16-11 固体物理简介

一、固体的能带

固体材料由大量的原子(或离子)组成,这些原子以一定的方式排列,原子排列的方式称为固体的结构。长期以来,人们认为固体分为晶体和非晶体。理想晶体中原子排列是十分有规则的,主要体现在原子排列具有周期性,或者称为长程有序。非晶体中原子的排列是杂乱的。另外还有一种介于晶体和非晶体之间的准晶体。固体中原子的微观结构及排列形式,是研究固体材料的宏观性质和各种微观过程的基础。晶体由大量原子有规则地排列而形成。晶体中相邻原子靠得很近,原子排列得又很规则,由于相邻原子的电荷相互影响,从而在晶体内形成了周期性的势场,其势能曲线如图16.25中由虚线叠加所得的实线所示。

通过量子力学可以证明,由于周期势场的作用,能级会在某处断开,而在能级断开的间隔内不存在允许的电子能级,我们称之为禁带。在允许的能级上,由于其他原子的作用,能级会发生分裂。由于N

个原子结合成晶体时产生的电子共有化,而泡利不相容原理又不允许这些共有电子中任意两个电子处于完全相同的量子态,所以原来各个原子中能量相同的能级就分裂为N个与原来能级接近的新能级,当N

很大时,分裂后的新能级十分密集,可以看成是准连续的,这就是能带。禁带和能带如图16.26所示。

如果某一能带中,各个能级均被电子所填满,这种能带称为满带。如果能带中各能级都没有电子填入,这种能带称为空带。填入价电子的能带称为价带,价带可以是满带,也可以不是满带。空带或者未被价电子填满的价带统称为导带,如图16.27所示。

在金属和半导体之间还存在一种中间情况:导带底部和价带顶部发生交叠或具有相同的能量(有时称为具有负禁带宽度或零禁带宽度)的情形下,通常同时在导带中存在一定数量的电子,在价带中存在一定数量的空状态,其导带电子的密度比普通金属小几个数量级,这种情形称为半金属。二、半导体

半导体科学技术是当前最重要的技术之一。用半导体制成的各种器件有着极为广泛的用途,特别是集成电路和大规模集成电路,已经成为现代电子和信息产业乃至现代工业的基础。半导体技术是综合性的科学技术,物理学的研究为半导体技术的发展提供了重要的理论基础。半导体有两类:一类叫本征半导体,另一类叫杂质半导体。纯净无杂质的半导体称为本征半导体。由于热激发或光激发,满带中的价电子会越过禁带跃迁到导带,这时导带中就会出现少量的电子,进入导带中的电子在外场作用下可直接参与导电,称为电子导电。原先充满价电子的满带则出现了带正电的空位,称为空穴。空穴等同于一个带+e的电荷。在外场作用下,满带中的其他电子可以填入这些空穴,但同时又会出现新的空穴,新空穴又可为满带中别的电子所填充,依次类推,空穴就像一个带正电的粒子一样参与导电,称为空穴导电。于是在晶体中就出现了电子和空穴两种载流子,它们在数量上是相等的,并且电荷值也相等,但符号相反,在电场作用下移动方向相反。在本征半导体中,电子导电和空穴导电同时存在,统称为本征导电。

在纯净的半导体中掺入微量杂质就会显著地改变半导体的特性,得到杂质半导体。杂质半导体根据载流子的不同又分为空穴型(简称P型)半导体和电子型(简称N型)半导体。

如果在四价硅中掺入的是五价杂质磷(P)原子,则磷的五个价电子中的四个将与相邻的硅原子形成共价键,余下的价电子仍绕磷离子运动,如图16.28所示。

由于受束缚较小,价电子很容易电离而成为自由电子,其电离能要比硅的禁带宽度小很多。此时便在硅的满带与导带之间产生了一个离导带很近的附加能级,如图16.29所示。

如果在四价硅中掺入的是三价杂质硼(B)原子,则由于硼只有三个价电子,它与相邻的硅原子构成共价键时,缺少一个电子,此时便在相应的硅原子旁出现了一个带正电e电量的空穴,如图16.30所示。

这个空穴由于受到硼离子B-的作用而绕其运动。由于空穴在硼离子B-电场中的电离能要比硅的禁带宽度小很多,因此便在硅的满带和导带之间产生了一个距满带很近的附加能级,如图16.31所示。

三、PN结

PN结是很多半导体器件的核心。采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制作在同一块本征半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面由扩散形成的空间电荷区称为PN结。PN结最简单的性质是具有单向导电性。当P型半导体与N型半导体接触时,因P型半导体中空穴浓度大,而N型半导体中电子浓度大,故P区中的空穴向N区扩散而N区中的电子向P区扩散,于是空间电荷在它们的交界面处积累形成电偶层,使PN结的空间电荷区存在电场,即产生一定的接触电势差。该电偶层产生的电场由N区指向P区,其效果是阻碍空穴和电子的进一步扩散,所以该电势差可以看作势垒。当PN结间电场恰好能阻止空穴和电子的进一步扩散时,PN结间就会形成稳定电场和势垒。

当P接外电源正极,N接外电源负极时,因外部电场的方向与PN结内部电场方向相反,使势垒的高度降低,于是N区中的电子和P区中的空穴较容易通过PN结,从而在电路中形成正向电流。显然,随正向电压增加,正向电流亦增加。

若P区接外电源负极,N区接外电源正极,则外部电场的方向