1、1,一、 固体的能带结构,1. 电子共有化,21.3半导体,外层电子不再属个别原子所有，而是既绕个别原子运动， 又在晶体中诸原子之间转移。 电子的这种运动称为共有化运动。,固体具有大量分子原子或离子有规则排列的点阵结构。,2,2. 能带(energy band)的形成,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。,3,能带的宽度记作E ，数量级为 EeV。,若N1023,则能带中两能级的间距约10-23eV。,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
2、. 两个能带有可能重叠。,4,离子间距,a,2P,2S,1S,E,0,能带重叠示意图,5,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。,排布原则：,. 服从泡里不相容原理,. 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 (2 +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 +1)个电子。,6,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（能带中一部分能级排满电子） 亦称导带,3空带（未排电子） 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
3、带，最多容纳 2个电子。,(2 +1),7,三导体绝缘体和半导体（conductor Insulatorsemiconductor）,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,8,导体,导体,导体,半导体,绝缘体,Eg,Eg,Eg,9,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,导体,10,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级（满带）跃迁到 高能级（空带）上去。,在外电场的作用下，共有化电子很难接
4、受外电场的能量，所以形不成电流。,的能带结构,满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄（E g 约0.12 eV )。,绝缘体,半导体,11,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。,绝缘体,半导体,导体,12,四、 本征半导体和杂质半导体,1. 本征半导体（semiconductor）,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后, 满带中出现一个空位。,13,例. 半导体 Cd S,这相当于产生了
5、一个带正电的粒子(称为“空穴”),电子和空穴总是成对出现的。,14,空带,满带,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。,在外电场作用下,15,2. 杂质半导体,n型半导体,四价的本征半导体 Si、等，掺入少量五价的杂质（impurity）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（donor）能级。,在纯净的半导体中掺入适当的杂质，也能对半导体 提供载流子。这种含有杂
6、质的半导体称为杂质半导 体。,16,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,17,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（acceptor）能级。,18,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,19,3. n型化合物半导体,例如，化合物GaAs中掺，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
7、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。,20,五、-结及其整流特性,1.-结的形成,在一块 n 型半导体基片的一侧掺入 较高浓度的受主杂质，由于杂质的 补偿作用，该区就成为型半导体。,由于区的电子向区扩散，区的 空穴向区扩散，在型半导体和 型半导体的交界面附近产生了一个电 场,称为内建场。,21,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。,内建场阻止电子 和空穴进一步扩 散，记作 。,22,P-N结处存在电势差
8、Uo。,也阻止 N区 带负电的电子进 一步向P区扩散。,它阻止 P区 带正电的空穴进 一步向N区扩散；,23,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。,24,25,2. -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）。,26,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(图为锗管)。,27,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。,28,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）。,29,利用P-N结可以作成具有整流、开关等 作用的晶体二极管（diode）。,
