《固体的能带结构》PPT课件

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1、 固 体 的 能 带 结 构第 4章 目 录 4.1 固 体 的 能 带 3.2 导 体 和 绝 缘 体 4.3 半 导 体 的 导 电 机 构 4.4 p n 结 4.5 半 导 体 器 件 4.6 半 导 体 激 光 器 （ 补 充 ） 固 体 物 理 既 是 一 门 综 合 性 的 理 论 学 科 又 和固 体 物 理 是 信 息 技 术 的 物 理 基 础1928-29 建 立 能 带 理 论 并 由 实 验 证 实1947 发 明 晶 体 管1962 制 成 集 成 电 路实 际 应 用 紧 密 结 合 （ 材 料 、 激 光 、 半 导 体 ） 1982 80286 13.4万19

2、89 80486 120万1993 pentium 320万1995 pentium MMX 550万1997 pentium2 750万集 成 度 每 10 年 增 加 1000 倍 ！1971 intel 4004 微 处 理 器 芯 片 2300晶 体 管 集 成 度 的 每 一 步 提 高 ， 都 和 表 面 物 理 及 光 刻 没 有 晶 体 管 和 超 大 规 模 集 成 电 路 ， 就 没 有 计现 在 在 一 个 面 积 比 邮 票 还 小 的 芯 片 上 可 以 集其 上 可 以 集 成 10 9个 元 件 ，度 只 有 0.12微 米 。成 一 个 系 统 ，的 研 究 分

3、 不 开 。算 机 的 普 遍 应 用 和 今 天 的 信 息 处 理 技 术 。 沟 道 长 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 1s2s2p3s3p1s2s2p 3s 3p 4.1 固 体 的 能 带 分 裂 为 两 条 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 ，能 带 的 宽 度 记 作

4、E E eV 的 量 级 若 N1023， 则 能 带 中 两 相 邻 能 级 的 间 距称 为 能 带 （ energy band） 。约 为 10 -23eV。 能 级 能 带 N条能 隙 ， 禁 带E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 。 离 子 间 距a 2P2S1SE 0 能 带 重 叠 示 意 图 一 . 电 子 在 周 期 势 场 中 的 运 动 电 子 共 有 化孤 立 原 子 中 电 子 的 势 阱电 子 能 级 +

5、 势 垒 固 体 （ 这 里 指 晶 体 ） 具 有 由 大 量 分 子 、电 子 受 到 周 期 性 势 场 的 作 用 ：a原 子 或 离 子 的 规 则 排 列 而 成 的 点 阵 结 构 。 解 定 态 薛 定 谔 方 程 ， 可 以 得 出 两 点1.电 子 的 能 量 是 量 子 化 的 ；2.电 子 的 运 动 有 隧 道 效 应 。 原 子 的 外 层 电 子 （ 在 高 能 级 ） 势 垒 穿 透 原 子 的 内 层 电 子 与 原 子 核 结 合 较 紧 ， 一 般概 率 较 大 ， 电 子 可 以 在 整 个 固 体 中 运 动 ，称 为 共 有 化 电 子 。重 要 结

6、 论 ：不 是 共 有 化 电 子 。 二 . 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1. 排 布 原 则 ：（ 1） 服 从 泡 里 不 相 容 原 理 （ 费 米 子 ） （ 2） 服 从 能 量 最 小 原 理 对 孤 立 原 子 的 一 个 能 级 Enl ， 它 最 多 能 这 一 能 级 分 裂 成 由 N个 能 级 组 成 的 能 带 ，的 某 一 能 级 上 。容 纳 2 (2l +1)个 电 子 。一 个 能 带 最 多 能 容 纳 2 (2l+1) N 个 电 子 。 2p、 3p能 带 ， 最 多 容 纳 6 个

7、 电 子 。例 如 ， 1s、 2s能 带 ， 最 多 容 纳 2 个 电 子 。每 个 能 带 最 多容 纳 2 个 电 子每 个 能 带 最 多容 纳 6 个 电 子单 个 Mg原 子1s2s2p3s3p 晶 体 Mg（ N个 原 子 ） 电 子 排 布 应 从 最低 的 能 级 排 起 。 满 带 ： 填 满 电 子 的 能 带 。 空 带 ： 没 有 电 子 占 据 的 能 带 。 不 满 带 ： 未 填 满 电 子 的 能 带 。 禁 带 ： 不 能 填 充 电 子 的 能 区 。 价 带 ： 和 价 电 子 能 级 相 应 的 能 带 ，对 半 导 体 ， 价 带 通 常 是 满

8、带 。即 最 高 的 充 有 电 子 的 能 带 。 2. 几 个 概 念 满 带E 不 满 带 禁 带 禁 带 价 带 空 带 不 满 带 或 满 带 以 上 最 低 的 空 带 ，称 为 导 带 。3. 能 带 中 电 子 的 导 电 性满 带 不 导 电 ： 电 子 交 换 能 态 并 不改 变 能 量 状 态 ， 所 以满 带 不 导 电 。 电 子 在 电 场 作 用 下 作 定 向 运 动 ，得 到 附 加 能 量 ， 电 子 能 量 发 生 变 化 。导 带 导 电 ： 导 带 中 电 子 才 能 改 变 能 量 。 导 电 性 ： E p 价 带 (满 带 )空 带 (导 带

9、)不 满 带 (导 带 )EE pmpE 2 2 导 带 导 电 ： 4.2 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 为导 体 m10 8 半 导 体 m1010 74 绝 缘 体 m10 8 一 .导 体 的 能 带 结 构 空 带 导 带E 某 些 一 价金 属 ，如 :Li 满 带 空 带E某 些 二 价 金 属 ，如 :Be, Ca, Mg, Zn, Ba 导 带 空 带E 如 :Na, K, Cu, Al, Ag 导 体 在 外 电 场 的 作 用 下 ， 大

10、量 共 有 化 电 子 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很 易 获 得 能 量 ， 集 体 定 向 流 动 形 成 电 流 。 二 .绝 缘 体 的 能 带 结 构E 空 带 空 带 满 带禁带 Eg=3 6eV 从 能 级 图 来 看 ， 是 因 为 满 带 绝 缘 体 在 外 电 场 的 作 用 下 ， 当 外 电 场 足 够 强 时 ， 共 有 化 电 子 还 是 能 越 过共 有 化 电 子 很 难 从 低 能 级（ 满 带 ） 跃 迁 到 高 能 级 （ 空 带 ） 上 去 。的 能 量 ，

11、 所 以 形 不 成 电 流 。（ Eg ： 3 6 eV） ，与 空 带 间 有 一 个 较 宽 的 禁 带禁 带 跃 迁 到 上 面 的 空 带 中 ， 使 绝 缘 体 被 击 穿 。共 有 化 电 子 很 难 接 受 外 电 场 4.3 半 导 体 的 导 电 机 构一 . 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 。1.本 征 半 导 体 的 能 带 结 构E g=0.12eVE 空 带 （ 导 带 ） 满 带禁 带本 征 半 导 体 所 以 加

12、 热 、 光 照 、 加 电 场都 能 把 电 子 从 满 带 激 到 发空 带 中 去 ， 同 时 在 满 带 中形 成 “ 空 穴 ” （ hole） 。半 导 体 的 禁 带 宽 度 Eg 很 窄 （ 0.1 2eV） ， 例 如 半 导 体 Cd S：满 带空 带h Eg=2.42eV 满 带 上 的 一 个 电子 跃 迁 到 空 带 后 ，满 带 中 出 现 一 个 带正 电 的 空 位 ， 称 为 “ 空 穴 ” 。 电 子 和 空 穴 总 是成 对 出 现 的 。 电 子 和 空 穴 叫 本 征 载 流 子 ， 它 们 形 成 半 导体 的 本 征 导 电 性 。 当 光 照 h

13、 E g 时 ， 可发 生 本 征 吸 收 ， 形 成 本 征 光 电 导 。 2. 两 种 导 电 机 构（ 1） 电 子 导 电 半 导 体 的 主 要 载 流 子 是 电 子解 maxmin hchEg nm514106.142.2 1031063.6 19 834max gEhc【 例 】 要 使 半 导 体 Cd S产 生 本 征 光 电 导 ， 求激 发 电 子 的 光 波 的 波 长 最 大 多 长 ？ 在 外 电 场 作 用下 ， 电 子 可 以 跃迁 到 空 穴 上 来 ，这 相 当 于 空 穴 反向 跃 迁 。 空 穴 跃 迁 也 形成 电 流 ， 这 称为 空 穴 导 电

14、 。 空 带满 带Eg（ 2） 空 穴 导 电 半 导 体 的 主 要 载 流 子 是 空 穴 当 外 电 场 足 够 强 时 ， 共 有 化 电 子 还 是 能 越【 思 考 】 为 什 么 导 体 的 电 阻 随 温 度 升 高 而 升高 ， 而 半 导 体 的 电 阻 却 随 温 度 升 高 而 降 低 ？半 导 体 导 体击 穿过 禁 带 跃 迁 到 上 面 的 空 带 中 ， 使 半 导 体 击 穿 。 二 . 杂 质 （ impurity） 半 导 体1. n型 半 导 体又 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

15、在 禁 带 中 紧 靠 空 带 处 ， ED 10-2eV， 极 易形 成 电 子 导 电 。本 征 半 导 体 Si、 G e等 的 四 个 价 电 子 ， 与 另 四个 原 子 形 成 共 价 结 合 ， 当 掺 入 少 量 五 价 的 杂 质元 素 （ 如 P、 As等 ） 时 ， 就 形 成 了 电 子 型 半 导 体 ， n 型 半 导 体 空 带满 带施 主 能 级 EDEgSi Si Si SiSiSiSi P 这 种 靠 近 空 带 的 附 加 能 级 称 为 施 主 （ donor）能 级 。 如 下 图 示 ： 则 P 原 子 浓 度 1018 cm3np=1 .5 101

16、0 cm 3+ 1018 = 1018 cm3 室 温 下 ： 本 征 激 发 杂 质 激 发导 带 中 电 子 浓 度 nn = 1.5 1010满 带 中 空 穴 浓 度设 Si中 P的 含 量 为 104电 子 是 多 数 载 流 子 ， 空 穴 是 少 数 载 流 子 。在 n型 半 导 体 中 ：电 子 浓 度 nn 施 主 杂 质 浓 度 ndSi 原 子 浓 度 1022 cm3 2. p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 、 G a、 In等 ） 时 ， 就形 成 空 穴 型 半 导 体 ， 又 称 p

17、 型 半 导 体 。 量 子 力 学 表 明 ， 这 种 掺 杂 后 多 余 的 空 穴 能级 在 禁 带 中 紧 靠 满 带 处 ， EA 10 -1eV， 极易 产 生 空 穴 导 电 。 空 带 EA满 带受 主 能 级 P型 半 导 体Si Si Si SiSiSiSi + B Eg 这 种 靠 近 满 带 的 附 加 能 级 称 为 受 主 （ acceptor）能 级 。 如 下 图 示 ： 则 B 原 子 浓 度 1018 cm 3np= 1.5 1010 室 温 下 ： 本 征 激 发 杂 质 激 发导 带 中 电 子 浓 度 nn=1.5 1010cm 3满 带 中 空 穴

18、浓 度设 Si中 B的 含 量 为 10 4 + 1018 = 1018 cm 3空 穴 是 多 数 载 流 子 ， 电 子 是 少 数 载 流 子 。空 穴 浓 度 np 受 主 杂 质 浓 度 na在 p型 半 导 体 中 ：Si 原 子 浓 度 1022 cm 3 3. n型 化 合 物 半 导 体 例 如 ， 化 合 物 G aAs中 掺 Te， 六 价 的 Te替 代五 价 的 As可 形 成 施 主 能 级 ， 成 为 n型 G aAs杂 质半 导 体 。4. p型 化 合 物 半 导 体 例 如 ， 化 合 物 G aAs中 掺 Zn， 二 价 的 Zn替代 三 价 的 G a可

19、 形 成 受 主 能 级 ， 成 为 p型 G aAs杂 质 半 导 体 。 三 . 杂 质 的 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 。 4.4 p -n 结一 . p - n 结 的 形 成 在 n 型 半 导 体 基 片 的 一 侧 掺 入 较 高 浓 度 的面 附 近 产 生 了 一 个 内 建 内E。内E

20、阻 止 电 子 和 空 穴 进 一 步 扩 散 。内E电 子 和 空 穴 的 扩 散 ，在 p型 和 n型 半 导 体 交 界p型 半 导 体 (补 偿 作 用 )。受 主 杂 质 ，（ 电 ） 场 该 区 就 成 为 n型p型 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 p型 和 n型 交 界 面 附 近 形 成 的 这 种 特 殊 结构 称 为 p-n结 （ 阻 挡 层 ， 耗 尽 层 ） ， 其 厚 度 约为 0.1m。 p-n结内Ep型 n型 U0 0eU 电 势电 子 电 势 能p-n结 np 由 于 p-n结 的 存

21、 在 ， 电 子 的 能 量 应 考 虑 进 势 这 使 电 子 能 带 出 现 弯 曲 ：空 带 空 带p-n结 0eU施 主 能 级受 主 能 级 满 带 满 带垒 带 来 的 附 加 势 能 。 二 . p - n结 的 单 向 导 电 性1. 正 向 偏 压p-n结 的 p型 区 接 电 源 正 极 ， 叫 正 向 偏 压 。向 p区 运 动 ， 阻 挡 层 势 垒 降低 、 变 窄 ，有 利 于 空 穴向 n区 运 动 ，也 有 利 于 电 子外E 内E和 反 向 ，这 些 都 形 成 正 向 电 流 （ m 级 ） 。外Ep型 n型I 内E+ 外 加 正 向 电 压 越 大 ，形

22、成 的 正 向 电 流 也 越 大 ，且 呈 非 线 性 的 伏 安 特 性 。U（ 伏 ）302010（ 毫 安 ） 正 向00.2 1.0I锗 管 的 伏 安 特 性 曲 线 2. 反 向 偏 压p-n结 的 p型 区 接 电 源 负 极 ， 叫 反 向 偏 压 。也 不 利 于 电 阻 挡 层 势 垒 升高 、 变 宽 ，不 利 于 空 穴 向 n区 运 动 ，外E 内E和 同 向 ，会 形 成 很 弱 的 反 向 电 流 ， 称 漏 电 流 （ 级 ） 。I无 正 向 电 流 外Ep型 n型 内E +子 向 p区 运 动 。 但 是 由 于 少 数 载 流 子 的 存 在 ， 当 外

23、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 。 V (伏 )I -10-20-30（ 微 安 ）反 向 -20-30 用 p n结 的 单 向 导 电 性 ，击 穿 电 压用 p n结 的 光 生 伏 特 效 应 ， 可 制 成 光 电 池 。p - n结 的 应 用 ： 做 整 流 、 开 关 用 。 加 反 向 偏 压 时 ，p n结 的 伏 安 特 性曲 线 如 左 图 。可 制 成 晶 体 二 极 管 （ diode） ， pn结 阻 挡 p区 空 穴 移 到 n区 ， 阻 挡 n区 电 子 移 到 p区 ， 当

24、 光 入 射 时 ， 产 生 电 子 空 穴 对 ， 空 穴 被 移向 p区 ， p区 中 少 数 电 子 被 移 向 n区 ， 结 果 p区 和 n区各 自 比 原 来 动 态 平 衡 下 多 出 一 些 空 穴 和 电 子 ， 即 p区 积 累 较 多 正 电 荷 ， n区 积 累 较 多 负 电 荷 ， 产 生 光生 电 动 势 。 若 将 外 电 路 接 通 就 有 电 流 ， 这 就 是 光生 伏 特 效 应 利 用 它 可 制 太 阳 能 电 池 。1 金 属 电 极 2 p型 半 导 体3 n型 薄 片 4 透 明 电 极 5 入 射 光pn-e +e12 34 -+（ 4） 光

25、 生 伏 特 效 应 制 造 太 阳 能 电 池 4.5 半 导 体 器 件 （ 自 学 书 第 4.7节 ） 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） 和 其 他 一 些 半 导 体 器 件 。集 成 电 路 大 规 模 集 成 电 路 超 大 规 模 集 成 电 路晶 体 管（ 1947 ） （ 1962 ） （ 80年 代 ）103105甚 大 规 模 集 成 电 路巨 大 规 模 集 成 电 路 10 7109 （ 70年 代 ）（ 90年 代 ）（ 现 在 ） 晶 体 管 的 发 明 1947年 12月 23

26、日 ， 美 国贝 尔 实 验 室 的 半 导 体 小 组 做出 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 三 位 成 员 获诺 贝 尔 物 理 奖 。巴 丁J.Bardeen 布 拉 顿W.H .Brattain 肖 克 利W.Shockley 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 。 INMOS T900 微 处 理 器 同 质 结 激 光 器 由 同 种 材 料 制 成 的 p-n结半 导 体 激 光 器 分 两 类 ：

27、异 质 结 激 光 器 由 两 种 不 同 材 料 制 成 的 p-I-n 4.6 半 导 体 激 光 器 （ 补 充 ） 半 导 体 激 光 器 是 光 纤 通 讯 中 的 重 要 光 源 ， 在创 建 信 息 高 速 公 路 的 工 程 中 起 着 极 重 要 的 作 用 。（ 重 掺 杂 ）结 （ I为 本 征 半 导 体 ） 重 掺 杂 p n满 带空 带p n满 带空 带普 通 掺 杂1. 同 质 结 激 光 器 加 正 向 偏 压 V 粒 子 数 反 转 。 p n阻 挡 层E内- +- +- +- +- 外 E内p n阻 挡 层+-+p n满 带空 带 eU0 p n满 带空 带

28、 e(U0-V)电 子 空 穴 复 合 发 光 ，由 自 发 辐 射 引 起 受 激 辐 射 。 . 解 理 面 p-n结p-n结它 的 两 个 端 面 就 相当 于 两 个 反 射 镜 ，光 振 荡 并 利 于 选 频 。 的 反 射 系 数 ，激 励 能 源 就 是 外 接电 源 （ 电 泵 ） 。使 电 子 空 穴 的 复 合 不 断 进 行 ， 维 持 激 光 的 输 出 。p-n结 本 身 就 形 成一 个 光 学 谐 振 腔 ，它 提 供 正 向 电 流 ，适 当 镀 膜 达 到 所 要 求可 形 成 解 理 面 p-n结核 心 部 分 ： p型 G aAsn型 G aAs典 型

29、尺 寸 （ m） ：长 L= 250 - 500宽 W = 5 - 10厚 d = 0.1- 0.2G aAs同 质 结 半 导 体 激 光 器2. 异 质 结 激 光 器作 为 概 念 上 的 过 渡 ， 先 介 绍 同 质 p-I-n结 。 同 质 结 的 缺 点 是 需 要重 掺 杂 ， 且 光 损 耗 大 。 加 正 向 偏 压 实 现 粒 子 数 反 转 。 需 要 电 压 较 高 。导 带禁 带价 带p I n p I n- +E内 U0 导 带禁 带价 带三 块 半 导 体 紧 密 接 触 ， 形 成 p-I-n 结I np （ 本 征 ）+ -p I nE内E外 异 质 p-I

30、-n结 激 光 器 ：G a1-x Alx As G aAs G a1-x Alx As 加 正 向 偏 压 后 ， 很 容 易 实 现 粒 子 数 反 转 。G aAs和 G aAlAs,晶 格 常 数 基 本 相 同 ，禁 带 宽 度 不 同 ， 折 射 率 不 同 紧 密 接 触 , 形 成 p-I-n 结导 带禁 带价 带p I n 导 带禁 带价 带U0I np p I n- +E内+ -p I nE 内E外 （ 2） G aAs的 折 射 率 比 两 侧 高 5%， 可 形 成 全 实 际 使 用 的 都 是 异 质 结 激 光 器 。异 质 结 激 光 器 的 优 点 ：（ 1） 无 须 重 掺 杂 ；（ 3） 阈 值 电 流 密 度 低 ， 可 在 室 温 下 连 续 工 作 。反 射 ， 把 激 光 束 限 制 在 激 活 区 内 ； 半 导 体 激 光 器 的 特 点 ：功 率 可 达 102 mW效 率 高制 造 方 便 成 本 低所 需 电 压 低 （ 对 G aAs只 需 1.5V ）体 积 小 极 易 与 光 纤 接 合电 能 直 接 变 成 光 能寿 命 长 可 达 百 万 小 时 用 于 激 光 通 讯 、 信 息 储 存 、 处 理 和 显 示 器 件 、 测 距 、制 导 、 夜 视 等 。