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3.3 半导体的光敏性 光电导现象：当受到光照时，其导电能力增强。 施主能级 导带 满带 hv n型半导体 导带 满带 受主能级 hv p型半导体 光激发的自由载流子。 光生载流子 内光电效应 光生载流子越多，物体导电能力越强，并且载流子没有逸出体外的光电导现象。 导带 满带 hv 本征半导体 hv≥Eg 利用半导体的光电效应制成的电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器 。 光敏电阻 其他应用：光敏二极管、 光敏三极管、 光敏电池 等 光敏电阻 光敏二极管 ⒋ PN结 (PN junction) ——P型半导体与N型半导体的交界区. P N ? + ? + ? + P N 在交界区, 因载流子扩散而形成电偶层 ——阻挡层 (厚度约1?m, 场强约106~108V/m). PN结的特性：单向导电性. PN结的应用：整流(rectification). * * * 第三章 固体中的电子 (Electrons in Solids) 主要内容： 固体的能带结构 半导体 §3.1 固体的能带 (Energy Bands in Solids) 晶体 准晶体 非晶体 固体 晶体结构＝点阵＋基元 ⒈能带的由来 晶体结构＝点阵＋基元 X射线衍射极大的方向，对应于X射线在一组晶面上反射后干涉相长的方向： 对实验结果的解释： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 晶面 d 晶面间距 掠射角 ——布拉格(W.L.Bragg)公式 XRD of [001] textured PMN–32PT 晶格衍射图样 周期性势场和电子的共有化 例：价电子在 Na+ 的电场中的势能特点 一维晶体点阵形成的周期性势能函数曲线 EP r + + + + + r E + d E 电子能量 E 低，穿过势垒概率小，共有化程度低 电子能量 E 高，穿过势垒概率大，共有化程度高 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 1s 2s 2p 3s 3p 1s 2s 2p 3s 3p ——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，称为能带（energy band） ?能带的宽度记作 ?E，?E ～eV 的量级 ?若N~1023，则能带中两相邻能级的间距约为10–23eV。 原子间的相互作用 ? 原子能级分裂成能带 e.g. 1s 2s 2p ⒉电子对能带的填充 ——服从泡利不相容原理和能量最低原理. ⑴满带(filled band)——所有量子态都被电子占据的能带. ⑵空带(empty band)——所有量子态都没有被电子占据的能带. ⑶价带(valence band)——由原子中价电子能级分裂成的能带. 价带可能是满带(例如金刚石)，也可能不是满带(例如碱金属). 能带理论指出：若电子处于未被填满的能带中，则在外电场作用下，电子可以跃入能带中较高的空能级，从而参与导电. 通常，未被填满的价带是导带；位于满带上方的空带，在外界(光、热等)激发下，会有电子跃入，也称为导带. ⑷导带(conduction band)——具有能导电的电子的最高能带. ⑸禁带(forbidden band)——两相邻能带间，不能被电子占据的能量范围. 禁带 空带(导带) 禁带 满带 价带(满带) 能带分布： 满带 空带 禁带 禁带 E 价带(导带) ⒊能带论对固体导电性的解释 导体——电阻率 ? 10–8 ??m 半导体——10–8 ??m ? 108 ??m 绝缘体——? 108 ??m 能带论的解释： ⑴导体中，或是价带未被填满，或是价带与上方的空带交叠 ? 价电子都能参与导电 ? 导体有良好的导电性能 1. 导体、绝缘体、半导体 小于10–8Ω·m 金、银、铜、铁等 易导电 导体 conductor 半导体 semiconductor 绝缘体 insulator 0.1–1.5eV 3–6eV 禁带宽度Eg 能带图 10–8Ω·m 与108Ω·m之间 大于108Ω·m 电阻率 硅(Si)、锗(Ge)、GaAs等 塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等 例子 导电性能介于导体与绝缘体之间 不易或不导电 定义 Na，K，Cu Mg、Be、Zn ⑵半导体中，价带已满，但上面的禁带宽度较小(~1eV)，在常温下有一定数量的电子从价带跃入上方的空带，