杨莉-大物ii课件 第18章固体的能带结构

第18章固体的能带结构§18-1晶体*非晶体§18-2晶体中的电子能带结构§18-3半导体绝缘体导体的能带§18-4半导体的导电机构固体：晶体、非晶体

晶体特点：

有规则对称的几何外形；

物理性质(力、热、电、光、……)各向异性；

有确定的熔点；

微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性排列，形成长程有序的空间点阵(晶格)。一、晶体§18-1晶体*非晶体面心立方结构立方结构在晶体中，原子或离子周期性重复排列，形成晶格，或称为空间点阵。金刚石体心立方二.非晶体

非晶态也称为无定形态或玻璃态，其中分子排列在小范围的空间内是短程有序的，但与理想晶体相比，在次近邻原子间的关系上就可能有显著差别。SiO2三.晶体和非晶体的区别(1)晶体有一定对称性的规则外形,非晶体则没有。(2)晶体的物理性质是各向异性的，而非晶体是各向同性的。(3)晶体有一定的熔点，非晶体则没有。(4)晶体在外力的作用下，容易沿着一定的平面(解理面)裂开，而非晶体没有解理面。§18-2晶体中的电子能带结构从泡利不相容原理出发来研究能带的形成。1.电子的共有化晶体中原子排列的很紧密，因而各相邻原子的波函数(或者说外电子壳层)将发生重叠。因此，各相邻原子的外层电子，很难说是属于那个原子，而实际上是处于为各邻近原子乃至整个晶体所共有的状态。这种现象称为电子的共有化。。。Mg两个Mg原子的情况。。Mg1s2s2p3s各原子间的相互作用

原来孤立原子的能级发生分裂。2.能带的形成

若有N个原子组成一体系，对于原来孤立原子的一个能级，就分裂成N条靠得很近的能级，称为能带。能带的宽度记作

E，

E

～eV

的量级。若N~1023，则能带中两相邻能级的间距约10-23

eV。能级能带}

EN条能隙，禁带几个名词：禁带：两个相邻的能带之间的能量间隔。在此间隔中，e不能处于稳定状态，从而形成一个禁区。满带：能带中所有的能级均被e填满。满带中e没有导电作用。空带：能带中所有的能级均没有e填入。导带：能带中只填入部分e。价带：最外层e所在的能带。导带中的能级未被占满，一个电子在外力作用下向其它能级转移时，不一定有相反方向的转移来抵消，所以导带具有导电作用。由于满带中所有能级都被电子占满，因此一个电子在外力作用下向其它能级转移时，必然伴随着相反方向的转移来抵消，所以满带是不导电的。3.电子在能带中的填充和运动满带导带§18-3半导体绝缘体导体的能带1.半导体和绝缘体(电介质)的能带从能带上看，半导体和绝缘体的能带没有本质区别：都具有填满电子的满带和隔离满带与空带的禁带。不同的是，半导体的禁带较窄，而绝缘体的禁带较宽。E空带（导带）满带

Eg=0.1

2eV禁带

(a)半导体的能带

T=0K时（绝缘体）E空带

空带

满带禁带ΔEg=3～6eV(b)绝缘体的能带绝缘体的禁带一般很宽,一般的热激发、光照或外加电场不是特别强时,满带中的电子很少能被激发到空带中去,所以绝缘体有较大的电阻率，导电性极差。半导体的禁带宽度较窄,在通常温度下,有较多的电子受到热激发从满带进入空带,不但进入空带的电子具有导电性能,而且满带中留下的空穴也具有导电性能。所以半导体的导电性虽不及导体但却比绝缘体好得多。满带空带禁带(a)半导体的能带E=0.12eVE满带空带禁带(b)绝缘体的能带E=36eVE2.导体的能带导体的能带特点：都具有一个未被电子填满的能带。在外电场作用下，这些能带中的电子很容易从一个能级跃入另一个能级，从而形成电流,所以导体显示出很强的导电能力。

空带

导带E某些一价金属，Li…

满带空带E某些二价金属，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…

导带空带E如:Na,K,Cu,Al,Ag…§18-4半导体的导电机构1.本征半导体半导体禁带宽度较窄，通常温度下，满带的电子可能受激进入空带。进入空带的电子和留在满带中的空穴在外电场作用下都可导电。这种导电称为本征导电。具有本征导电的半导体，称为本征半导体。参与导电的电子和空穴统称本征载流子。价带0.1~2eV半导体在纯净的半导体里,可以用扩散的方法掺入少量其他元素的原子(称为杂质),掺有杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半导体的导电性能较之本征半导体有很大的改变。2.杂质半导体(1)N型半导体四价元素中掺入五价元素后,其中四个电子可以和邻近的硅原子或锗原子形成共价键,多余的一个电子成为自由电子。本征半导体Si、Ge等的四个价电子，与另四个原子形成共价结合，当掺入少量五价的杂质元素（如P、As等）时，形成了n型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余电子的能级在禁带中紧靠空带处，

E～10-2eV，极易形成电子导电。这种在禁带中，并靠近导带的边缘的附加能级叫施主能级。施主—不断向空带输送电子。容易看出，N型半导体的多数载流子是电子。施主能级与导带底部之间的能量差值很小，通常温度下，施主能级中的电子很容易被激发而跃迁到导带去。大量自由电子的存在大大提高了半导体的导电性能。施主能级导带(空)满带EE=10-2eV(2)P型半导体这种杂质原子在代替晶体中硅或锗原子而构成共价键结构时,将缺少一个电子,这相当于增加一个可供电子填充的空穴。四价的本征半导体Si、Ｇe等掺入少量三价的杂质元素（如Ｂ、Ga、In等）时，就形成空穴型半导体，又称

P型半导体。这种空穴的能级出现在禁带中，并且靠近满带，称为受主能级。导带(空)受主能级E<0.1eV满带E

满带顶部与杂质能级之间的能量很小，在温度不