固体中的电子答案.ppt

一、本征半导体 纯净的半导体(semiconductor) 没有杂质、缺陷 §4、5 半导体 Si Si Si Si Si Si Si Si原子 4个价电子，与另4个原子形成共价结合(金刚石型结构) 电子和空穴成对出现, 以后的运动互相独立 介绍两个概念: (1) 电子导电 . . . . . . 载流子是电子 (2) 空穴导电. . . . . . 载流子是空穴 为什么半导体的电阻随温度升高而降低? 空 带 满 带 Eg 热激发 半导体 应用: 热敏电阻 例： Cd S 满 带 空 带 Eg=2.42 eV 光子 h 激发电子, 波长至少多短？ 光激发 解： 可见光波段 应用：光敏电阻 二、杂质半导体 1. 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. P Si Si Si Si Si Si Si . . . . . . . 施主能级 Eg ED 导 带 价 带 量子力学表明, 这种多余电子的能级在禁带中紧靠空带处 电子 . . . 多数载流子 空穴 . . . 少数载流子 ~ 10-2 eV , 该能级称为 施主能级(donor) ED 导带不再空, 有电子 n型半导体 2. p型半导体 四价的本征半导体Si, Ge等, 掺入少量三价的杂质元素(如B, Ga, In等), 形成空穴型半导体, 称p型半导体 B + Si Si Si Si Si Si Si Ea Eg 受主能级 导 带 价 带 多余空穴的能级在禁带中紧靠满带处 ~ 10-2 eV 称 受主能级 (acceptor) 在空穴型半导体中 空穴 . . . . . . 多数载流子 电子 . . . . . . 少数载流子 3. n型化合物半导体 例如, 化合物 GaAs中掺Te, 六价Te替代五价As可形成施主能级, 成为n型 GaAs杂质半导体. 4. p型化合物半导体 例如, 化合物 GaAs中掺Zn, 二价Zn替代三价Ga可形成受主能级, 成为p型 GaAs杂质半导体. 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 nd na--- 为n型 若 nd na----为p型 利用杂质的补偿作用, 我们可以制成P--N结. Ea Eg 受主能级 导 带 价 带 . . . . . . . 施主能级 ED 一、PN结的形成 P N 空穴浓度 电子浓度 §4、5 PN结 - + - + - + - + - + P N 耗尽层 E内 E内是P-N结形成势垒区 存在电势差U0 阻止左边P区的空穴向右扩散 阻止右边N区的电子向左扩散 由于P-N结存在, 电子的能量应考虑势垒带来的电子附加势能 电子的能带会出现弯曲 二、Ｐ－Ｎ结的单向导电性 正向偏压 Ｅ内、Ｅ外反向 势垒降低 空穴流向Ｎ区，电子流向Ｐ区 形成正向电流 mA量级 Ｅ外 P N 耗尽层 E内 - + - + - + - + - + 反向偏压 Ｅ内、Ｅ外同向 势垒升高 阻止空穴流向Ｎ区，电子流向Ｐ区 但 存在少数载流子 形成很弱的反向电流 称为漏电流 A量级 Ｅ外 P N 耗尽层 E内 - + - + - + - + - + 外加电压 越大 正向电流 越大 呈非线性的伏安特性 当反向电压超过某一数值后反向电流会急剧增大称为反向击穿. Ｐ－Ｎ结应用 整 流 开 关 *半导体激光器(也叫激光二极管) GaAs 同质结半导体激光器 核心部分 p型GaAs n型GaAs 典型尺寸: m 长 L=250-500 宽 W=5-10 厚 d=0.1-0.2 *PN 结的应用：三极管 (PNP 或 NPN) P N 价 带 导 带 P N 耗尽层 E内 - + + - + - + - + - Ｅ外 E内 P N 耗尽层 - + + - + - + - + - P N 价 带 导 带 加正向偏压后, 实现粒子数反转 P-N结本身就形成一个光学谐振腔, 两个端面相当于两个反射镜, 适当镀膜后可达到所要求的反射系数, 形成激光振荡, 并利于选频. 体积小 极易与光纤结合 所需电压低(只需1.5V) 成本低 制造方便 功率可达102 mW 异质P-I-N结 Ga1-x Alx As GaAs Ga1-x Alx As 导带 禁带 价带 P I N P I N - - - - - - - + + + + + + E内 紧密接触, 形成 P-I-N 结 导带 禁带 价带 GaAs和GaAlAs,晶格常数基本相同,禁带宽度不同，折射系数不同 V P I N I