第十六章固体中的电子讲义.ppt

固体指具有确定形状和体积的物体。 分为：晶体、非晶体和准晶体 一、晶体结构和晶体分类 1、晶体结构 外观上：具有规则的几何形状 微观上：晶体点阵（晶格） 基本特征：规则排列，表现出长程有序性 晶体中的重复单元称为晶胞 立方 体心立方 面心立方 晶胞 二、固体的能带 1、电子共有化 单个原子 两个原子 由于晶体中原子的周期性排列而使价电子不再为单个原子所有的现象，称为电子的共有化。 晶体中周期性势场 2、能带的形成 电子的共有化使原先每个原子中具有相同能级的电子能级，因各原子间的相互影响而分裂成一系列和原来能级很接近的新能级，形成能带。 氢原子的能级分裂 原子中的能级 晶体中的能带 能带的一般规律： 2. 越是外层电子，能带越宽，?E越大。 1. 原子间距越小，能带越宽，?E越大。 3. 两个能带有可能重叠。 禁带：两个相邻能带间可能有一个不被允许的能量间隔。 离子间距 r0 2p 2s 1s E O 能带重叠示意图 电子在能带中的分布： 1、每个能带可以容纳的电子数等于与该能带相应的原子能级所能容纳的电子数的N倍（N是组成晶体的原子个数）。 2、正常情况下，总是优先填能量较低的能级。 满带：各能级都被电子填满的能带。 满带中电子不参与导电过程。 价带：由价电子能级分裂而形成的能带。 价带能量最高，可能被填满，也可不满。 空带：与各原子的激发态能级相应的能带。 正常情况下没有电子填入。 禁带 空带 （导带） 满带 导带 满带 三、导体和绝缘体 当温度接近热力学温度零度时，半导体和绝缘体都具有满带和隔离满带与空带的禁带。 禁带 空带 满带 半导体能带 禁带 空带 满带 绝缘体能带 禁带 价带 满带 空带 满带 空带 价带 满带 一个好的金属导体，它最上面的能带或是未被电子填满，或虽被填满但填满的能带却与空带相重叠。 四、半导体 本征半导体是指纯净的半导体。 杂质半导体是指掺有杂质半导体。 电子导电——半导体的载流子是电子 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 中出现的空位） 电子共有化是指电子在不同原子的相同能级上转移而引起的，电子不能在不同能级上转移，因为不同能级具有不同的能量。 而杂质原子与原组成晶体的原子不一样，因而杂质原子的能级和晶体中原子的能级不相同，在这些能级上的电子由于能量的差异，不能过度到其他原子的能级上去，即不参与电子的共有化。 量子力学证明，杂质原子的能级处于禁带中，不同类型的杂质，其能级在禁带中的位置也不同。有些杂质能级离导带较近，有些离导带较远。杂质能级的位置不同，杂质半导体的导电结构也不同，按其导电结构，杂质半导体可分为两类：一类以电子导电为主，称 n 为型半导体. 另一类以空穴导电为主，称 p 为型半导体. Si Si Si Si Si Si Si P 1、 n型半导体 在四价元素（硅、锗）中掺入少量五价元素（磷、砷），形成n型半导体。 导带 施主能级 满带 Si Si Si Si Si Si Si 2、 p型半导体 在四价元素（硅、锗）中掺入少量三价元素（硼、镓） ，形成p型半导体。 B 导带 受主能级 满带 3、p-n结的形成 由于n区的电子向p区扩散，p区的空穴向p区扩散，在p型半导体和n型半导体的交界面附近产生了一个电场 , 称为内电场。 p-n结 n型 p型 导带 禁带 满带 电子电势能 p-n结的单向导电性 在p-n结的p型区接电源正极，n区接负极 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。 p型 n型 I U（伏） I （毫安） O 在p-n结的p型区接电源负极，n区接正极。 阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向n区运动，也不利于电子向p区运动。 U(伏) I （微安） p型 n型 4、半导体的其他特征和应用 热敏电阻 半导体的电阻随温度的升高而指数下降，导电性能随变化十分灵敏。 热敏电阻体积小、热惯性小、寿命长 光敏电阻 在可见光照射下，半导体硒的电阻随光强增加而急剧减小，但要求照射光的频率大于红限频率。