第三章固體中的電子(ElectronsinSolids)主要內容：固體的能帶結構半導體1§3.1固體的能帶(EnergyBandsinSolids)晶體準晶體非晶體固體晶體結構＝點陣＋基元⒈能帶的由來2晶體結構＝點陣＋基元X射線衍射極大的方向，對應于X射線在一組晶面上反射后干涉相長的方向：對實驗結果的解釋：晶面d晶面間距掠射角——布拉格(W.L.Bragg)公式XRDof[001]texturedPMN–32PT3周期性勢場和電子的共有化例：價電子在Na+的電場中的勢能特點一維晶體點陣形成的周期性勢能函數曲線EPr+++++rE+dE電子能量E低，穿過勢壘概率小，共有化程度低電子能量E高，穿過勢壘概率大，共有化程度高5先看兩個原子的情況.Mg.

Mg根據泡利不相容原理，原來的能級已填滿不能再填充電子1s2s2p3s3p1s2s2p3s3p——分裂為兩條6各原子間的相互作用原來孤立原子的能級發生分裂若有N個原子組成一體，對于原來孤立原子的一個能級，就分裂成

N條靠得很近的能級，稱為能帶（energyband）7原子間的相互作用原子能級分裂成能帶e.g.1s2s2p9⒉電子對能帶的填充——服從泡利不相容原理和能量最低原理.⑴滿帶(filledband)——所有量子態都被電子占據的能帶.⑵空帶(emptyband)——所有量子態都沒有被電子占據的能帶.⑶價帶(valenceband)——由原子中價電子能級分裂成的能帶.價帶可能是滿帶(例如金剛石)，也可能不是滿帶(例如堿金屬).10能帶理論指出：若電子處于未被填滿的能帶中，則在外電場作用下，電子可以躍入能帶中較高的空能級，從而參與導電.通常，未被填滿的價帶是導帶；位于滿帶上方的空帶，在外界(光、熱等)激發下，會有電子躍入，也稱為導帶.⑷導帶(conductionband)——具有能導電的電子的最高能帶.⑸禁帶(forbiddenband)——兩相鄰能帶間，不能被電子占據的能量范圍.11⒊能帶論對固體導電性的解釋導體——電阻率<10–8m半導體——10–8m<<108m絕緣體——>108m能帶論的解釋：⑴導體中，或是價帶未被填滿，或是價帶與上方的空帶交疊

價電子都能參與導電

導體有良好的導電性能131.導體、絕緣體、半導體Na，K，CuMg、Be、Zn14

⑵半導體中，價帶已滿，但上面的禁帶寬度較小(~1eV)，在常溫下有一定數量的電子從價帶躍入上方的空帶，能參與導電。但導電電子數密度(~1016/m3)遠小于導體中的值(~1028/m3)導電性能不及導體。15⑶絕緣體中，價帶已滿，且上面的禁帶寬度較大(～5eV)。在常溫下只有極少數電子能從價帶躍入上方的空帶

導電電子數密度極小

導電性能很差。171.導體、絕緣體、半導體Na，K，CuMg、Be、Zn18§3.2半導體(Semiconductors)⒈兩種導電機制在常溫下，有部分價電子從滿帶躍入上方的空帶，從而在滿帶中留下一些空的量子態——空穴(hole).躍入空帶中的電子可參與導電——電子導電；留在滿帶中的空穴也可參與導電，可用“帶正電的空穴”的運動來描繪——空穴導電.純凈(本征)半導體：導帶中的電子數等于滿帶中的空穴數.19⒉雜質的影響雜質半導體(extrinsicsemiconductors)分為兩類:⑴電子型(N型)半導體——摻有施主雜質，以電子為多數載流子的半導體.(N——negative)施主(donor)雜質：進入晶格，與周圍基質原子形成晶體原有的電子結構后，尚有多余價電子.e.g.在四價元素半導體(Si,Ge)中摻入五價雜質(P,As)——施主雜質.21摻入施主雜質后,在價帶上面的禁帶中靠近導帶(E~10-2eV)處,出現雜質能級——施主能級.常溫下E價帶導帶低溫下施主能級22常溫下，施主能級上的電子很容易躍入導帶，相對說來，從價帶躍入導帶的電子數很少導帶中的電子數遠多于價帶中的空穴數在N型半導體中，電子是多數載流子(majoritycarrier，簡稱多子)，而空穴是少數載流子(minoritycarrier，簡稱少子).23常溫下E價帶導帶低溫下受主能級常溫下，價帶中的電子很容易躍入受主能級，相對說來，躍入導帶的電子數很少

價帶中的空穴數遠多于導帶中的電子數

在P型半導體中，空穴是多子，電子是少子.253.1半導體的摻雜性—Si為例+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半導體n型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+4+4+4p型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+4+4+4AsV族：N、P、As、Sb、BiB

III族：B、Al、Ga、In、TlEg

導帶

滿帶

EEA受主能級

空穴濃度增加；空穴多子，電子少子

Eg

電子空穴對濃度小熱激發：電子空穴對

導帶

滿帶

E導帶

EED施主能級

電子濃度增加；電子多子（熱激發+摻雜）空穴（熱激發）少子Eg

滿帶

摻雜可以提高半導體的導電性能——室溫本征硅電阻率2.3×105Ω·cm，摻入10–6砷，電阻率變為0.2Ω·cm26⒊外場的影響⑴熱激發溫度躍遷電子數載流子數電阻.應用：熱敏電阻器(thermistor).金屬RT半導體o27⑵光激發光照躍遷電子數載流子數電阻.——光電導現象應用：光敏電阻器(photoresistor).293.3半導體的光敏性光電導現象：當受到光照時，其導電能力增強。施主能級導帶滿帶hvn型半導體導帶滿帶受主能級hvp型半導體光激發的自由載流子。光生載流子內光電效應光生載流子越多，物體導電能力越強，并且載流子沒有逸出體外的光電導現象。導帶滿帶hv本征半導體hv≥Eg利用半導體的光電效應制成的電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器

。光敏電阻其他應用：光敏二極管、光敏三極管、光敏電池等光敏電阻光敏二極管30⒋PN結(PNjunction)——P型半導體與N型半導體的交界區.PN+++PN在交界區,因載流子擴散而形成電偶層——阻擋層

(厚度約1m,場強約106~108V/m).PN結的特性：單向導電性.PN結的應用：整流(rectification).314.1pn結—形成pn接觸前接觸擴散電流U0內建電場阻擋層：U0勢壘區—阻礙n區電子進入p區，同時阻礙p區空穴進入n區。動態平衡pn+-U0總電流=0擴散電流漂移電流空間電荷區接觸前接觸后能帶324.2pn結—單向導電性未加偏壓正向偏壓反向偏壓正向偏壓：內建電場與外加電壓反向；勢壘高度降低；阻擋層減薄；多子擴散電流增大，少子漂移電流減小，形成p流向n的正向電流。反向偏壓：內建電場與外加電壓同向；勢壘高度升高；阻擋層增厚；多子擴散困難，擴散電流減小；少子漂移電流增大，可能形成小的反向電流（n到p）。正向偏壓：低電阻性，PN結導通反向偏壓：高電阻性，PN結截止PN結具有單向導電性+-+334.3pn結—伏安特性曲線正向偏壓：低電阻性，PN結導通反向偏壓：高電阻性，PN結截止PN結具有單向導電性+PN結具有整流效應A點：外加正向電壓小于開啟電壓（閾值電壓）時，外電場不足以克服內電場對多子擴散的阻力，PN結處于截止狀態。B點：外加正向電壓大于開啟電壓（閾值電壓），PN結處于導通狀態，電流隨著外加電壓增大而增大。C點：外加反向電壓時，PN結處于截止狀態。1、溫升使反向電流增加很快（本征激發，少子濃度增大）；2、反向電流很小且穩定（少子濃度一定）。D點：反向電壓大于擊穿電壓時，反向電流急劇增加。原因為電擊穿。1、強外電場破壞鍵結構；2、獲得大能量的載流子碰撞原子產生新的電子空穴對。如無限流措施，會造成熱擊穿而損壞。IVABCDPN結伏安特性曲線34⒈固體的能帶⑴能帶的由來⒉半導體⑴兩種導電機制⑵雜質半導體N型：施主雜質、施主能級、多子、少子P型：受主雜質、受主能級、多子、少子⑶能帶論對固體導電性的解釋⑵滿帶,空帶,價帶,導帶,禁帶Chap.3SUMMARY35⑶外場(熱、光)對導電性的影響⑷PN結36⒈本征半導體中參與導電的載流子是電子與空穴，N型半導體中參與導電的載流子是，P型半導體中參與導電的載流子是.答案：電子與空穴電子與空穴EXERCISES37⒉在4價元素半導體中摻