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1、1,固体能带结构简介,前 言,固体的能带,导体和绝缘体,半导体的导电机构,- 结,半导体的其他特性和应用,回篇首,回主页,结 束,2,根据固体的结构, 固体材料分为晶体和非晶 体 (1984年发现了准晶体),固体是由大量分子、原子或离子组成。而大量分子、原子或离子有规则排列的方式称为固体的点阵结构(晶体点阵)。,理想晶体中原子排列是有规则的,具有周期性。长程有序。,非晶体结构不规则,是短程有序。,前 言,3,二十世纪初,特鲁德和洛仑兹建立的经典的金属的自由电子论,能说明金属的导电性,和导热性质,但对有些材料是导体,有些是绝缘体,有些是半导体不能解释。,量子理论出现使人们能正确和深入描述晶体内部
2、的微观粒子运动。,能带理论是研究固体中电子运动的一个 主要理论,同时,由于近代物理的发展,对固体的认识更深入。,年劳厄首先用射线对晶体结构进行研究。,4,二十世纪三十年代,人们作了大量关于晶体中电子能量状态、电子运动规律及晶体中原子的热运动和热缺陷的研究工作。逐渐建立了固体电子能带理论。,固体的能带理论提出了导电的微观机理,指出了导体和绝缘体的区别,同时也指出有一类固体叫做半导体,其导电性介于导体和绝绝缘体之间。,如:爱因斯坦的量子化概念研究晶格振动 在特鲁德和洛仑兹的金属的自由电子论基础上,索末菲发展的固体量子论,费米发展的统计理论。,5,一. 电子共有化,在固体中,相邻原子排列紧密,电子不
3、再束缚于一定的原子,电子将可以在整个固体中运动,称为电子的共有化。,电子受到周期性势场的作用.,19-1 固体的能带,6,解定态薛定格方程(略),可以得出两点重要结论:,()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,一般不是 共有化电子.,7,二. 能带,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。,固体中的电子能级有什么特点?,8,能带的宽度记作E ,数量级为 E eV,若
4、N1023,则能带中两能级的间距约 10-23eV.,一般规律:,()越是外层电子,能带越宽.,()点阵间距越小,能带越宽,( 3 ) 两个能带有可能重叠.,9,10,三. 能带中电子的填充,固体中的一个电子只能处在某个能带中的 某一能级上,填充原则:,()服从泡里不相容原理(费米子),()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 2(2l+1) 个电子,11,电子排布时,应从最低的能级排起。,有关能带被占据情况的几个名词:,1满带(排满电子),2价带(排满一部分电子)亦称导带,3空带(未排电
5、子)亦称导带,4禁带(不能排电子),2、能带,最多容纳 6个电子,例如,1、能带,最多容纳 2个电子,12,单个原子,N个原子,满带,导带,空带,禁带,禁带,13,19-2 导体和绝缘体,它们的导电性能不同, 是因为它们的能带结构不同。,固体按导电性能的高低可以分为,14,导体,导体,导体,半导体,绝缘体,Eg,Eg,Eg,导 体,绝缘体,15,导体:在外电场的作用下,大量共有化电子很 易获得能量,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,16,从能级图上来看,是因为满带与空带之间有一 个较宽的禁带(Eg:约36 eV),共有化电子 很难从低能
6、级(满带)跃迁到高能级(空带) 上去,绝缘体: 在外电场的作用下,共有化电子很难接 受外电场的能量,所以形不成电流。,半导体;的能带结构: 满带与空带之间也是禁带, 但是禁带很窄.(Eg:约0.12 eV ).,上一页,17,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。,18,19-3 半导体的导电机构,一. 本征半导体,本征半导体是指纯净的半导体.,本征半导体的导电性能在导体与绝缘体 之间,介绍两个概念:,(1)电子导电半导体的载流子是电子,(2)空穴导电半导体的载流子是空穴,满带上的一个电子跃迁到空带
7、后,满带中出现 一个空位.,19,例. 半导体,20,这相当于产生了一个带正电的粒子, 称为“空穴”。,1.除了电荷符号外,空穴和电子有完全相同 的性质。,2.电子和空穴总是成对出现的。,21,空带,满带,在外电场作用下, 空穴下面能级上 的电子可以跃迁 到空穴上来, 这相当于空穴 向下跃迁.,满带上带正电的 空穴向下跃迁也 是形成电流, 这称为空穴导电.,22,解,上例中,半导体CdS激发电子, 光波的波长至少多短?,23,二. 杂质半导体,. n型半导体,四价的本征半导体 Si、Ge等,掺入少量五价的杂质元素(如P、As等)形成电子型半导体, 称 n 型半导体,量子力学表明,这种掺杂后多余
8、的电子的 能级在禁带中紧靠空带处, ED10-2eV, 极易形成电子导电, 该能级称为施主能级,24,n 型半导体,在n型半导体中: 电子多数载流子,空 带,施主能级,ED,空穴少数载流子,25,.型半导体,四价的本征半导体Si、e等,掺入少量 三价的杂质元素(如、Ga、n等) 形成空穴型半导体,称 p 型半导体,量子力学表明,这种掺杂后多余的空穴的 能级在禁带中紧靠满带处,ED10-2eV, 极易产生空穴导电, 该能级称受主能级,26,空 带,Ea,受主能级,P型半导体,在p型半导体中 空穴多数载流子,电子少数载流子,27,3. n型化合物半导体,例如,化合物GaAs中掺,六价的Te 替代五
9、价的As可形成施主能级,成为n型 GaAs杂质半导体,4.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,28,三. 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ndna为n型(施主),若ndna为p型(受主),利用杂质的补偿作用, 我们可以制成P-结,29,19- 4 -结,一.-结的形成,在一块 n 型半导体基片的左半边掺入 较高浓度的受主杂质,由于杂质的 补偿作用,左边区就成为型半导体,由于区的电子向区扩散,区的 空穴向区扩散,在P型半导体和 型半导体的
10、交界面附近产生了一个电 场,称为内建场。,30,内建场大到一定 程度,不再有净电 荷的流动,达到 了新的平衡,在型 n型交界面 附近形成的这种特 殊结构称为P-N结, 约0.1m厚,P-N结,n型,p型,内建场阻止电子 和空穴进一步扩 散,记作 ,31,P-N结处存在电势差Uo,也阻止右边 N区 带负电的电子进 一步向左扩散,它阻止左边 P区 带正电的空穴进 一步向右扩散;,32,考虑到P-结的存在,半导体中电子 的能量应考虑进这内建场带来的电子 附加势能.,电子的能带 出现弯曲现象,33,P-N结,34,二 . -结的单向导电性,. 正向偏压,在-结 的p型区接 电源正极, 叫正向偏压.,阻
11、挡层势垒被削弱、变窄,有利于空穴 向N区运动,电子向P区运动, 形成正向电流(m级),35,外加正向电压越大, 正向电流也越大, 而且是呈非线性的 伏安特性.,36,. 反向偏压,在-结的型区接电源负极, 叫反向偏压.,阻挡层势垒增大、变宽,不利于空穴向区运动,也不利于电子向P区运动,没有正向电流.,37,但是,由于少数载流子的存在,会形成很弱的反向电流,,当外电场很强,反向电压超过某一数值后, 反向电流会急剧增大-反向击穿,称为漏电流 (级).,38,利用P-N结 可以作成具有整流、开关等 作用的晶体二极管。,39,19 - 半导体的其他特性和应用,热敏电阻,光敏电阻,温差电偶,P-N结的适
12、当组合可以作成具有放大作用的晶体三极管,以及其他一些晶体管.,集成电路,40,1947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.,41,后来,晶体管又从点接触型发展到面接触型,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。,42,作成集成电路,大规模集成电路,超大规模集成电路,下图为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,43,44,半导体激光器,半导体激光器是光纤通讯中的重
13、要光源,在创建信息高速公路的 工程中起着极重要的作用。,最简单的GaAs同质结半导体激光器,核心部分是 p型 GaAs 和 n型 GaAs 构成的 P-N结 (通过掺杂补偿工艺制得),45,典型尺寸:,长 L = 250500 m 宽 = 510 m 厚 d = 0.10.2 m,它的激励能源 是外加电压 (电泵)在正向 偏压下工作.,46,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-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,47,半导体激光器,功率可达 102 W,效率高,制造方便,成本低,所需电压低(只需1.5V),体积小,极易与光纤接合,结 束,
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