大学物理m固体中电子

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,1,3.1 固体的能带(Energy Bands in Solids),晶体,准晶体,非晶体,固体,晶体结构点阵基元,能带的由来,第,1,页,/,共,38,页,2,晶体结构点阵基元,X,射线衍射极大的方向，对应于,X,射线在一组晶面上反射后干涉相长的方向：,对实验结果的解释：,晶面,d,晶面间距,掠射角,布拉格,(W.L.Bragg),公式,XRD of 001 textured PMN32PT,第,2,页,/,共,38,页,3,晶格衍射图样,第,3,页,/,共,38,页,4,周期性势场和电子的共有化,例：价电子在,Na,+,的电场中的势能特点,一维晶体点阵形成的周期性势能函数曲线,E,P,r,+,+,+,+,+,r,E,+,d,E,电子能量,E,低，穿过势垒概率小，共有化程度低,电子能量,E,高，穿过势垒概率大，共有化程度高,第,4,页,/,共,38,页,5,先看两个原子的情况,.,Mg,.,Mg,根据泡利不相容原理，原来的能级已填满不能再填充电子,1s,2s,2p,3s,3p,1s,2s,2p,3s,3p,分裂为两条,第,5,页,/,共,38,页,6,各原子间的相互作用,原来孤立原子的能级发生分裂,若有,N,个原子组成一体，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,（,energy band,）,第,6,页,/,共,38,页,7,能带的宽度记作,E,，,E,eV,的量级,若,N,10,23,，则能带中两相邻能级的间距约为,10,23,eV,。,第,7,页,/,共,38,页,8,原子间的相互作用,原子能级分裂成能带,e.g.,1s,2s,2p,第,8,页,/,共,38,页,9,电子对能带的填充,服从泡利不相容原理和能量最低原理,.,满带,(filled band),所有量子态都被电子占据的能带,.,空带,(empty band),所有量子态都没有被电子占据的能带,.,价带,(valence band),由原子中价电子能级分裂成的能带,.,价带可能是满带,(,例如金刚石,),，也可能不是满带,(,例如碱金属,).,第,9,页,/,共,38,页,10,能带理论,指出：,若电子处于未被填满的能带中，则在外电场作用下，电子可以跃入能带中较高的空能级，从而参与导电,.,通常，未被填满的价带是导带；位于满带上方的空带，在外界,(,光、热等,),激发下，会有电子跃入，也称为导带,.,导带,(conduction band),具有能导电的电子的最高能带,.,禁带,(forbidden band),两相邻能带间，不能被电子占据的能量范围,.,第,10,页,/,共,38,页,11,禁带,空带,(,导带,),禁带,满带,价带,(,满带,),能带分布：,满带,空带,禁带,禁带,E,价带,(,导带,),第,11,页,/,共,38,页,12,能带论对固体导电性的解释,导体,电阻率,10,8,m,半导体,10,8,m,10,8,m,能带论的解释：,导体中，或是价带未被填满，或是价带与上方的空带交叠,价电子都能参与导电,导体有良好的导电性能,第,12,页,/,共,38,页,13,1.,导体、绝缘体、半导体,导体,conductor,绝缘体,insulator,半导体,semiconductor,定义,易导电,不易或不导电,导电性能介于导体与绝缘体之间,例子,金、银、铜、铁等,塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等,硅(,Si)、,锗(,Ge),、GaAs等,电阻率,小于10,8,m,大于10,8,m,10,8,m 与10,8,m之间,能带图,禁带宽度,Eg,36eV,0.11.5eV,Na,，,K,，,Cu Mg,、,Be,、,Zn,第,13,页,/,共,38,页,14,半导体中，价带已满，但上面的禁带宽度较小,(1eV),，在常温下有一定数量的电子从价带跃入上方的空带，能参与导电。但导电电子数密度,(10,16,/m,3,),远小于导体中的值,(10,28,/m,3,),导电性能不及导体。,第,14,页,/,共,38,页,15,1.,导体、绝缘体、半导体,导体,conductor,绝缘体,insulator,半导体,semiconductor,定义,易导电,不易或不导电,导电性能介于导体与绝缘体之间,例子,金、银、铜、铁等,塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等,硅(,Si)、,锗(,Ge),、GaAs等,电阻率,小于10,8,m,大于10,8,m,10,8,m 与10,8,m之间,能带图,禁带宽度,Eg,36eV,0.11.5eV,Na,，,K,，,Cu Mg,、,Be,、,Zn,第,15,页,/,共,38,页,16,绝缘体中，价带已满，且上面的禁带宽度较大,(,5eV),。在常温下只有极少数电子能从价带跃入上方的空带,导电电子数密度极小,导电性能很差。,第,16,页,/,共,38,页,17,1.,导体、绝缘体、半导体,导体,conductor,绝缘体,insulator,半导体,semiconductor,定义,易导电,不易或不导电,导电性能介于导体与绝缘体之间,例子,金、银、铜、铁等,塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等,硅(,Si)、,锗(,Ge),、GaAs等,电阻率,小于10,8,m,大于10,8,m,10,8,m 与10,8,m之间,能带图,禁带宽度,Eg,36eV,0.11.5eV,Na,，,K,，,Cu Mg,、,Be,、,Zn,第,17,页,/,共,38,页,18,3.2,半导体,(Semiconductors),两种导电机制,在常温下，有部分价电子从满带跃入上方的空带，从而在满带中留下一些空的量子态,空穴,(hole).,跃入空带中的电子可参与导电,电子导电；,留在满带中的空穴也可参与导电，可用,“带正电的空穴”,的运动来描绘,空穴导电,.,纯净,(,本征,),半导体：导带中的电子数等于满带中的空穴数,.,第,18,页,/,共,38,页,19,2.,电子、空穴,半导体导电机理,电子,空穴,空穴的存在，满带中有了空位，可以导电,半导体导电与金属导电方式的不同,？,半导体,：,空穴,+,自由电子,金属导体,：,自由电子,电子导电,：,由于导带内电子引起电流,空穴导电,：,由于满带中缺少电子引起电流,只有电子运动,第,19,页,/,共,38,页,20,杂质的影响,杂质半导体,(extrinsic semiconductors),分为两类,:,电子型,(N,型,),半导体,掺有施主杂质，以电子为多数载流子的半导体,.,(Nnegative),施主,(donor),杂质：进入晶格，与周围基质原子形成晶体原有的电子结构后，尚有多余价电子,.,e.g.,在四价元素半导体,(Si,Ge),中掺入五价杂质,(P,As),施主杂质,.,第,20,页,/,共,38,页,21,掺入施主杂质后,在价带上面的禁带中靠近导带,(,E10,-2,eV,),处,出现杂质能级,施主能级,.,常温下,E,价带,导带,低温下,施主能级,第,21,页,/,共,38,页,22,常温下，施主能级上的电子很容易跃入导带，相对说来，从价带跃入导带的电子数很少,导带中的电子数远多于价带中的空穴数,在,N,型半导体中，电子是,多数载流子,(majority carrier,，简称,多子,),，而空穴是,少数载流子,(minority carrier,，简称,少子,).,第,22,页,/,共,38,页,23,空穴型,(P,型,),半导体,掺有受主杂质，以空穴为多数载流子的半导体,.,(Ppositive),受主,(acceptor),杂质：进入晶格，与周围基质原子形成晶体原有的电子结构时，缺少价电子,.,e.g.,在四价元素半导体,(Si,Ge),中掺入三价杂质,(B,Al),受主杂质,.,掺入受主杂质后，在价带上面的禁带中靠近价带,(,E10,-2,eV,),处，出现杂质能级,受主能级,.,第,23,页,/,共,38,页,24,常温下,E,价带,导带,低温下,受主能级,常温下，价带中的电子很容易跃入受主能级，相对说来，跃入导带的电子数很少,价带中的空穴数远多于导带中的电子数,在,P,型半导体中，空穴是,多子,，电子是,少子,.,第,24,页,/,共,38,页,25,3.1,半导体的掺杂性,Si,为例,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,本征半导体,n,型半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+5,+4,+4,+4,p,型半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+3,+4,+4,+4,As,V,族：,N,、,P,、,As,、,Sb,、,Bi,B,III,族：,B,、,Al,、,Ga,、,In,、,Tl,Eg,导 带,满 带,E,E,A,受主能级,空穴浓度增加；,空穴多子，电子少子,Eg,电子空穴对浓度小,热激发：电子空穴对,导 带,满 带,E,导 带,E,E,D,施主能级,电子浓度增加；,电子多子（热激发,+,掺杂）,空穴（热激发）少子,Eg,满 带,掺杂可以提高半导体的导电性能,室温本征硅电阻率2.310,5,cm，掺入10,6,砷，电阻率变为0.2,cm,第,25,页,/,共,38,页,26,外场的影响,热激发,温度,跃迁电子数 载流子数 电阻,.,应用：,热敏电阻器,(thermistor).,金属,R,T,半导体,o,第,26,页,/,共,38,页,27,3.2,半导体的热敏性,环境温度升高,时,本征半导体,的,电阻率下降,，导电能力增强。,金属导体,的,电阻率增大,，导电能力下降。,温度升高时，金属原子的热运动加剧，会阻碍电子的定向运动,室温附近，温度升高,8,o,C,，,纯,Si,的电阻率降低为原来的一半；,室温附近，温度升高,12,o,C,，,纯,Ge,的电阻率降低为原来的一半。,热敏电阻,利用半导体材料制成的电阻器，对温度、热量的反应极其灵敏。,片状,针状,电子温度计,电阻率,R,温度,T,0,半导体,金属,导带,满带,E,Eg,导带,满带,E,Eg,温度升高,本征激发,在电子体温计，电饭煲等自动化、无线电技术、远距离控制与红外测量都有广泛应用价值。,第,27,页,/,共,38,页,28,光激发,光照,跃迁电子数 载流子数 电阻,.,光电导现象,应用：,光敏电阻器,(photoresistor).,第,28,页,/,共,38,页,29,3.3,半导体的光敏性,光电导现象：当受到光照时，其导电能力增强。,施主能级,导带,满带,hv,n,型半导体,导带,满带,受主能级,hv,p,型半导体,光激发的自由载流子。,光生载流子,内光电效应,光生载流子越多，物体导电能力越强，并且载流子没有逸出体外的光电导现象。,导带,满带,hv,本征半导体,hvEg,利用半导体的光电效应制成的电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器,。,光敏电阻,其他应用：光敏二极管、,光敏三极管、,光敏电池 等,光敏电阻,光敏二极管,第,29,页,/,共,38,页,30,PN结(PN junction),P,型半导体与,N,型半导体的交界区,.,P,N,+,+,+,P,N,在交界区,因载流子扩散而形成电偶层,阻挡层,(,厚度约,1,m,场强约,10,6,10,8,V/m).,PN结的特性：,单向导电性.,PN结的应用：,整流,(rectification).,第,30,页,/,共,38,页,31,4.1 pn,结,形成,p,n,接触前,接触,扩散电流,U,0,内建电场,阻挡层：,U,0,势垒区,阻碍,n,区电子进入,p,区，,同时阻碍,p,区空穴进入,n,区。,动态平衡,p,n,+,-,U,0,总电流,=0,扩