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半导体基础 一 固体的能带 1. 电子共有化 固体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构. 固体中的电子受到周期性势场的作用。 •电子的能量是量子化的; a •电子的运动有隧道效应. 原子的外层电子( 高能级) 势垒穿透概率较大, 电子 可以在整个固体中运动, 称为共有化电子. 原子的内层电子与原子核结合较紧,不是共有化电子. 2. 能带(energy band) 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。 • 能带的宽度记作ΔE ，数 量级为 ΔE ～eV。 • 若N~1023,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，ΔE越大。 (2) 点阵间距越小，能带越宽，ΔE越大。 (3) 两个能带有可能重叠。 3 . 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. 电子排布原则： １. 服从泡里不相容原理 ２. 服从能量最小原理 设孤立原子的一个能级Enl 最多能容纳2 (2l +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２Ｎ(2l +1)个电子. 例如，1 ｓ、２ｓ能带，最多容纳2 Ｎ个电子。 2 ｐ、３ｐ能带，最多容纳6 Ｎ个电子. 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） E 空带 导带 Eg 禁带 导带 Eg 禁带 • • 价带 价带 • • • • (非满带) • • • • • (满带) • • 4. 固体的导电性 固体按导电性能的高低可以分为导体、半导体、绝缘体 导体：电阻率在10-8~10-4Ω·m范围内,温度系数为正. -4 8 半导体:电阻率在10 ~10 Ω·m范围内, 温度系数为负. 绝缘体:电阻率在108~1020Ω·m范围内, 温度系数为负. 它们的导电性能不同,是因为它们的能带结构不同. 空带 半导体 绝缘体 E 空带 导体 g E g 价带 满带 满带 • 导体 价电子所在能带为半满带.相邻能级间隔小,在外电场 作用下, 电子很容易从较低能级跃迁到高能级. 大量的共有化电子很易获得能