第三章 固体物理基础7.6-7.8.ppt

它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。 导体 半导体 绝缘体 导体、半导体和绝缘体的能带 固体按导电性能的高低可以分为 绝缘体 导带(空带) 满带 Eg3eV 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. 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 Eg2eV 价带 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，导带为不满带；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；其它金属能带，其导带为不满带，且与空带重叠。 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。 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 价带 杂质半导体 P型半导体(空穴型): 四价Si, Ge掺三价B, Al, In。 三价原子在晶体中代替四价原子,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. 导带 受主能级 价带 N型半导体(电子型): 四价Si，Ge掺五价P, Sb, Td。 五价原子代替四价原子,多出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. 导带 施主能级 价带 满 带 空 带 h? Eg=2.42eV 相当于产生了一个带正电的粒子(称为“空穴”)，把电子抵消了。 半导体CdS 价 带 导 带 空带(导带) 满带(价带) 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形成电流，这称为空穴导电。 Eg ?解? 半导体CdS激发电子,光波的波长最大多长？ §7.8 晶体的导电性 电子运动的速度和加速度、 有效质量 3. 导体、半导体和绝缘体的区别 半导体中的电子运动 有效质量 2. 电子导电和空穴导电 1. 半导体中的电子运动 有效质量 1) 半导体中E(k)与k的关系 由于半导体中起作用的是能带极值附近(即导带底和价带顶)的电子和空穴，因此只要知道极值附近的E(k)~k关系就足够了。 考虑一维情况，设能带底(顶)位于k=0，将E(k)在 k=0附近按泰勒级数展开： 忽略k2以上高次项，因此在k＝0处E(k)极小，故有(dE/dk)k=0=0，因此： 与自由电子E与k的关系相比有类似之处,不同的是m是电子惯性质量，因此常称m*为电子有效质量. 对确定的半导体，(d2E/dk2)k=0是确定的。 能带底?导带底 E(0)=Ec(0)；E(k)Ec(0)? 表明能带底（导带底）电子的有效质量为正。 能带顶?价带顶 E(0)=Ev(0)；E(k)Ev(0)? 表明能带顶（价带顶）电子的有效质量为负。 2) 半导体中电子的平均速度 引入电子有效质量 m*后，除 E(k) ~k 关系与自由电子相似外，半导体中电子的速度与自由电子的速度表达式形式也相似，只是半导体中出现的是有效质量m*。电子运动的群速度表征电子的平均速度： 电子准动量,非实际动量. 3) 半导体中电子的加速度 当有外加电场作用时，电子受到电场的力，外力对电子作功，电子的能量变化，由功与能量的关系得： 上述半导体中电子的运动规律公式都出现了有效质量m*，原因在于 F=m*a 中的F并不是电子所受外力的总和。 即使没有外力作用，半导体中电子也要受到格点原子和其它电子的作用。当存在外力时，电子所受合力等于外力再加上原子核势场和其它电子势场力。 由于找出原子势场和其他电子势场力的具体形式很困难，这部分势场的作用就由m*加以概括， m*有正有负正是反映了晶体内部势场的作用。 4) 有效质量的意义 在 k=0