第二十二章固体能带理论基础

第二十二章固体能带理论基础 22 4半导体的导电机制p n结 22 3电子填充能带的情况金属导体 绝缘体和本征半导体 22 2自由原子中电子的能级晶体的能带 22 1晶体 了解本征半导体 n型半导体和p型半导体 了解固体能带的形成 并用能带观点区分导体 半导体和绝缘体 教学基本要求 22 1晶体 晶体点阵和晶胞 晶体由相同的原子或原子群在空间规则地排列而成 每一个原子群构成晶体的基本结构单元 基元 基元的重心在空间规则排列形成晶格 晶体点阵 晶胞 面心立方晶胞 体心立方晶胞 雪花的晶体 金刚石的点阵结构 一 自由原子中电子的能级 多电子原子中 主量子数为n角量子数为l 0 1 2 的能级分别为ns np nd 能级 所有s能级都是非简并的 只有一个量子态 l 0 ml 0 可容纳2个电子 p能级是3度简并的 l 1 ml 1 0 1 可容纳6个电子 d能级是5度简并的 l 2 ml 2 1 0 1 2 可容纳10个电子 22 2自由原子中电子的能级晶体的能带 一般来说 角量子数为l的能级是 2l 1 度简并的 对应于每一个这样的能级有 2l 1 个量子态 可容纳2 2l 1 个电子 二 晶体的能带 6个原子组成的晶体 在实际晶体中 原子中的外层电子在相邻原子的势场作用下 可以在整个晶体中作共有化运动 原来自由原子的简并能级分裂为许多和原来能级很接近的能级 形成能带 N个原子组成的晶体 角量子数为l的能级对应的能带包含 2l 1 N个能级 自由原子中电子的能级越高 对应的能带越宽 钠晶体的能带随原子间距的变化 金刚石晶体的能带随原子间距的变化 一 电子填充能带的情况 当温度接近0K时 电子由低能级到高能级逐个填充能带 22 3电子填充能带的情况金属导体 绝缘体和本征半导体 一般 原子的内层能级都被电子填满 成为满带 价电子引起的能带 价带 可能是满带 也可能不是满带 有些能带相互交叠形成混合能带 交叠后的能带还可能再分裂为上下两个能带 二 金属导体 绝缘体和半导体 1 导体较低的能带都被电子填满 上面的能带只是部分地被电子填充 当无外电场时 晶体中的电子速度分布对称 不引起宏观电流 当有外电场时 晶体中的运动着电子有些被加速 有些被减速 即有些动能增加有些动能减小 只有当电子所在的能带内有未被占据的空能级 即为非满带时 这样的跃迁才有可能实现 2 绝缘体完全填满的能带上面都是空带 满带和空带之间是较宽的禁带 除非外电场相当强 否则不能使电子获得足够的能量从满带跃迁到空带 即使有外电场 也不可能改变电子速度分布的对称性 即不能引起电子的定向流动而形成电流 金刚石是典型的绝缘体 3 本征半导体不含杂质的纯净半导体 当温度接近0K时 价带都被电子填满 价带以上的能带都是空带 因此和绝缘体一样都没有导电性 本征半导体的禁带比绝缘体的窄很多 在常温下 少数电子经热激发可越过禁带跃迁到空带中 这时 半导体就具有一定的导电性 一 本征半导体的导电机制 22 4半导体的导电机制p n结 价带中少数电子被热激发进入导带 在电场作用下 导带中的电子和满带中的空穴都可引起电流 导带中的电子是负载流子 形成电子流 满带中的空穴是正载流子 形成空穴电流 总电流是电子流和空穴电流的代数和 二 杂质半导体的导电机制 1 n型半导体杂质原子在紧靠导带边沿形成附加的施主能级 电子因热激发由施主能级跃迁到导带中可形成电子电流 四价的硅 锗掺入五价的磷 砷形成的n型半导体 2 p型半导体杂质原子在紧靠价带边沿形成附加的受主能级 电子因热激发由价带跃迁到受主能级中在价带中留下空穴 可形成空穴电流 四价的硅 锗掺入三价的硼 镓形成的p型半导体 三 p n结 相互扩散 空穴 电子 I1 p区 n区 p区 n区 动态平衡 正向电流 反向抑制 在p n结中由p区到n区的净余总电流与外加电压的关系可以表示为