第十六章固体中的电子

1、固体指具有确定形状和体积的物体。固体指具有确定形状和体积的物体。分为：晶体、非晶体和准晶体分为：晶体、非晶体和准晶体一、晶体结构和晶体分类一、晶体结构和晶体分类1、晶体结构、晶体结构外观上：具有规则的几何形状外观上：具有规则的几何形状微观上：晶体点阵（晶格）微观上：晶体点阵（晶格）基本特征：基本特征：规则排列规则排列，表现出，表现出长程有序性长程有序性晶体中的重复单元称为晶体中的重复单元称为晶胞晶胞 Na Cl立方立方 Cs Cl体心体心立方立方Cu面心面心立方立方晶胞晶胞二、固体的能带二、固体的能带1、电子共有化、电子共有化U r单个原子单个原子U r两个原子两个原子 由于晶体中原子的周由于

2、晶体中原子的周期性排列而使价电子期性排列而使价电子不再为单个原子所有不再为单个原子所有的现象，称为的现象，称为电子的电子的共有化共有化。U r 晶体中周期性势场晶体中周期性势场2E1E2、能带的形成、能带的形成电子的共有化使原先每个原子中电子的共有化使原先每个原子中具有相同能级的具有相同能级的电子能级电子能级，因各原子间的相互影响而，因各原子间的相互影响而分裂成一系分裂成一系列和原来能级很接近的新能级列和原来能级很接近的新能级，形成能带。，形成能带。Os1BrA0rEE 氢原子的能级分裂氢原子的能级分裂E 原子中原子中的能级的能级晶体中的能带晶体中的能带能带的一般规律能带的一般规律：2. 越是

3、外层电子，能带越是外层电子，能带越宽，越宽， E越大。越大。 1. 原子间距越小，能带原子间距越小，能带越宽，越宽， E越大。越大。 3. 两个能带有可能重叠。两个能带有可能重叠。禁带禁带：两个相邻能带间：两个相邻能带间可能有一个不被允许的可能有一个不被允许的能量间隔。能量间隔。离子间距离子间距r02p2s1sEO能带重叠示意图能带重叠示意图电子在能带中的分布：电子在能带中的分布：1、每个能带可以容纳的电子数等于与该能带相应、每个能带可以容纳的电子数等于与该能带相应的原子能级所能容纳的电子数的的原子能级所能容纳的电子数的N倍（倍（N是组成晶是组成晶体的原子个数）。体的原子个数）。2、正常情况下

4、，总是优先填能量较低的能级。、正常情况下，总是优先填能量较低的能级。满带满带：各能级都被电子填满的能带。：各能级都被电子填满的能带。 满带中电子不参与导电过程。满带中电子不参与导电过程。价带价带：由价电子能级分裂而形成的能带。：由价电子能级分裂而形成的能带。 价带能量最高，可能被填满，也可不满。价带能量最高，可能被填满，也可不满。空带空带：与各原子的激发态能级相应的能带。：与各原子的激发态能级相应的能带。 正常情况下没有电子填入。正常情况下没有电子填入。 禁带禁带gE 空带空带（导带）（导带）满带满带 导带导带 满带满带三、导体和绝缘体三、导体和绝缘体当温度接近热力学温度零度时，半导体和绝缘当

5、温度接近热力学温度零度时，半导体和绝缘体都具有满带和隔离满带与空带的禁带。体都具有满带和隔离满带与空带的禁带。 禁带禁带gE 空带空带满带满带半导体能带半导体能带eV.Eg5110 禁带禁带空带空带满带满带绝缘体能带绝缘体能带eVEg63 禁带禁带gE 价带价带满带满带 空带空带满带满带 空带空带价带价带 gE 满带满带一个好的金属导体，它最上一个好的金属导体，它最上面的能带或是未被电子填满，面的能带或是未被电子填满，或虽被填满但填满的能带却或虽被填满但填满的能带却与空带相重叠。与空带相重叠。四、半导体四、半导体 本征半导体本征半导体是指纯净的半导体。是指纯净的半导体。杂质半导体杂质半导体是指

6、掺有杂质半导体。是指掺有杂质半导体。电子导电电子导电半导体的载流子是电子半导体的载流子是电子空穴导电空穴导电半导体的载流子是空穴（满带上半导体的载流子是空穴（满带上 的一个电子跃迁到空带后的一个电子跃迁到空带后, ,满带满带 中出现的空位）中出现的空位）电子共有化是指电子在不同原子的相同能电子共有化是指电子在不同原子的相同能级上转移而引起的，电子不能在不同能级上转移，级上转移而引起的，电子不能在不同能级上转移，因为不同能级具有不同的能量。因为不同能级具有不同的能量。而杂质原子与原组成晶体的原子不一样，因而杂而杂质原子与原组成晶体的原子不一样，因而杂质原子的能级和晶体中原子的能级不相同，在这质原

7、子的能级和晶体中原子的能级不相同，在这些能级上的电子由于能量的差异，不能过度到其些能级上的电子由于能量的差异，不能过度到其他原子的能级上去，即不参与电子的共有化。他原子的能级上去，即不参与电子的共有化。量子力学证明，杂质原子的能级处于禁带中，量子力学证明，杂质原子的能级处于禁带中，不同类型的杂质，其能级在禁带中的位置也不同。不同类型的杂质，其能级在禁带中的位置也不同。有些杂质能级离导带较近，有些离导带较远。杂有些杂质能级离导带较近，有些离导带较远。杂质能级的位置不同，杂质半导体的导电结构也不质能级的位置不同，杂质半导体的导电结构也不同，按其导电结构，杂质半导体可分为两类：一同，按其导电结构，杂

8、质半导体可分为两类：一类以电子导电为主，称类以电子导电为主，称 n n 为型半导体为型半导体. . 另一类另一类以空穴导电为主，称以空穴导电为主，称 p p 为型半导体为型半导体. .SiSiSiSiSiSiSiP1、 n型半导体型半导体 在四价元素（硅在四价元素（硅、锗锗）中掺入少量五价元素）中掺入少量五价元素（磷（磷、砷砷），形成），形成n型半导体。型半导体。导带导带施主施主能级能级 gE 满带满带DE E SiSiSiSiSiSiSi2、 p型半导体型半导体 在四价元素（硅在四价元素（硅、锗锗）中掺入少量三价元素（硼）中掺入少量三价元素（硼、镓镓） ，形成，形成p型半导体。型半导体。B

9、导带导带受主受主能级能级 gE 满带满带AE E3、p-n结的形成结的形成由于由于n区的电子向区的电子向p区扩区扩散，散，p区的空穴向区的空穴向p区扩区扩散，在散，在p型半导体和型半导体和n型型半导体的交界面附近产半导体的交界面附近产生了一个电场生了一个电场 , , 称为称为内内电场电场。p- -n结结阻阻En型型p型型0U导带导带禁带禁带满带满带 区区p区区n )a( 0eU区区p区区n )b(电电子子电电势势能能p-n结的单向导电性结的单向导电性在在p-n结的结的p型区接电源型区接电源正极正极，n区接负极区接负极阻挡层势垒被削弱、变阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向窄，有利于空穴向n区区

10、运动，电子向运动，电子向p区运动，区运动，形成形成正向电流正向电流。Ep型型n型型I阻阻EU（伏）（伏）I （毫安）（毫安）O在在p-n结的结的p型区接电型区接电源负极，源负极，n区接正极区接正极。阻挡层势垒增大、变阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向宽，不利于空穴向n区区运动，也不利于电子运动，也不利于电子向向p区运动区运动。U(伏伏)I（微安）（微安）Ep型型n型型阻阻EI4、半导体的其他特征和应用、半导体的其他特征和应用热敏电阻热敏电阻半导体的电阻随温度的升高而指数下降，半导体的电阻随温度的升高而指数下降，导电性能随变化十分灵敏。导电性能随变化十分灵敏。热敏电阻体积小、热惯性小、寿命长热敏电阻体积小、热惯性小、寿命长光敏电阻光敏电阻在可见光照射下，半导体硒的电阻随光强增加而急在可见光照射下，半导体硒的电阻随光强增加而急剧减小，但要求照射光的频率大于红限频率。剧减小，但要求照射光的频率大于红限频率。人有了