(例如金刚石)，也可能不是满带(例如碱金属).10能带理论指出：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；位于满带上方的空带，在外界(光、热等)激发下，会有电子跃入，也称为导带.⑷导带(conductionband)——具有能导电的电子的最高能带.⑸禁带(forbiddenband)——两相邻能带间，不能被电子占据的能量范围.11⒊能带论对固体导电性的解释导体——电阻率<10–8m半导体——10–8m<<108m绝缘体——>108m能带论的解释：⑴导体中，或是价带未被填满，或是价带与上方的空带交叠

价电子都能参与导电

导体有良好的导电性能131.导体、绝缘体、半导体Na，K，CuMg、Be、Zn14

⑵半导体中，价带已满，但上面的禁带宽度较小(~1eV)，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。但导电电子数密度(~1016/m3)远小于导体中的值(~1028/m3)导电性能不及导体。15⑶绝缘体中，价带已满，且上面的禁带宽度较大(～5eV)。在常温下只有极少数电子能从价带跃入上方的空带

导电电子数密度极小

导电性能很差。171.导体、绝缘体、半导体Na，K，CuMg、Be、Zn18§3.2半导体(Semiconductors)⒈两种导电机制在常温下，有部分价电子从满带跃入上方的空带，从而在满带中留下一些空的量子态——空穴(hole).跃入空带中的电子可参与导电——电子导电；留在满带中的空穴也可参与导电，可用“带正电的空穴”的运动来描绘——空穴导电.纯净(本征)半导体：导带中的电子数等于满带中的空穴数.19⒉杂质的影响杂质半导体(extrinsicsemiconductors)分为两类:⑴电子型(N型)半导体——掺有施主杂质，以电子为多数载流子的半导体.(N——negative)施主(donor)杂质：进入晶格，与周围基质原子形成晶体原有的电子结构后，尚有多余价电子.e.g.在四价元素半导体(Si,Ge)中掺入五价杂质(P,As)——施主杂质.21掺入施主杂质后,在价带上面的禁带中靠近导带(E~10-2eV)处,出现杂质能级——施主能级.常温下E价带导带低温下施主能级22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数很少导带中的电子数远多于价带中的空穴数在N型半导体中，电子是多数载流子(majoritycarrier，简称多子)，而空穴是少数载流子(minoritycarrier，简称少子).23常温下E价带导带低温下受主能级常温下，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

价带中的空穴数远多于导带中的电子数

在P型半导体中，空穴是多子，电子是少子.253.1半导体的掺杂性—Si为例+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体n型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+4+4+4p型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+4+4+4AsV族：N、P、As、Sb、BiB

III族：B、Al、Ga、In、TlEg

导带

满带

EEA受主能级

空穴浓度增加；空穴多子，电子少子

Eg

电子空穴对浓度小热激发：电子空穴对

导带

满带

E导带

EED施主能级

电子浓度增加；电子多子（热激发+掺杂）空穴（热激发）少子Eg

满带

掺杂可以提高半导体的导电性能——室温本征硅电阻率2.3×105Ω·cm，掺入10–6砷，电阻率变为0.2Ω·cm26⒊外场的影响⑴热激发温度跃迁电子数载流子数电阻.应用：热敏电阻器(thermistor).金属RT半导体o27⑵光激发光照跃迁电子数载流子数电阻.——光电导现象应用：光敏电阻器(photoresistor).293.3半导体的光敏性光电导现象：当受到光照时，其导电能力增强。施主能级导带满带hvn型半导体导带满带受主能级hvp型半导体光激发的自由载流子。光生载流子内光电效应光生载流子越多，物体导电能力越强，并且载流子没有逸出体外的光电导现象。导带满带hv本征半导体hv≥Eg利用半导体的光电效应制成的电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器

。光敏电阻其他应用：光敏二极管、光敏三极管、光敏电池等光敏电阻光敏二极管30⒋PN结(PNjunction)——P型半导体与N型半导体的交界区.PN+++PN在交界区,因载流子扩散而形成电偶层——阻挡层

(厚度约1m,场强约106~108V/m).PN结的特性：单向导电性.PN结的应用：整流(rectification).314.1pn结—形成pn接触前接触扩散电流U0内建电场阻挡层：U0势垒区—阻碍n区电子进入p区，同时阻碍p区空穴进入n区。动态平衡pn+-U0总电流=0扩散电流漂移电流空间电荷区接触前接触后能带324.2pn结—单向导电性未加偏压正向偏压反向偏压正向偏压：内建电场与外加电压反向；势垒高度降低；阻挡层减薄；多子扩散电流增大，少子漂移电流减小，形成p流向n的正向电流。反向偏压：内建电场与外加电压同向；势垒高度升高；阻挡层增厚；多子扩散困难，扩散电流减小；少子漂移电流增大，可能形成小的反向电流（n到p）。正向偏压：低电阻性，PN结导通反向偏压：高电阻性，PN结截止PN结具有单向导电性+-+334.3pn结—伏安特性曲线正向偏压：低电阻性，PN结导通反向偏压：高电阻性，PN结截止PN结具有单向导电性+PN结具有整流效应A点：外加正向电压小于开启电压（阈值电压）时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结处于截止状态。B点：外加正向电压大于开启电压（阈值电压），PN结处于导通状态，电流随着外加电压增大而增大。C点：外加反向电压时，PN结处于截止状态。1、温升使反向电流增加很快（本征激发，少子浓度增大）；2、反向电流很小且稳定（少子浓度一定）。D点：反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。原因为电击穿。1、强外电场破坏键结构；2、获得大能量的載流子碰撞原子产生新的电子空穴对。如无限流措施，会造成热击穿而损坏。IVABCDPN结伏安特性曲线34⒈固体的能带⑴能带的由来⒉半导体⑴两种导电机制⑵杂质半导体N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⑶能带论对固体导电性的解释⑵满带,空带,价带,导带,禁带Chap.3SUMMARY35⑶外场(热、光)对导电性的影响⑷PN结36⒈本征半导体中参与导电的载流子是电子与空穴，N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是.答案：电子与空穴电子与空穴EXERCISES37⒉在4价元素半导体中掺