1.5-1.6半导体电性ppt课件.ppt

1,1固体的能带,一.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。,电子受到周期性势场的作用。,1.5导体、半导体和绝缘体（conductorinsulator）,2,解定态薛定格方程(略），可以得出两点重要结论：,.电子的能量是量子化的;,.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,一般不是共有化电子。,3,2.能带(energyband),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。,固体中的电子能级有什么特点？,4,能带的宽度记作E，数量级为EeV。,若N1023,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，E越大。,2.点阵间距越小，能带越宽，E越大。,3.两个能带有可能重叠。,5,离子间距,a,2P,2S,1S,E,0,能带重叠示意图,6,3.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。,排布原则：,.服从泡里不相容原理（费米子）,.服从能量最小原理,设孤立原子的一个能级Enl，它最多能容纳2(2+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(2+1)个电子。,7,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）,3空带（未排电子）亦称导带,4禁带（不能排电子）,2、能带，最多容纳6个电子。,例如，1、能带，最多容纳2个电子。,(2+1),8,它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。,固体按导电性能的高低可以分为,9,固体的能带单个原子(自由原子)的核外电子,服从泡利不相容原理和能量最小原理，从最低能级到高能级依次排布。在固体(晶体)中由于原子的紧密排列,每一原子中电子特别是外层电子（价电子）除受本身原子的势场作用外，还受到相邻原子的势场作用。其结果这些电子不再局限于某一原子而可以从一个原子转移到相邻的原子中去，可以在整个晶体中运动,这就是所谓价电子的共有化。原来的自由原子中的能级分裂为许多和原来能级很接近的能级，形成能带。最外层电子的能带称为价带，价带之上是空带(激发能带)，在一个能带中所有能级都已被电子所占据，这个能带称为满带。满带中的电子不会导电。在一个能带中，部分能级被电子所占据。这种能带中的电子具有导电性，称为导带。在原子未被激发的正常态下空带没有电子占据。空带中一旦存在电子就具有导电性质，所以空带也称导带。能被电子占据的能带称容许带。在相邻的容许带之间可能出现不容许能级存在的能隙，称为禁带。,10,导体,导体,导体,半导体,绝缘体,Eg,Eg,Eg,11,在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。,从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。,E,导体,12,从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg约36eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。,在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。,的能带结构,满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄（Eg约0.12eV)。,绝缘体,半导体,13,绝缘体与半导体的击穿,当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中的。,绝缘体,半导体,导体,14,1.6功能材料的性能1.6.1半导体电性,一.本征半导体（semiconductor）,本征半导体是指纯净的半导体。,本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。,介绍两个概念：,1.电子导电半导体的载流子是电子,2.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,满带中出现一个空位。,15,例.半导体CdS,16,这相当于产生了一个带正电的粒子(称为“空穴”),把电子抵消了。,电子和空穴总是成对出现的。,17,空带,满带,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是形成电流,这称为空穴导电。,在外电场作用下,18,二.杂质半导体,.n型半导体,四价的本征半导体Si、等，掺入少量五价的杂质（impurity）元素（如P、As等）形成电子型半导体,称n型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处,ED10-2eV，极易形成电子导电。,该能级称为施主（donor）能级。,19,n型半导体,在n型半导体中电子多数载流子,空带,施主能级,ED,空穴少数载流子,20,.型半导体,四价的本征半导体Si、e等，掺入少量三价的杂质元素（如、Ga、n等）形成空穴型半导体，称p型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，ED10-2eV，极易产生空穴导电。,该能级称受主（acceptor）能级。,21,空带,Ea,受主能级,P型半导体,在p型半导体中空穴多数载流子,电子少数载流子,22,3.n型化合物半导体,例如，化合物GaAs中掺，六价的Te替代五价的As可形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体。,4.型化合物半导体,例如，化合物GaAs中掺Zn，二价的Zn替代三价的Ga可形成受主能级，成为p型GaAs杂质半导体。,23,铁磁性物质具有极高的磁化率，磁化易达到饱和的物质。如Fe，Co，Ni，Gd等金属及其合金称为铁磁性物质。,磁矩的排列与磁性的关系,1.6.2磁性,24,亚铁磁性物质,磁矩的排列与磁性的关系,如铁氧体(M2+Fe23+O4)等，是一些复杂的金属化合物，比铁磁体更常见。它们相邻原子的磁矩反向平行，但彼此的强度不相等，具有高磁化率和居里温度。,25,顺磁性物质存在未成对电子永久磁矩。La，Pr，MnAl，FeSO47H2O，Gd2O3；在居里温度以上的铁磁性金属Fe,Co,Ni等。居里温度由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度(Tc)。,磁矩的排列与磁性的关系,26,反磁性物质不存在未成对电子没有永久磁矩。惰性气体，不含过渡元素的离子晶体，共价化合物和所有的有机化合物，某些金属和非金属。,磁矩的排列与磁性的关系,27,反铁磁性物质FeO，FeF3，NiF3，NiO，MnO，各种锰盐以及部分铁氧体ZnFe2O4等，它们相邻原子的磁矩反向平行，而且彼此的强度相等，没有磁性。,磁矩的排列与磁性的关系,28,铁磁体磁化到技术饱和以后，使它的磁化强度降低到零所需要的反向磁场称为矫顽力。,29,在较弱的磁场下易于磁化，也易于退磁的材料称为软磁材料。磁导率大，矫顽力小(Hc100A/m)，滞损耗低，磁滞回线呈细长条形。,软磁材料磁滞回线,软磁材料,30,4-结,一.-结的形成,在一块n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为型半导体。,由于区的电子向区扩散，区的空穴向区扩散，在型半导体和型半导体的交界面附近产生了一个电场,称为内建场。,31,内建场大到一定程度,不再有净电荷的流动，达到了新的平衡。,在型n型交界面附近形成的这种特殊结构称为P-N结，约0.1m厚。,内建场阻止电子和空穴进一步扩散，记作。,32,P-N结处存在电势差Uo。,也阻止N区带负电的电子进一步向P区扩散。,它阻止P区带正电的空穴进一步向N区扩散；,33,考虑到P-结的存在，半导体中电子的能量应考虑进这内建场带来的电子附加势能。,电子的能带出现弯曲现象。,34,35,二.-结的单向导电性,.正向偏压,在-结的p型区接电源正极，叫正向偏压。,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（m级）。,36,外加正向电压越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的伏安特性(图为锗管)。,37,.反向偏压,在-结的型区接电源负极,叫反向偏压。,阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向区运动，也不利于电子向P区运动,没有正向电流。,38,但是，由于少数载流子的存在，会形成很弱的反向电流，,当外电场很强,反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大-反向击穿。,称为漏电流（级）。,39,利用P-N结可以作成具有整流、开关等作用的晶体二极管（diode）。,40,半导体的其他特性和应用,热敏电阻（自学）,光敏电阻（自学）,温差电偶（自学）,P-N结的适当组合可以作成具有放大作用的晶体三极管（trasistor），以及其他一些晶体管。,集成电路：,41,1947年12月23日，美国贝尔实验室的半导体小组做出了世界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。,1956年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。,42,后来，晶体管又从点接触型发展到面接触型。,晶体管比真空电子管体积小，重量轻，成本低，可靠性高，寿命长，很快成为第二代电子器件。,43,集成电路,大规模集成电路,超大规模集成电路,下图为INMOST900微处理器:,每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲大小，它有300多万个三极管。,44,45,半导体激光器,半导体激光器是光纤通讯中的重要光源，在创建信息高速公路的工程中起着极重要的作用。,核心部分是p型GaAs和n型GaAs构成的P-N结（通过掺杂补偿工艺制得）。,最简单的GaAs同质结半导体激光器，,46,典型尺寸：,长L=250500m宽=510m厚d=0.10.2m,它的激励能源是外加电压(电泵)在正向偏压下工作。,47,当正