晶体的能带结构

固体能带结构简介 第5章​  晶体的能带结构 ·固体：晶体、非晶体 ·晶体：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，形成空间点阵(晶格) ·本章介绍 晶体的能带结构 导体、绝缘体和半导体的能带特征 半导体的某些特性与应用。 §1 晶体的能带结构 一、电子共有化 1.周期性势场 (1)孤立原子(单价) ·电子所在处的电势为U，电子的电势能为V。电势能是一个旋转对称的势阱。 (2)两个原子情形 (3)大量原子规则排列情形 晶体中大量原子(分子、离子)的规则排列成点阵结构，晶体中形成周期性势场。 2.电子共有化 为确定电子在周期性势场中的运动，需解薛定谔方程(复杂，略)，仅定性说明。 (1)对能量E1的电子(上图)， ·势能曲线表现为势垒； 电子能量 < 势垒高度 ·且E1较小，势垒较宽，穿透概率小； 仍认为电子束缚在各自离子周围。 ·若E1较大(仍低于势垒高度)，穿透概率较大，由隧道效应，电子可进入相邻原子。 (2)对能量E2的电子 电子能量 > 势垒高度 电子在晶体中自由运动，不受特定离子的束缚。 (3)电子共有化 电子共有化：由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现象。共有化的电子可以在不同原子中的相似轨道上转移，可以在整个固体中运动。 ·原子的外层电子(高能级)，势垒穿透概率较大，属于共有化的电子。 ·原子的内层电子与原子的结合较紧，一般不是共有化电子。 二、能带的形成 ·量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响，原来各原子中能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能级。 ·这些新能级基本上连成一片，形成能带(energy band)。 ·两个氢原子靠近结合成分子时，1S能级分裂为两条。 ·当N个原子靠近形成晶体时，由于各原子间的相互作用，对应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。使原来处于相同能级上的电子，不再有相同的能量，而处于N个很接近的新能级上。 ·能带宽度： E～eV 能带中相邻能级的能差：～10-22eV ·能带的一般规律： (1)外层电子共有化程度显著，能带较宽(E较大) ；内层电子相应的能带很窄。 (2)点阵间距越小，能带越宽，E越大。 (3)两能带有可能重叠。 三、能带中电子的排布 晶体中的一个电子只能处在某个能带中的某一条能级上。 排布原则： (1)服从泡里不相容原理(电子是费米子) (2)服从能量最小原理 ·孤立原子的能级Enl，最多能容纳 2(2l+1)个电子。 ·这一能级分裂成由N条能级组成的能带 后，最多能容纳2Ｎ(2l+1)个电子。 例如， 1s、2s能带，最多容纳2Ｎ个电子； 2p、3p能带，最多容纳6Ｎ个电子。 四、满带、导带和禁带 1.满带：能带中各能级都被电子填满。 ·满带中的电子不能起导电作用 晶体加外电场时，电子只能在带内不同能级间交换，不能改变电子在能带中的总体分布。 ·满带中的电子由原占据的能级向带内任一能级转移时，必有电子沿相反方向转换，因此，不会产生定向电流，不能起导电作用。 2.导带：被电子部分填充的能带。 ·在外电场作用下，电子可向带内未被填充的高能级转移，但无相反的电子转换，因而可形成电流。 ·价带：价电子能级分裂后形成的能带。 有的晶体的价带是导带； 有的晶体的价带也可能是满带。 3.空带：所有能级均未被电子填充的能带。 ·由原子的激发态能级分裂而成，正常情况下空着； ·当有激发因素(热激发、光激发)时，价带中的电子可被激发进入空带； ·在外电场作用下，这些电子的转移可形成电流。所以，空带也是导带。 4.禁带：在能带之间的能量间隙区，电子不能填充。 ·禁带的宽度对晶体的导电性有重要的作用。 ·若上下能带重叠，其间禁带就不存在。 §2 导体、绝缘体和半导体(conductor and insulator) ·晶体按导电性能可分为：导体、绝缘体、半导体； ·导体：电阻率 10-8 m 绝缘体：电阻率 108 m 半导体：电阻率介于以上二者之间。 硅、硒、碲、锗、硼…元素； 硒、碲、硫 化合物； 金属氧化物； 许多无机物。 ·导电性能的不同，源于它们的能带结构的不同。 一、导体(conductor)的能带结构 1.​ 能带结构 有几种情形： (1)没有满带 导带和空带不重叠(如Li，…) 导带和空带重叠(如Na，K，Cu，Al，Ag) (2)有满带，但满带和空带(或导带)重叠(如某些二价元素Be，Ca，Mg，Zn，Ba) 2.导电 在外电场的作用下，电子容易从低能级跃迁到高能级，形成集体的定向流动(电流)，显出很强的导电能力。 二、绝缘体(insulator)的能带结构 ·禁带较宽(相对于半导 体)，禁带宽度 Eg = 3～6 eV ·一般的热激发、光激发或外加电场不太强时，满带中的电子很难能越过禁带而被激发到空带上去。 ·当外电场非常强时，电子有可能越过禁带跃迁到上面的空带中去形成电流，这时绝缘体就被击穿而变成导体了。 三、半导体的能级特点与导电机制 1.本征半导体 ·本征半导体(intrinsic semiconductor)是指纯净的半导体，导电性能介于导体与绝缘体之间。 (1)能带结构 ·和绝缘体相似，只是 半导体的禁带宽度很 小(ΔEg= 0.1～2eV) ·加热、光照、加电场都能把电子从满带激发到空带中去，同时在满带中形成“空穴”(hole)。 (2)导电机制 ·在电场作用下，电子和空穴均可导电，它们称作本征载流子； ·它们的导电形成半导体的本征导电性。 思考：为什么半导体的电阻会随温度升高而降低？ 2.​ 杂质半导体(impurity semiconductor) ·如在纯净的半导体中适当掺入杂质，可提高半导体的导电能力；能改变半导体的导电机制。 ·按导电机制，杂质半导体可分为n型(电子导电)和p型(空穴导电)两种。 (1)n型半导体 ·n型半导体：四价的本征半导体Si、Ge等掺入少量五价的杂质(impurity)元素(如P、As等)就形成了电子型半导体，也称n型半导体。 图中掺入的五价P原子在晶体中替代Si的位置，构成与Si相同的四电子结构，多出的一个电子在杂质离子的电场范围内运动。 ·由量子力学，杂质的(多余电子)的能级在禁带中，且紧靠空带(或导带，下同)。图中能量差 ED～10-2eV ， ED Eg (禁带宽度) ·施主(donor)能级：这种杂质能级因靠近空带，杂质价电子极易向空带跃迁。因向空带供应自由电子，所以这种杂质能级称施主能级。 ·因搀杂(即使很少)，会使空带中自由电子的浓度比同温下纯净半导体空带中的自由电子的浓度大很多倍，从而大大增强了半导体的导电性能。 ·这种杂质半导体称电子型半导体或n型半导体。 其导电机制：杂质中多余电子经激发后跃迁到空带(或导带)而形成的。 在n型半导体中， 电子 ─ 多数载流子 空穴 ─ 少数载流子 (2)p型半导体 ·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)形成空穴型半导体，也称p型半导体。 ·这种杂质的能级紧靠满带顶处，图中EA<10-1eV，满带中的电子极易跃入此杂质能级，使满带中产生空穴。这种杂质能级因接受电子而称受主(acceptor)能级。 ·这种搀杂使满带中的空穴的浓度较纯净半导体的空穴的浓度增加了很多倍，从而使半导体的导电性能增强。这种杂质半导体 称空穴型半导体，或p型半导体。 导电机制：主要是由满带中空穴的运动形成的。 在P型半导体中 空穴 ─ 多数载流子 电子 ─ 少数载流子 四、 p‐n结 1.​ p‐n结的形成 ·在半导体内，由于掺杂的不同，使部分区域是n型，另一部分区域是p型，它们交界处的结构称为p‐n结(P-N junction)。 (1) p‐n结处电偶层的形成 ·如图，n型和p型半导体接触， n区(电子多、空穴少)的电子向p区扩散， p区(空穴多、电子少)的空穴向n区扩散， 在交界面处形成正负电荷的积累，交界处形成电偶层，此即p‐n结，厚度约10-7m。 · p‐n结处存在由np的电场，称为内建场。此电场将遏止电子和空穴的继续扩散，最后达动平衡状态。 ·稳定后，n区相对p区有电势差U0 (n比 p高)。p‐n 结也称势垒区。 (2) p‐n结处能带的弯曲 p‐n结的形成使其附近能带的形状发生 了变化。 ·对带正电的空穴，，其电势能曲线类似于图中上部的电势曲线，效果是阻止左边p区的空穴向右扩散； 对带负电的电子来说，它的电势能曲线如图的下部所示，阻止右边n区的电子向左扩散。 ·考虑到p‐n结的存在，半导体中电子的能量应考虑进这势垒带来的电子附加势能，所以电子的能带会出现弯曲现象。 ·能带的弯曲对n 区的电子和p区的空穴 都形成一个势垒，阻碍n 区电子和p区空穴进入对方区域。这一势垒区也称阻挡层(deplection zone)。 2.​ p‐n结的单向导电性 由于p‐n结处阻挡层的存在，把电压加到p‐n结两端时，阻挡层处的电势差将发生变化。 (1)正向偏压 ·在p‐n结的p端接电源正极，n端接负 极，这叫对P--N结加正向偏压(如图)。此时与反向，阻挡层势垒削弱、变窄，有利于空穴向n型区、电子向ｐ型区移动，即形成正向电流(mA级)。 ·外加电压越大，正向电流也越大，而且呈非线性的伏安特性。 2.反向偏压 ·在p‐n结的p型一端接电源负极，另一端接正极，这叫对p‐n结加反向偏压。此时与同向，阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向n型区、电子向p型区移动。 ·但是，由于少数载流子的存在，在外电场作用下，会形成很弱的反向电流，称为漏电流(Ａ级)。 ·当反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大，这称为反向击穿。 ·由上可知，p‐n结可以作成具有整流、开关等作用的晶体二极管(diode)。 §7 半导体的其他特性和应用 1.热敏电阻 ·根据半导体的电阻值随温度的升高而迅速下降的现象制成的半导体器件，称为热敏电阻(thermosensitive resistance)。 ·热敏电阻有体积小，热惯性小，寿命长等优点，已广泛应用于自动控制技术。 2.光敏电阻 ·半导体硒，在照射光的频率大于其红限频率时，它的电阻值有随光强的增加而急剧减小的现象。利用这种特性制成的半导体器件称为光敏电阻(photosensitive resistance)。 ·光敏电阻是自动控制、遥感等技术中的一个重要元件。 3.温差热电偶 ·把两种不同材料的半导体组成一个回路，并使两个接头具有不同的温度，会产生较大的温差电动势，称为半导体温差热电偶。温度每差一度，温差电动势能够达到、甚至超过1毫伏。 ·利用半导体温差热电偶可以制成温度计，或小型发电机。 4.集成电路 ·p‐n结的适当组合可以作成具有放大功 能的晶体三极管(trasistor)，以及各种晶体管。进一步可将它们作成集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。 ·下图为一个微处理器 (INMOS T900) 每一个集成块(图中一个长方形部分)约为手指甲大小，它有300多万个三极管。 5.半导体激光器(在第四章激光中已讲) 6.半导体场致发光材料(略) 等等。