固体的能带结构课件.ppt

1、第十七章第十七章 固体能带结固体能带结构构 首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出2食盐、云母、金刚石食盐、云母、金刚石玻璃、松香、沥青玻璃、松香、沥青Ti-NiV 急冷合金中发现的五次对称现象急冷合金中发现的五次对称现象AIMn 准晶体准晶体本节教材中的固体即指晶体本节教材中的固体即指晶体首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出3晶体的结构和分类晶体的结构和分类2、晶体的分类、晶体的分类按照结合力的性质晶体可分为四类按照结合力的性质晶体可分为四类首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出4（1）离子晶体）离子晶体以离子间的库仑力为结合力

2、，如以离子间的库仑力为结合力，如NaCl（2）共价晶体）共价晶体以共价鍵为结合力，如以共价鍵为结合力，如H2（3）分子晶体）分子晶体以范德瓦耳斯鍵（无极分子相互接近时以范德瓦耳斯鍵（无极分子相互接近时诱发的瞬时电偶极矩）为结合力，如大部诱发的瞬时电偶极矩）为结合力，如大部分有机物分有机物（4）金属晶体）金属晶体以共有化价电子与离子实间的库仑力为以共有化价电子与离子实间的库仑力为结合力结合力首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出5首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出6第十六章中所讲的能级分布是单电子能级分布，各能级是互不重叠的。+rU单原子单原子势场势场双原子双原子势场势场首首 页

3、页 上上 页页 下下 页页退退 出出7多原子多原子势场势场（3）能量高于势垒高度的电子）能量高于势垒高度的电子(如为如为E2）可在晶）可在晶体内自由运动体内自由运动那些高于势垒高于势垒和能进行E1E2首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出81、能级的分裂、能级的分裂 但是，当原先是各自孤立的原子结合成分子时，使得各原子的能级也出现不同程度的交叠，结果会使得原子中原先的各个能级发生不同程度的分裂。 对于一个孤立的原子，其能量主要的取决于主量子数n和角子数，并形成一系列分立的能级，每一能级上有 个量子态(n,给定），每一个量子态上只能有一个电子占据，。例如n=1.=0的1s能级上可以有两个自

4、旋量子态不同的电子占据。122l首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出9 例如，两个氧原子结合成分子前，每个氧原子的s态上都有 个自旋态相反的电子，当它们结合成分子后，在s态上就会有个电子，而电子的自旋态只有 这两态，为了不违背泡利原理，这时氧分子上的s态就会分裂成个子能级，而每个子能级上仍可分布两个自旋态不同的电子。2121和/1sE/1sE/2sE/2sEs1s2 量子力学计算表明，原子结合成分子时，内能级分裂后的子能级间距较小，外能级分裂后的子能级间距较大。 由个原子组成固体时，原先的一个单原子能级分裂成个子能级。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出10、能带的形成、能带的

5、形成 计算表明，当原子结合成固体时，原先的一个能级分裂成个子能级，其最高子能级与最低子能级的能量间隔一般在几个eV的数量级，且与的增减无显著关系。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出11 结论： 一个孤立的原子的能量分布是一系列由量子数n,l决定的分立的能级。 当个原子结合成固体时，整个固体的能量分布则是一系列的由量子数n,l决定的能量连续分布的能带。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出12离子间距离子间距能带重叠示意图能带重叠示意图2P2S1SarEo首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出13、许可带，禁带及能带中电子的分布、许可带，禁带及能带中电子的分布 当原子结合成

6、固体时，原子中各孤立能级就分别分裂成有一定宽度的能带，这样的能带即称这为许可带。许可带的宽度约为几个eV. 在各许可带之间所存在的无电子的能量区间就是禁带。禁带的宽度也约为几个eV. 虽然在各许可带中电子的能量近于可连续取值，但其允许容纳的电子数仍然受量子力学规律的支配，即当n,l给定后，在该能带上能容纳的电子数依然为N倍的122l首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出14首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出15d首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出162、电子在能带中的填充运动、电子在能带中的填充运动 （1）满带中，由于所有量子态完全被电子所占据，无论是热运动还是在外场

7、中的运动，电子向各个方向运动的几率都相同，故不能形成电流。 在通常情况下，满带中的电子是不可能通过吸收外场能量而进入空带的。因为禁带的宽度约为几个电子伏特，而晶体中电子的平均自由程约为10-8m，计算表明，要想在这么短的路程上通过外场加速的方法获得几个电子伏特的能量，外场必须达到108 ，而外场通常没有这样高。mV首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出17 （2）导带中的电子通常处于该能带中能量较低的子能级上，在没有外电场时，电子向各个方向运动的几率相同，没有电流。当加上外电场时，每个电子都获得动量增量P而离开原来占据的低能态进入较高的能态（子能级）上，即进入到本能带中原来未被填满的较高

8、的子能级上。而且这种转移不一定有反向电子的移动来抵消，于是在导带中就会出现一个定向的几率流密度，从宏观看就是电流。即导带中的电子是参与导电的，故谓之导带。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出18首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出19*价带的概念：价带的概念： 即由价电子能级分裂而成的能带。价带可以是满带，也可以是导带。1，绝缘体，绝缘体 价带是满带的固体，且与最邻近的空带间的能级差很大，即为绝缘体禁带禁带 Eg满价带空带绝缘体绝缘体首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出202，半导体，半导体 价带也是满带。但其与最低空带间的禁带宽度Eg较窄，一般只有0.1eV。因此用不

9、大的激发能，如热运动，光照，或不大的外场，就能将满价带中的电子激发到最邻近的空带上去。3，导体，导体凡价带为导带的固体即为导体。导体的能带结构还有另外两种形式。半导体半导体 Eg满价带空带禁带禁带 Eg导导 体体导带导带导带导带空带满带禁带首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出21首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出22半导体半导体 Eg满价带空带禁带禁带E-+满带满带空 带Eg=2.42eVh 受激后，满带中的电子跃迁到空带上，若再加上外场：首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出23首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出24 在本征半导体中，电子和空 在本征半导体中

10、，以扩散的方式掺入微量其它元素的原子，这样的半导体称为杂质半导体。例如，在半导体锗（Ge）中掺入百万分之一的砷（As），它的导电率将提高数万倍。 杂质半导体，由于所掺杂质的类型不同，又可分为P型半导体和N型半导体。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出25施主能级的形成施主能级的形成 常用作参杂的半导体基体多为常用作参杂的半导体基体多为首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出26 计算表明，此时的杂质即称为施主杂质施主杂质。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出27首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出28两点说明：两点说明： 第一，施主杂质中多余的价电子，当其处于施主能

11、级上时是不参与导电的。只是在其受激（不论何种原因）后迁入导带后才能参与导电。 第二，在N型半导体中，除了跃入导带中的施主杂质中的多余价电子外，还有基体半导体中的电子空穴对，即还有本征载流子。但这时导带中的电子主要是来自施主杂质中的价电子。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出29受主能级的形成受主能级的形成 在此时的杂质即称为受主杂质受主杂质。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出30首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出31两点说明：两点说明： （1）受主能级中的空穴并不参与导电，参与导电的是：满价能带中电子跃迁到受主能级后遗留下的空穴。 （2）同样，在P型半电体中也有两种

12、载流子，但主要是空穴载流子。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出32 如果把P型 半导体和N型 半导体相接触，那么在接触的边界区就会形成一种特殊电结构，即PN结。 由于P型半导体中空穴载流子的浓度远大于电子载流子，而N型半导体中电子载流子的浓度远大于空穴载流子，因此当它们相接触时，在接触边界两边的载流子的浓度差就特别大。 首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出33阻阻E阻E 在PN结中有一个由N指向P的附加电场，称为内建场，又称阻挡层。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出340eU 首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出35 P型 一侧电势较低，这样在P型 导带中的

13、电子要比在N型 导带中的电子的电势能较高，其能量的差值即为eU0.0eU 于是在PN结的能带就发生了弯曲。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出36E阻阻E阻E首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出37外加正向电压越大，外加正向电压越大，正向电流也越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的而且是呈非线性的伏安特性伏安特性.V（伏）（伏）（毫安）（毫安）正向正向00.21.0首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出38E阻阻E阻E首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出39 PN结正向导通，反向 截止，这种特性即称之为PN结的单向导电性。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出

14、出40利用利用P-N结结 可以作成具有整流、开关等作用的晶可以作成具有整流、开关等作用的晶体二极管体二极管。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出41首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出42 1947年年12月月23日，美国贝尔实验室的半导日，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。点接触型晶体三极管。固定针固定针B探针探针固定针固定针AGe晶片晶片1956年小组的巴丁等三位成员年小组的巴丁等三位成员获诺贝尔物理奖获诺贝尔物理奖.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出43首首 页页 上上 页页 下下

15、 页页退退 出出44首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出45首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出46例1、n型半导体中杂质原子形成的局部能级（也称施主能级），在能带结构中应处于（A）滿带中；（B）导带中；（C）禁带中，但接近滿带顶；（D）禁带中，但接近导带底。该该选（D）首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出47例2、下列说法中，正确的是：（A）本征半导体是电子与空穴两种载流子同时参与导电，而杂质半导体（n型或p型）只有一种载流子（电子或空穴）参与导电，所以本征半导体导电性能比杂质半导体好；（B）n型半导体的导电性能优于p型半导体，因为n型半导体是负电子导电，p型半导体是

16、正离子导电；（C） n型半导体中杂质原子所形成的局部能级靠近空带（导带）的底部，使局部能级中多余的电子容易被激发跃迁到空带中去，大大提高了半导体导电性能；（D） p型半导体的导电机构完全决定于滿带中空穴的运动。答案C首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出48例3、纯净锗吸收辐射的最大波长为1.9m,锗的禁带宽度为hchvE6834109 . 11031063. 6eVJ65. 01005. 119首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出49例4、试根据固体能带理论，说明金属导体为何具有良好的导电性能？ 答：先复习几个概念：答：先复习几个概念： 价带：即由价电子能级分裂而成的能带。从能量价带：即由价电子能级分裂而成的能带。从能量最低原理来看，价带是所有已填充的许可带中能量最最低原理来看，价带是所有已填充的许可带中能量最低的能带。低的能带。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出50因此，在外电场作用下，未满能带中能量较高的电子不需要越过禁带就很容易受到加速增加动能跃迁到能量较大的空能级，从而参与导电，形成导体中的电子电流。所以，导体具有良好的电子导电性。凡价带为导带的固体即为导体。根据固体能带理论，导体中的价带或是导带（即未被电子填满），或是满带与空带重叠，或是未满的价带又与空带重叠。