材料的输运性质能带理论PPT学习教案

1、会计学1 材料的输运性质能带理论材料的输运性质能带理论PPT课件课件 2 本本 章章 内内 容容 第1页/共40页 3 + 原子的能级（电子壳层原子的能级（电子壳层） + + 1 共有化运动：共有化运动： 第2页/共40页 4 + + 原子结合成晶体时晶体中电子的原子结合成晶体时晶体中电子的 共有化运动共有化运动 第3页/共40页 5 第4页/共40页 6 + N个原子逐渐靠近个原子逐渐靠近 能带（允带）能带（允带）固体中若有固体中若有N个原子，每个原子内的电子个原子，每个原子内的电子 有相同的分立的能级，当这有相同的分立的能级，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚个原子逐渐靠近时，原来束缚 在单

2、原子中的电子，不能在一个能级上存在，从而只能分裂在单原子中的电子，不能在一个能级上存在，从而只能分裂 成成N个非常靠近的能级，因为能量差甚小，可看成能量连续个非常靠近的能级，因为能量差甚小，可看成能量连续 的区域，称为能带的区域，称为能带。 禁带禁带允带之间没有能级的带。允带之间没有能级的带。 第5页/共40页 7 1.原子间距较大时，原子中的电子处于分立的能级；原子间距较大时，原子中的电子处于分立的能级； 2.随着原子间距变小，每个分立的能级分裂成随着原子间距变小，每个分立的能级分裂成N个彼此个彼此 相相 隔小的能级，形成能带；隔小的能级，形成能带； 3.随着原子间距变小随着原子间距变小,能

3、级分裂首先从外壳层电子开始能级分裂首先从外壳层电子开始 （高能级），内壳层电子只有（高能级），内壳层电子只有 原子非常接近时才发生原子非常接近时才发生 能级分裂；能级分裂； 第6页/共40页 8 4.内壳层电子处于低能级，电子共有化运动弱，分裂成的能级窄；外壳内壳层电子处于低能级，电子共有化运动弱，分裂成的能级窄；外壳 层电子处于高能级，共有化运动显著，能级分裂的能带很宽；层电子处于高能级，共有化运动显著，能级分裂的能带很宽； 5.能带的宽度由晶体性质决定，与晶体大小（晶体包含的原子数能带的宽度由晶体性质决定，与晶体大小（晶体包含的原子数N）无）无 关，关，N越越 大，能带中的能级数增加，但能

4、带宽度不会增加，只是能级大，能带中的能级数增加，但能带宽度不会增加，只是能级 的密集程度增加的密集程度增加； 6.能带的交叠程度与原子间距有关，原子间越小，交叠程度越大；能带的交叠程度与原子间距有关，原子间越小，交叠程度越大； 7. 在平衡间距处，能带没有交叠。在平衡间距处，能带没有交叠。 第7页/共40页 9 自由电子自由电子 孤立原子中的电子孤立原子中的电子 晶体中的电子晶体中的电子 不受任何电不受任何电 荷作用（势场为零）荷作用（势场为零） 本身原子核及其他本身原子核及其他 电子的作用电子的作用 严格周期性势场严格周期性势场 （周期排列的原子核势场及大（周期排列的原子核势场及大 量电子的

5、平均势场）量电子的平均势场） 单电子近似理论单电子近似理论：为了研究晶体中电子的运动状态，首先假定为了研究晶体中电子的运动状态，首先假定 固体中的原子实固定不动，并按一定规律作周期性排列，然后固体中的原子实固定不动，并按一定规律作周期性排列，然后 进一步认为进一步认为每个电子都是在固定的原子实周期势场及其他电子每个电子都是在固定的原子实周期势场及其他电子 的平均势场中运动，的平均势场中运动，这就把整个问题简化成单电子问题。这就把整个问题简化成单电子问题。 2 半导体中的电子与空穴半导体中的电子与空穴 第8页/共40页 10 电子具有波粒二象性，运动的电子看做物质波，就是电子具有波粒二象性，运动

6、的电子看做物质波，就是电子波电子波 电子运动遵循电子的的波动方程电子运动遵循电子的的波动方程是薛定谔方程。是薛定谔方程。 定态薛定谔方程的一般式：定态薛定谔方程的一般式： ),(),(),( 2 2 zyxEzyxUzyx m 动能动能势能势能 ),(zyx 电子运动的波函数电子运动的波函数 第9页/共40页 11 一维晶格一维晶格 0 E E与与k的关系的关系 能带能带 简约布里渊区简约布里渊区 允带允带 允带允带 允带允带 允带允带 禁带禁带 0 )()()()( 2 2 22 xkExxV dx d m 求解薛定谔方程求解薛定谔方程： )()(naxuxu )()( 2 xuex xki

7、 V( x ) = V( x + n a ) 其中其中： a a a 2 a 2 a 3 a 3 a a n=0 n=1 n=2 第10页/共40页 12 k 的取值范围都是的取值范围都是 （n=整数）整数） a n 第一布里渊区第一布里渊区：以原点为中心的第一能带所处的以原点为中心的第一能带所处的 k 值范围。值范围。 第二、第三能带所处的第二、第三能带所处的 k值范围称为第二、第三布值范围称为第二、第三布 里渊区，并以此类推。里渊区，并以此类推。 第11页/共40页 13 有关能带被占据情况的几个名词：有关能带被占据情况的几个名词： 价带（满带）：价带（满带）： 填满电子的最高允带。填满电

8、子的最高允带。 导带：价带以上能量最低的允带。导带中的电子导带：价带以上能量最低的允带。导带中的电子 是自由的，在外电场作用下可以导电。是自由的，在外电场作用下可以导电。 第12页/共40页 14 硅和锗沿硅和锗沿100100和和111111方向的能带结构方向的能带结构 点：布里渊区中心点：布里渊区中心 X点：点：100轴与该方向布里渊区边界的交点轴与该方向布里渊区边界的交点 L点：点：111轴与该方向布里渊区边界的交点轴与该方向布里渊区边界的交点 Eg: 禁带宽度禁带宽度 1.1ev 0.66ev 3 实际能带结构实际能带结构 第13页/共40页 15 l硅和锗硅和锗价带极大值价带极大值位于

9、位于k=0k=0处，三维晶体中为一球形等能面处，三维晶体中为一球形等能面 l硅和锗导带多能谷结构，三维晶体中分别存硅和锗导带多能谷结构，三维晶体中分别存6 6和和8 8个能量最小值个能量最小值 l硅和锗导带底和价带顶在硅和锗导带底和价带顶在k k空间处于不同的空间处于不同的k k值，为值，为间接带系半间接带系半 导体导体 第14页/共40页 16 砷化镓砷化镓100100和和111111方向的能带方向的能带 1.42ev 点：布里渊区中心点：布里渊区中心 X点：点：100轴与该方向布里渊区边界的交点轴与该方向布里渊区边界的交点 L点：点：111轴与该方向布里渊区边界的交点轴与该方向布里渊区边界

10、的交点 Eg: 禁带宽度禁带宽度 第15页/共40页 17 l砷化镓砷化镓价带极大值位于价带极大值位于k=0k=0处，导带极小值也在处，导带极小值也在k=0k=0处，处， 为直接带系型。为直接带系型。和硅的间接带系相比和硅的间接带系相比光电转换效率更高光电转换效率更高。 l砷化镓的禁带宽度比硅大，晶体管的工作温度上限与砷化镓的禁带宽度比硅大，晶体管的工作温度上限与EgEg有关，有关， 因此砷化镓工作温度上限比硅高，而且大的禁带宽度是晶体管击因此砷化镓工作温度上限比硅高，而且大的禁带宽度是晶体管击 穿电压大。穿电压大。 1.42ev 1.1ev 第16页/共40页 18 画能带时只需画能量最高的

11、价带和能量最低的导带。价画能带时只需画能量最高的价带和能量最低的导带。价 带顶和导带底都称为带边，分别用带顶和导带底都称为带边，分别用Ev和和Ec表示它们的能表示它们的能 量，带隙宽度量，带隙宽度EgEc-Ev。 导导 带带 价价 带带 Eg EC EV 第17页/共40页 19 ：导电性能介于金属和绝缘 体之间；（10-7104） u具有负的电阻温度系数。（导体具（导体具 有正的电阻温度系数）有正的电阻温度系数） 第18页/共40页 20 半导体材料的半导体材料的 构成元素构成元素 (元素、化合物半导体）元素、化合物半导体） 第19页/共40页 21 第20页/共40页 22 类型：类型：

12、IV族元素族元素C（金刚石）、刚石）、Si、 Ge、Sn(灰锡）的晶体。灰锡）的晶体。 结合力：结合力：共价键力。共价键力。 特征：特征：立方对称晶胞。立方对称晶胞。 1. 金金刚石型结构（刚石型结构（D D） 共价四面体 面心立方 第21页/共40页 23 l面心立方结构面心立方结构的八个顶角和六个面心各有一个原子，内的八个顶角和六个面心各有一个原子，内 部四条空间对角线上距顶角原子部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个对角线长度处各有一个 原子，金刚石结构晶胞中共有原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子。个原子。 l金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角金刚石结构晶胞

13、也可以看作是两个面心立方沿空间对角 线相互平移线相互平移1/4对角线长度套构而成的。对角线长度套构而成的。 l整个整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成 。第22页/共40页 24 2. -ZnS（闪锌矿）型结构（闪锌矿）型结构 （Z） 类型：类型： III-V和II-VI族形族形 成的化合物成的化合物 GaAs。 结合力：结合力：共价键力部分离子共价键力部分离子 键力成分。键力成分。 特征：特征：立方对称晶胞。立方对称晶胞。 第23页/共40页 25 GaAs的闪锌矿结构的闪锌矿结构 lGaAsGaAs晶体中每个晶体中每个GaGa原子和原子

14、和AsAs原子共有一对价电子，原子共有一对价电子， 形成四个共价键，组成共价四面体。形成四个共价键，组成共价四面体。 l闪锌矿结构和金刚石结构的不同之处在于套构成晶闪锌矿结构和金刚石结构的不同之处在于套构成晶 胞的两个面心立方分别是由两种不同原子组成的。胞的两个面心立方分别是由两种不同原子组成的。 共价四面体共价四面体 第24页/共40页 26 3. -ZnS（纤锌矿）型结构（纤锌矿）型结构 （W） 类型：类型： III-V和II-VI族形族形 成的化合物成的化合物 GaN。 结合力：结合力：共价键力部分离子共价键力部分离子 键力成分。键力成分。 特征：特征：六方对称晶胞。六方对称晶胞。 第2

15、5页/共40页 27 半导体半导体晶体结构晶体结构 IVSi Ge D D III-VGaN GaP GaAs GaSb W Z Z Z II-VIZnSe ZnTe CdSe Z Z Z 一些一些重要半导体的晶体结构重要半导体的晶体结构 第26页/共40页 28 1 1 本征半导体本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。制造半导制造半导 体器件的半导体材料的纯度要达到体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%99.9999999% 二、半导体的分类二、半导体的分类 价价 带带 导导 带带EC Ev EF 第27页/共40页 29 2 2 杂质半导

16、体杂质半导体 n n型半导体型半导体本征半导体中加入施主杂质本征半导体中加入施主杂质 p型半导体型半导体本征半导体中加入施主杂质本征半导体中加入施主杂质 导导 带带 价价 带带 施主能级施主能级 ED Eg EC EV 导导 带带 EA 价价 带带 受主能级受主能级 Eg EC EV n型半导体型半导体p型半导体型半导体 第28页/共40页 30 三三 半导体的性能半导体的性能 导带导带 价带价带 能隙能隙 （禁带（禁带） 光辐射光辐射hv 半导体受到光辐射时，如半导体受到光辐射时，如 果辐射光子的能量足以使果辐射光子的能量足以使 电子由价带跃迁至导带，电子由价带跃迁至导带， 那么就会发生对光

17、的吸收。那么就会发生对光的吸收。 导带中的电子在电场作用导带中的电子在电场作用 下可参与导电。下可参与导电。 第29页/共40页 31 导带导带 价带价带 杂 质 能杂 质 能 级级 光辐射光辐射 杂质半导体中，缺陷的能级在杂质半导体中，缺陷的能级在 价带和导带之间的能隙之中。价带和导带之间的能隙之中。 当材料受到光照时，缺陷能级当材料受到光照时，缺陷能级 上的电子空穴发生跃迁。从而上的电子空穴发生跃迁。从而 使导带中出现电子，来参与导使导带中出现电子，来参与导 电。电。 第30页/共40页 32 2 半导体的光致发光：半导体的光致发光： 是指在外来激发光作用下，物体将吸收的能量以光是指在外来

18、激发光作用下，物体将吸收的能量以光 子形式再发射而产生发光的现象。子形式再发射而产生发光的现象。 在半导体的光致发光现象中，存在着三个过程，在半导体的光致发光现象中，存在着三个过程， 1 1 光吸收，光吸收，半导体中的电子吸收一定能量的光子后，由基态半导体中的电子吸收一定能量的光子后，由基态 跃迁至激发态，从而在一定能级上产生非平衡载流子；跃迁至激发态，从而在一定能级上产生非平衡载流子； 2 2能量传递过程，能量传递过程，既上述非平衡载流子通过晶格弛豫的方既上述非平衡载流子通过晶格弛豫的方 式到达较低能级进行电子一空穴对复合；式到达较低能级进行电子一空穴对复合； 3 3发光，发光，通过复合辐射的光子一部分从样品表面辐射出来通过复合辐射的光子一部分从样品表面辐射出来 ，发出一定颜色的光。，发出一定颜色的光。 第31页/共40页 33 第32页/共40页 34 按一定的方式有规则的排列而 成长程有序。 四四 非晶半导体非晶半导体 第33页/共40页 35 晶体又可分为：晶体又可分为：单晶和多晶单晶和多晶 单晶：单晶