北京大学物理学院-第3章-原子和分子3

第四节

半导体1电子计算机的诞生●

1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克来发明了晶体管，标志着信息时代的开始●

1962年发明了集成电路●

70年代后期出现了大规模集成电路●

192526年建立了量子力学●

1926年建立了费米狄拉克统计●

1927年建立了布洛赫波的理论●

1928年索末菲提出能带的猜想●

1929年派尔斯提出禁带、空穴的概念同年贝特提出了费米面的概念●

1957年皮帕得测量了第一个费米面2超晶格材料纳米材料光子晶体晶体管的发明大规模集成电路电子计算机信息技术与工程●几乎所有的重大新(高)技术领域的创立，事先都在物理学中经过长期的酝酿。●

当今物理学和科学技术的关系两种模式并存，相互交叉，相互促进“没有昨日的基础科学就没有今日的技术革命”。

——李政道量子力学能带理论人工设计材料3固体分为晶体和非晶体两大类。本节主要介绍晶体的能带结构。晶体宏观上具有对称的几何外形，微观上原子或离子呈现在空间有规则的周期性的排列。晶体的性质与这种内在的周期性有关。1.电子共有化一、固体的能带电子的能量是量子化的；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，不是共有化电子。a晶体中周期性的势场晶体中大量原子有规则排列，晶体中形成了如图所示的周期性势场，电子在这种周期性的势场中运动，对于高能级的电子，其能量超过势垒高度，电子可以在整个固体中自由运动。对于能量低于势垒高度的电子，也有一定的贯穿概率。4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级，变成了N条靠得很近的能级，称为能带。2.能带(energyband)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。固体中的电子能级有什么特点？5完全分离的两个氢原子能级两个氢原子靠得很近得能级六个氢原子靠得很近得能级原子的的外层电子因原子间的相互影响较强，能级分裂造成的能量范围大，能级较宽，内层电子则因相互影响较弱而能带较窄。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。6原子的能级和晶体能带的关系晶格常数d=a时能级分裂相应的能带能带重叠示意图73.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。

电子的填充原则：

(１)服从泡利不相容原理

(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(2l+1)个电子。这一能级分裂成由N条能级组成的能带后，能带最多能容纳2N(2l+1)个电子。泡利s能级：2个量子态s能带：2N个量子态p能级：6个量子态p能带：6N个量子态例如电子排布时，应从最低的能级排起。8几个有关能带的名称：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)。⑷导带(conductionband)

具有能导电的电子的最高能带能带理论指出：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，所以也称为导带。⑸禁带(forbiddenband)两相邻能带间，不能被电子占据的能量范围。9•••空带

价带(非满带)禁带Eg导带禁带Eg••••••••••价带(满带)导带E4.固体的导电性固体按导电性能的高低可以分为导体、半导体、绝缘体导体：电阻率在10-8~10-4·m范围内，温度系数为正半导体：电阻率在10-4~108·m范围内，温度系数为负绝缘体：电阻率在108~1020·m范围内，

温度系数为负10二、绝缘体、导体和半导体1、绝缘体导带（空带）满带ΔEg>3eV价带能带的特征：(1)只有满带和空带；(2)满带和空带之间有较宽的禁带，禁带宽度一般大于3eV。由于满带中的电子不参与导电，一般外加电场又不足以将满带中的电子激发到空带，此类晶体导电性极差，称为绝缘体。2、半导体导电能力介于导体与绝缘体之间的晶体称为不同，它的能带结构也只有满带和空带，与绝缘体的能带相似，差别在于禁带宽度不同，半导体的禁带宽度一般较小，在2eV以下。导带（空带）满带ΔEg<2eV价带113、导体导带(非满带)满带价带一价碱金属导带(空带)满带价带二价碱金属空带满带价带导带(非满带)其它金属一价碱金属，价带为不满带；二价碱金属，价带为满带，但满带与空带紧密相接或部分重叠；其它金属的能带，其价带为不满带，且与空带方式重叠。当外电场作用于晶体时，价带中的电子可以进入较高能级，从而可以形成电流，这正是导体具有良好导电性能的原因。12导体:在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，产生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*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是能越过禁带跃迁到上面的空带中的。这时绝缘体与半导体就被击穿变成导体了。13三、半导体的导电机制1、本征半导体纯净无杂质的半导体称为本征半导体，如硅、锗等。由于本征半导体的禁带宽度较小，所以当外场作用于晶体时，少量电子可以由价带进入空带，同时在价带中留下一个空位，称为空穴，它相当于一个带正电的粒子。半导体中的电子和空穴总是成对出现的，称为电子—空穴对。进入空带的电子可以导电，称为电子导电，满带中的空穴也能导电，称为空穴导电。电子和空穴统称为载流子。当满带中出现空穴时，在外电场的作用下，满带中的其它电子将去填充空穴，从而有留下新的空穴。-e+e导带禁带满带14GaAs的扫描隧道显微镜图象满带空带h

Eg=2.42eV例、半导体CdS激发电子的光波波长最大多长？

解

152、杂质半导体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。空穴为少数载流子空带满带施主能级

ED

EgSiSiSiSiSiSiSiP电子为多数载流子N型半导体(电子型)：四价元素Si，Ge，掺五价元素P，Sb，Td五价原子将在代替四价元素的原子，多出的一个价电子只在杂质离子的电场范围内运动。杂质原子称为施主原子，相应的杂质能级称为施主能级。因而N型半导体的导带机构是主要依靠施主能级激发到导带中的电子导电。16空带

Ea满带受主能级SiSiSiSiSiSiSi+B

Eg

空穴——多数载流子电子——少数载流子这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，

Ea～10-2eV,极易产生空穴导电P型半导体(空穴型)：四价元素Si，Ge，掺三价元素B，Al，In三价原子将在晶体中代替四价元素的原子，构成四电子结构时，缺少一个电子，相当于出现了空穴。杂质原子称为受主原子，相应的杂质能级称为受主能级。因而P型半导体的导带机构是主要依靠满带中的空穴导电。17n型化合物半导体例如，化合物GaAs中掺Te(碲)，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。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。3、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结。18四、

pn结1、pn结的形成使p型半导体和n型半导体相接触，或在本征半导体两端各掺入施主杂质和受主杂质，它们交界处的结构称为p-n结。2、pn结的导电规律——单向导电性

pn结两端没有加电压时，半导体中没有电流；UI当pn结两端加上电压时，就有电流通过。当p型接正极，n型结负极，即电压为正向电压时，电流为正，叫做正向电流；而且随着正向电压的增加，正向电流也随之指数上升。若p型结负极，n型结正极，即电压为反向电压，电流为负值，称为反向电流，但是随着反向电压的增加，反向流很快达到饱和。193、pn结的导电机理

p型中，正载流子的浓度大，n型中负载流子的浓度大。电子从n型扩散到p型中，而空穴则从p型扩散到n型中去。在p型和n型之间的界面上，出现了一个电偶层。由于电偶层的存在，在pn结的界面附近就有一由n指向p的电场，它将阻碍空穴和电子的扩散，直到达到动态平衡为止。这时pn结的分界面上就存在一定的电势差。当在pn结两端加上正向电压时，pn结的势垒降低，电子和空穴容易通过势垒，形成电流。当pn结加上反向电压时，pn结之间的势垒增大，电子和空穴难以越过势垒。但仍有少量的电子和空穴越过势垒，形成微弱的电流。由于热激发产生的电子和空穴较少，所以随着外电场的增加，电路中的电流很快就达到饱和。厚度约0.1

m，场强约106~108V/mn型p型20pn结中电场减弱，势垒降低，电子、空穴扩散容易，形成正向宏观电流，并随电压变化。pn结中电场增强，势垒增高，电子、空穴扩散困难，形成很小的反向电流。

pn结中电流和外加电压的关系正向电压反向电压EE2110203010200.40.82030半导体光电检测器pn

结单向导电性pn

结伏安特性曲线U/VI/mA正向反向击穿电压22pn当光照射到pn结附近时，光子会产生电子—空穴对，于是在pn结处偶电层内强电场的作用下，电子将移到n型中，而空穴则移到p型中，从而使pn结的两侧分别带上正负电荷。这样在光的照射下，pn结就相当于一个电池。

这种由光的照射，使pn结产生电动势的现象称为光生伏特现象。利用太阳光照射pn结，产生电能的装置，称为太阳能电池。4、pn结的作用pn结具有单向导电性，可以制成晶体二极管作整流、开关作用的器件5、光生伏特效应23太阳能电池pnU光利用pn结的光伏效应，产生电动势，在外电路的作用下形成电流原理24太阳能电池应用航天器太阳能发电装置太阳能发电站太阳能电话机25五、半导体的其他特性和应用

1.电阻率和温度的关系

2.半导体的光电导现象电阻与温度的关系导体的电阻率随温度的升高而增大。金属半导体的电阻率随温度的升高而急剧地下降。由于半导体中的电子吸收能量后，受激跃迁到导带的数目增多。利用半导体的这种性质可以制成热敏电阻。半导体半导体在光照射下，电子吸收能量后，向导带跃迁。导电能力会增大，这种现象又称为内光电效应。利用半导体的光电导现象可以制成光敏电阻。3.温差电偶4.集成电路：26半导体二极管半导体三极管二极管与三极管

P-N结的适当组合可以作成具有放大作用的晶体三极管(trasistor)，以及其他一些晶体管。271947年12月23日，美国贝尔实验室的半导体小组做出了世界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。1956年小组的巴丁等三位成员获诺贝尔物理奖pnp电信号cbVcbVebRe~后来，晶体管又从点接触型发展到面接触型。

固定针B探针固定针AGe晶片晶体管比真空电子管体积小，重量轻，成本低，可靠性高，寿命长，很快成为第二代电子器件。28作成集成电路大规模集成电路超大规模集成电路INMOS

T900微处理器每一个集成块(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2930第一台晶体管收音机仅包含4只锗晶体管31

半导体激光器长L=250～500

m

宽W=

5～10

m

厚

d=0.1～0.2

m解理面P-N结P-N结典型半导体激光器介质是掺杂GaAs。激光是从p型掺杂和n型掺杂的介质之间发出。外加电场使得电子和空穴都向中间靠近，从而在导带形成相对于价带空穴的粒子数反转。可以产生能量相当于带隙能量的受激发射光子。半导体激光器可以做的非常小，典型尺寸小于1mm。32当正向电压大到一定程度时，在某些特定的能级之间造成粒子数反转的状态，形成电子与空穴复合发光。P-Ｎ结本身就形成一个光学谐振腔，它的两个端面就相当于两个反射镜，形成激光振荡,适当镀膜后可达到所要求的很高的反射系数，并利于选频。．有大量载流子跃迁到较高能量的能级上。由自发辐射引起受激辐射。.33半导体激光的能量转换效率非常高，可以达到80%。光强可以通过改变电压而快速的变化(可以高达1010Hz)，因此在光