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文档简介

半导体中电子的状态与能带的形成 研究固态晶体中电子的能量状态的方法 单个电子能级运动状态 个电子能带运动状态 一 能带论的定性叙述 1 孤立原子中的电子状态 主量子数n 1 2 3 决定能量的主要因素 角量子数l 0 1 2 n 1 决定角动量 对能量有一定影响 磁量子数ml 0 1 2 l 决定L的空间取向 引起磁场中的能级分裂 自旋量子数ms 1 2 产生能级精细结构 2 晶体中的电子 1 电子的共有化运动 在晶体中 电子由一个原子转移到相邻的原子去 因而 电子将可以在整个晶体中运动 原子结合成固体的过程中 价电子的运动状态发生了很大的变化 而由层电子的变化是比较小的 可以把原子核和内层电子看成离子实 允带 能带 原子级能 禁带 禁带 原子轨道 原子能级分裂为能带的示意图 d p s 能量E 导带 conductionband 价带 valenceband 带隙 gap 1 电子填充能带的情况 遵循 泡利不相容原理 能量最小原理 Pauling 在一确定的能级上 最多只能填充自旋方向相反的两个电子 能量最小原理 电子都力图占据能量最低的能级 2 满带 电子填充能带时 总是从最低的能带 最小能量的能级开始填充 在原子的内壳层 由于能级较低 一般是被电子占满的 结合成晶体后 内层电子仍基本束缚在原子上 所以低能带填满了电子 叫满带 3 与原子外层的价电子相应的能带叫做价带 严格地说 价带是在温度为 时价电子存在的能级 它可能是被填满的 也可能是部分价电子所占有的 视实体的元素而定 4 在很多的能级 本来就没有电子 这种能带叫做空带或导带 在空带中 温度为 时没有电子 能级是空着的 若有电子跃迁出空带 就可以自由运动 产生导电作用 这就是导带名称的由来 5 价带和导带之间的空隙叫做禁带 Eg 电子能量 Ec Ev 能带图可简化成 禁带宽度 电子刚好填满最后一个带 电子填充允许带时 可能出现 最后一个带仅仅是部分被电子占有 导体 绝缘体和半导体 导带 导带 半满带 禁带 价带 禁带 价带 满带 绝缘体 半导体和导体的能带示意图 绝缘体 半导体 导体 常温下 Si Eg 1 12eVGe Eg 0 67eVGaAs Eg 1 43eV 半导体材料中的光发射与光吸收1 光发射 一般来说 处于高能态 导带的电子是不稳定的 他们会向低能态 价带跃迁 而将能量以光子的形式释放出来 自发辐射 非相干光 半导体发光二极管LED受激辐射 相干光 半导体激光器LD2 光吸收 处于低能态 价带的电子 如果受到外界光的照射 当光子的能量等于或大于禁带宽度时 光子将被吸收而使电子跃迁到导带 从而产生电子 空穴对 光电探测器的原理 电子的分布 Fermi能级A 电子占据能量为E的状态的几率 杂质吸收 掺杂的半导体在光照射下 中性施主的束
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