2-1第二章半导体共78页
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半导体二极管及基本电路PPT课件
• 基础知识 • 半导体二极管 • 二极管基本电路及分析方法 • 稳压二极管及电路分析方法
5
第5页/共71页
1.1 半导体的基础知识
一.半导体
• 按物体的导电性能,可将物体分为导体、绝缘 体和半导体三类。
① 导体:电阻率很低、电流易通过、导电性强的 物体。
② 绝缘体:电阻率很高、电流不通过、无导电能 力的物体。
• 一般情况下,锗管反向电流I R>硅管I R反向电流。
27
第27页/共71页
综述:
• 1)二极管的 V—A 特性为非线性;
• 2)当 导通;
时,且 U D >U T ,则 D
• 3)当 -U BR < U D < U T ,有I R ≈0,则 D 截 止;
• 4)当
时,且 绝对值U R > U
BR ,则反向击穿烧坏。
一、课程的性质及任务
• 1. 本课程是一门电子技术方面的入门技术基础课,是研究各种半导体器件、 电子线路及应用的一门学科。
• 2. 学生通过本课程的学习,掌握一些有关电子技术的基本理论、基本知识, 为今后进一步学习打下一定的基础。
1
第1页/共71页
• 二 研究对象
• 1.电子器件的特性、参数; • 2.电子线路分析的基本方法:即模拟电路和数字电路的分析方法。 • 3.有关应用。
由此得知: • 1)稳压管的 V—A 特性为非线性,且反向特性
很陡,; • 2)稳压管有导通、截止、击穿三个状态,常工作
于反向击穿状态。
35
第35页/共71页
二. 主要参数
1). 稳定电压 UZ
• DZ在正常工作下管子两端的电压,也就是它 的反向击穿电压。
2). 稳定电流 IZ
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1.1 半导体的基础知识
一.半导体
• 按物体的导电性能,可将物体分为导体、绝缘 体和半导体三类。
① 导体:电阻率很低、电流易通过、导电性强的 物体。
② 绝缘体:电阻率很高、电流不通过、无导电能 力的物体。
• 一般情况下,锗管反向电流I R>硅管I R反向电流。
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综述:
• 1)二极管的 V—A 特性为非线性;
• 2)当 导通;
时,且 U D >U T ,则 D
• 3)当 -U BR < U D < U T ,有I R ≈0,则 D 截 止;
• 4)当
时,且 绝对值U R > U
BR ,则反向击穿烧坏。
一、课程的性质及任务
• 1. 本课程是一门电子技术方面的入门技术基础课,是研究各种半导体器件、 电子线路及应用的一门学科。
• 2. 学生通过本课程的学习,掌握一些有关电子技术的基本理论、基本知识, 为今后进一步学习打下一定的基础。
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• 二 研究对象
• 1.电子器件的特性、参数; • 2.电子线路分析的基本方法:即模拟电路和数字电路的分析方法。 • 3.有关应用。
由此得知: • 1)稳压管的 V—A 特性为非线性,且反向特性
很陡,; • 2)稳压管有导通、截止、击穿三个状态,常工作
于反向击穿状态。
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二. 主要参数
1). 稳定电压 UZ
• DZ在正常工作下管子两端的电压,也就是它 的反向击穿电压。
2). 稳定电流 IZ
半导体整套课件完整版电子教案最全PPT整本书课件全套教学教程
1.正向特性 图1-10所示曲线①部分为正向特性。在二极管两端加正向
电压较低时,由于外电场较弱,还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力,所以正向电流很小,几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时,由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小,且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化,处于饱和状 态,所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安,锗管的反向饱和电流可达几百微 安,如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示,当反向电压增加到一定数值 时,反向电流急剧增大,这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响,使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用,首先取决于其内部结构特点,即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大,这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低,以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管,应正向偏置,使发射结导通,以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置,以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力,从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体,它们都是四价元素,在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中,由于原子排列的有序性,价电子为相邻的原子所共有, 形成了如图1-1所示的共价键结构,图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时,其共价键 中的价电子被束缚得很紧,不能成为自由电子,这时的半导 体不导电,在导电性能上相当于绝缘体。但是,当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时,就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚,成为自 由电子,同时在共价键中留下一个空位,这个现象称为本征 激发,如图1-2所示,自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子,叫做载流子。
电压较低时,由于外电场较弱,还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力,所以正向电流很小,几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时,由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小,且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化,处于饱和状 态,所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安,锗管的反向饱和电流可达几百微 安,如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示,当反向电压增加到一定数值 时,反向电流急剧增大,这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响,使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用,首先取决于其内部结构特点,即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大,这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低,以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管,应正向偏置,使发射结导通,以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置,以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力,从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体,它们都是四价元素,在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中,由于原子排列的有序性,价电子为相邻的原子所共有, 形成了如图1-1所示的共价键结构,图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时,其共价键 中的价电子被束缚得很紧,不能成为自由电子,这时的半导 体不导电,在导电性能上相当于绝缘体。但是,当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时,就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚,成为自 由电子,同时在共价键中留下一个空位,这个现象称为本征 激发,如图1-2所示,自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子,叫做载流子。
半导体物理第二章ppt课件
引进有效质量,半导体中的电子所受的外力与
加速的关系和牛顿第二定律类似。
3、引进有效质量的意义:
由
a= f
m
* n
可以看出有效质量概括了半导体内
部势场的作用,使得在解决半导体中电子在
外力作用下的运动规律时,可以不涉及半导
体内部势场的作用。
课堂练习:习题3(P58)
2.6.3 状态密度、态密度有效质量、电导有效质量
近出现了一些空的量子状态,在外电场的作用下, 停留在价带中的电子也能够起导电的作用,把价带 中这种导电作用等效于把这些空的量子状态看做带 正电荷的准粒子的导电作用,常称这些空的量子状 态为空穴
2.3.2 金属、半导体、绝缘体的能带
2.4 半导体的带隙结构
间接能隙结构—即价带的最高 点与导带的最低点处于K空间 的不同点
3、 测不准关系
当微观粒子处于某一状态时,它的力学量(坐 标、动量、能量等)一般不具有确定的数值。
如: p g xh 同 一 粒 子 不 可 能 同 时 确 定 其 坐 标 和 动 量
测不准原理告诉我们,对微观粒子运动状态分 析,需用统计的方法。
4、 波函数
波函数 r ,t 描述量子力学的状态
= hk m
h2k 2 E
2m
对于波矢为k的运动状态,自由电子的能量E和动
量P,速度v均有确定的数值,因此,波矢量 k可
用以描述自由电子的运动状态,不同的k值标致
自由电子的不同状态。
6、 单原子电子
电子的运动服从量子力学,处于一系列特定的 运动状态---量子态,要完全描述原子中的一个电 子的运动状态,需要四个量子数。
氧的电子组态表示的意思:第一主轨道上有两个电子 ,这两个电子的亚轨道为s,(第一亚层);第二主轨 道有6个电子,其中有2个电子分布在s 亚(第一亚层) 轨道上,有4个电子分布在p亚轨道上(第二亚层)
半导体二极管及-PPT课件
_ P
- - -
内电场被被加强,多 子的扩散受抑制。少 子漂移加强,但少子 数量有限,只能形成 较小的反向电流。
N
+
+
内电场 外电场
R
E
PN结加反向电压的情形
3 PN结的伏安特性 PN结的伏安特性曲线:图2-4
伏安特性曲线(2-4) 对应表:
3.PN结的反向击穿
二极管处于反向偏置时,在一定的电压范围 内,流过PN结的电流很小,但电压超过某一数值时,反向电流急剧增 加,这种现象我们就称为反向击穿。
2-13
2-14
2.5.3 .1光电二极管
反向电流随光照强度的增加而上升。
I
U
照度增加
2.5.3 .2发光二极管
有正向电流流过
时,发出一定波长
范围的光,目前的 发光管可以发出从 红外到可见波段的 光,它的电特性与
一般二极管类似。
第二章结束
指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反 向电流大,说明管子的单向导电性差,因此反向 电流越小越好。反向电流受温度的影响,温度越 高反向电流越大。硅管的反向电流较小,锗管的 反向电流要比硅管大几十到几百倍。 以上均是二极管的直流参数,二极管的应用 是主要利用它的单向导电性,主要应用于整流、 限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。
对于二极管其动态电阻为:
du 1 1 u t u u di 1 di Ut Ut Is d ( Is ( 1 )) * e e du du
5. 二极管的极间电容
二极管的两极之间有电容,此电容由两部分组成:势垒 电容CB和扩散电容CD。 势垒电容:势垒区是积累空间电荷的区域,当电压变化时, 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化,这样所表现出 的电容是势垒电容。 扩散电容:为了形成正向电流 (扩散电流),注入P 区的少子 (电子)在P 区有浓度差,越靠 近PN结浓度越大,即在P 区有电 子的积累。同理,在N区有空穴的 积累。正向电流大,积累的电荷 多。这样所产生的电容就是扩散 电容CD。
半导体二极管及其基本电路课件
半导体二极管及其基本电路
自由电子
12
N型半导体结构
提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带 单位正电荷而成为正离子,因此五价杂质原子也称为 施主杂质。N型半导体的结构示意图如下图所示。
自由电子 磷原子核
所以,N型半导体中的导电粒子有两种:
自由电子—多数载流子(由两部分组成)
空穴——少数半载导体流二极子管及其基本电路
硅晶体的空间排列
共价键结构平面示意图
半导体二极管及其基本电路
5
共价键性质
共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子
组成的,这两个电子被成为束缚电子。
束缚电子同时受两个原子的约束,如果没有足够
的能量,不易脱离轨道。
因此,在绝对温度T=0K(-273 C)时,由于共
价键中的电子被束缚着,本征半导体中没有自由电子,
不导电。只有在激发下半,导体本二极征管及半其基导本电体路 才能导电。
6
3. 电子与空穴
当导体处于热 力 学 温 度 0K 时 ,
自由电子
空穴
束缚电子
导体中没有自由电
子。当温度升高或
共
受到光的照射时, 价电子能量增高,
+4
+4
价
键
有的价电子可以挣
脱原子核的束缚,
而参与导电,成为
+4
+4
自由电子。 这一现象称为本征激发,也称热激发。
半导体二极管及其基本电路
9
空穴的移动
由于共价键中出现了空穴,在外加能源的激发 下,邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上, 而这个电子原来的位置又出现了空穴,其它电子又有 可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了 电荷迁移—电流。
自由电子
12
N型半导体结构
提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带 单位正电荷而成为正离子,因此五价杂质原子也称为 施主杂质。N型半导体的结构示意图如下图所示。
自由电子 磷原子核
所以,N型半导体中的导电粒子有两种:
自由电子—多数载流子(由两部分组成)
空穴——少数半载导体流二极子管及其基本电路
硅晶体的空间排列
共价键结构平面示意图
半导体二极管及其基本电路
5
共价键性质
共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子
组成的,这两个电子被成为束缚电子。
束缚电子同时受两个原子的约束,如果没有足够
的能量,不易脱离轨道。
因此,在绝对温度T=0K(-273 C)时,由于共
价键中的电子被束缚着,本征半导体中没有自由电子,
不导电。只有在激发下半,导体本二极征管及半其基导本电体路 才能导电。
6
3. 电子与空穴
当导体处于热 力 学 温 度 0K 时 ,
自由电子
空穴
束缚电子
导体中没有自由电
子。当温度升高或
共
受到光的照射时, 价电子能量增高,
+4
+4
价
键
有的价电子可以挣
脱原子核的束缚,
而参与导电,成为
+4
+4
自由电子。 这一现象称为本征激发,也称热激发。
半导体二极管及其基本电路
9
空穴的移动
由于共价键中出现了空穴,在外加能源的激发 下,邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上, 而这个电子原来的位置又出现了空穴,其它电子又有 可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了 电荷迁移—电流。
《半导体材料》PPT课件
• 电子能级:能量单位是电子伏特(ev), 代表一个电子从低电势处移动到高出1V的 电势处所获得的动能。
• 价电子层:给定一种原子,最外部的电子 层就是价电子层,对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
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6
• 固体能带论:解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子:当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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46
• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时, 交界面形成稳定的空间电荷区,即PN结 处于动态平衡。PN结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时,扩散运动与漂移 运动处于动态平衡,通过PN结的电流为零。
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47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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精选课件ppt
25
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26
硅的熔点是1412℃,是一种质硬的脆性材料,变 形很容易破碎,与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体: 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体, 其纯度在99.999999%(8~10个9)。
掺杂半导体:把特定的元素引入到本征半导体中, 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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39
总的电流扩散密度为:
J Jn Jp
qD nnqD pp
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40
2.6载流子的迁移率 迁移率:漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时,将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射,各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数:介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
• 价电子层:给定一种原子,最外部的电子 层就是价电子层,对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
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6
• 固体能带论:解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子:当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时, 交界面形成稳定的空间电荷区,即PN结 处于动态平衡。PN结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时,扩散运动与漂移 运动处于动态平衡,通过PN结的电流为零。
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2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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26
硅的熔点是1412℃,是一种质硬的脆性材料,变 形很容易破碎,与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体: 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体, 其纯度在99.999999%(8~10个9)。
掺杂半导体:把特定的元素引入到本征半导体中, 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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39
总的电流扩散密度为:
J Jn Jp
qD nnqD pp
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40
2.6载流子的迁移率 迁移率:漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时,将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射,各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数:介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
半导体材料导论2-1
表2.2 IV族元素的原子序数与性质
从化学键的角度更容易理解各种半导体材料之间的性质变化的规律性。
我们首先看看元素半导体,它们的化学键属于单纯的共价键。在周期表同一族
内,其原子序数愈大,共价键的键合能愈弱,因此它的熔点愈低,它的禁带宽度 也愈小,如表2.2所示。
这一规律性也基本适用于化合物半导体。图2.9示出了III-V 族化合物半导体的禁带宽度与原子序数和的关系。 化合物半导体的化学键较为复杂。因为两种或两种以上的
能量
3d
图2.2 示出了元素铜的能带形成过程, 3p
a0 当原子相靠近时能级扩展为能带的情形以 及在形成晶体时,在晶体内的原子间距 (即晶格常数)上,能带发生的搭接的现
原子间距离→
图2.2元素铜的能带形成 (其中ao为晶格常数)
象。
图2.3 示出了碳原子形成金刚石晶体时
能带的形成,以及能带间禁带的形成。
化学键理论主要从物质的化学组成、晶体结构等短程序排列来说明半导体材
料的物性与化学组成、杂质行为等问题。 固体的化学键主要有离子键、共价键、金属键、分子键等。 它们的特征列入表2.1 中。
表2.1 化学键的构造及其物理性质
(a) 离子键
(b) 共价键
(c) 范德华键
(d) 金属键
图2.5 不同化学键的电子分布 各种键的本质区别在于价电子对各个原子间的不同分配关系,图2.5示出了前四种化 学键的价电子分配关系。 在离子键中,如NaCl,Na原子将其价电子完全给了Cl而形成Na+离子与Cl-离子。这 种物质在常温下为绝缘体,但在熔融状态则靠离子导电。 以金刚石为代表的是外围价电子共用的共价键。 以Ar为代表的范德华键是靠瞬时电偶极矩的感应和引力形成的键。 以金属Mg的外围电子形成自由电子为正离子Mg2+所共享,并被正离子产生的库仑力 所吸引。
半导体物理学第二章ppt课件
B
P型半导体
EA
最新课件
受主能级
EC
EA EV
12
半导体的掺杂
• Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受
主和施主杂质,它们在禁带中引入了能
级;受主能级比价带顶高
E
,施主能级
A
比导带底低 E D ,均为浅能级,这两种
杂质称为浅能级杂质。
• 杂质处于两种状态:中性态和离化态。 当处于离化态时,施主杂质向导带提供 电子成为正电中心;受主杂质向价带提 供空穴成为负电中心。
(a)Si原子半径
(b)晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比
解:(a) r1(1 3a) 3a
24
8
(b)
84r3
3 a3
3
16
0.34
最新课件
6
间隙式杂质、替位式杂质
• 杂质原子位于晶格原子间的间隙位置, 该杂质称为间隙式杂质。
– 间隙式杂质原子一般比较小,如Si、Ge、 GaAs材料中的离子锂(0.068nm)。
• V族杂质能够施放(提供)导带电子被称为“施主杂质”或n 型杂质。将施主束缚电子的能量状态称为“施主能级”记 为ED。施主能级离导带底Ec的距离为ED。
• 结论:掺磷(5价),施主,电子导电,n型半导体。
最新课件
9
半导体的掺杂
施主:掺入在半导体中的杂质原子,能够向半导体中提供导电的电子, 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
• 2.4 缺陷、位错能级
最新课件
• 中性Au0为与周围四个Ge原子形成共价键,还可以依次由价带 再接受三个电子,分别形成EA1,EA2,EA3三个受主能级。价 带激发一个电子给Au0,使之成为单重电受主离化态Au-,电离 能为EA1-Ev ;从价带再激发一个电子给Au-使之成为二重电受 主离化态 Au= ,所需能量为EA2-Ev;从价带激发第三个电子给 使之成为三重电受主离化态Au ,所需能量为 EA3-Ev 。
最新半导体物理1-2章总结PPT课件
❖所处位置不同:替位式杂质、间隙式杂质
▲ 1.浅杂质能级
1、n 型半导体
➢ 施主杂质电离,施放电子到导带而 产生导电电子并形成正电中心
➢ 有△ED《Eg
2、p 型半导体
➢ 特征:受主杂质电离,接受电子成 为负电中心并产生空穴在价带;
➢ 有 △EA《Eg
半导体物理
2.浅能级杂质电离能的计算
E mp *q4
第一 : 1 k 1
2a
2a
第二 : 1 k 1 ,
第三 :
a
2a
3 k1,
2a
a
1 k1
2a
a
1k 3
a
2a
E(k)随晶体中周期性变化 势场影响形式复杂
半导体物理
3. ▲导体、绝缘体和半导体的能带
(a) 绝缘体
(b) 半导体
(c) 导体
半导体物理
1.3-1.4节
1.半导体中的电子运动
1.半导体中E(k)与k的关系
1 2
dd2kE2 k0
1 mn*
EkE0
2k2 2mn*
(能带极值附近)
2.半导体中电子的平均速度
1 dE dk
k
m
* n
(能带极值附近)
3.半导体中电子的加速度
f dk q|E| a f
dt
m
* n
(能带极值附近)
▲
4.空穴---正电荷+q和正有效质量
m
* p
半导体物理
2. ▲有效质量的意义:
补充习题
半导体物理 ▲
补充习题
半导体物理
补充习题
3.右图为能量曲线E(k)的形状,试回答:
Ⅲ
(1)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个带中,哪
▲ 1.浅杂质能级
1、n 型半导体
➢ 施主杂质电离,施放电子到导带而 产生导电电子并形成正电中心
➢ 有△ED《Eg
2、p 型半导体
➢ 特征:受主杂质电离,接受电子成 为负电中心并产生空穴在价带;
➢ 有 △EA《Eg
半导体物理
2.浅能级杂质电离能的计算
E mp *q4
第一 : 1 k 1
2a
2a
第二 : 1 k 1 ,
第三 :
a
2a
3 k1,
2a
a
1 k1
2a
a
1k 3
a
2a
E(k)随晶体中周期性变化 势场影响形式复杂
半导体物理
3. ▲导体、绝缘体和半导体的能带
(a) 绝缘体
(b) 半导体
(c) 导体
半导体物理
1.3-1.4节
1.半导体中的电子运动
1.半导体中E(k)与k的关系
1 2
dd2kE2 k0
1 mn*
EkE0
2k2 2mn*
(能带极值附近)
2.半导体中电子的平均速度
1 dE dk
k
m
* n
(能带极值附近)
3.半导体中电子的加速度
f dk q|E| a f
dt
m
* n
(能带极值附近)
▲
4.空穴---正电荷+q和正有效质量
m
* p
半导体物理
2. ▲有效质量的意义:
补充习题
半导体物理 ▲
补充习题
半导体物理
补充习题
3.右图为能量曲线E(k)的形状,试回答:
Ⅲ
(1)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个带中,哪
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固体中电子的能 带示意图
自由电子的运动
(1)微观粒子的波粒二象性 自由电子的动量和能量: 动量: p=m0v; 能量(动能):E=p2/2m0 速度一确定运动状态就确定。
(2)微观粒子的波动性 自由电子的波函数:自由粒子的波动可以用频率为 、 波长为的平面波表示:
(r,t)=Aexpi2(k·r- t) 波函数模的平方为一常数,说明自由电子在任何地方出 现的几率均等。
电子共有化的原因:电子壳层有一定的交叠,相邻 原子最外层交叠最多,内壳层交叠较少。
注:电子在各原子中相似壳层间运动,且最外电子 壳层共有化显著。
2. 原子的能级分裂
当两个原子相距很远时,每个能级都有两个态与之 相应是二度简并;
当原子相互靠近时,每个原子中的电子除受本身原 子的势场作用外,又受到另一原子的势场作用;
严格周期性势场
(周期排列的原子核 势场及大量电子的平 均势场)
2.4-2.6电子运动状态
2019/9/14
禁带
半导体的禁带宽度是指一个电子从价带运动到能参与导电的自由状态所 需要吸收的最低能量值。半导体的价键结构显示了(y轴)电子的能量, 此图也被叫做“能带图”。半导体中比较低的能级被叫做“价带” (Ev),而处于其中的电子能被看成自由电子的能级叫“导带”(Ec)。 处于导带和价带之间的便是禁带(EG)了。
说明
波函数的振幅为一周期性函数,说明在晶体中各点找到电 子的几率具有周期性变化的性质,即描述了晶体电子围绕原 子核的运动。
指数部分是平面波,描述了晶体电子的共有化运动。因此, 电子不完全局限在某一个原子上,而是可以从晶胞中的某一 点自由的运动到其他晶胞内的对应点。这种运动就是电子在 晶体内的共有化运动。
E 允带
禁带 允带
允带
允带
-3 /a - /a 0 /a 3/a k
E与k的关系
能带
简约布里渊区
结论
在k=n/a处,即布里渊区边界上能量出现不连续性,形成允带 和禁带;每个布里渊区对应于一个能带。
E(k)是k的周期性函数,周期为2 /a,
即:E(k)=E(k+n2/a),说明k 和k+ n2 /a表示相同状态;
E(k) - E(0) =(1/2)(d2E/dk2) k=0 k2
k
对给定的晶体 (d2E/dk2) k=0是一个常数=ħ2/m*n 令 (d2E/dk2) k=0=ħ2/m*n
布洛赫定理:在周期性势场中运动的电子,满足薛 定谔方程的波函数一定具有如下形式:
k(x)=vk(x)e ik·x vk(x) = vk(x+na)
与自由电子的波函数比较
相同点: 晶体中电子运动的波函数与自由电子的波函数 形式相似,代表一个波长为2/k,而在k方向 上传播的平面波;
不同点: 该波的振幅随x作周期性变化,其变化周期与 晶格周期相同----- 一个调幅的平面 波。
结果:二度简并的能级分裂为彼此相距很近的能级, 原子靠的越近,分裂越厉害。
电
电 子
2p 2s
n=2
子 能
能
量
量
1s n=1
孤立原子的能级
2p 2s n=2
1s n=1 原子间距 能级分裂
分裂的能级数计算: 两个原子组成晶体时 2s能级分裂为二个能级; 2p能级本身是三度简并,分裂为六个能级。
由N个原子组成晶体时:
晶向
晶面
两组不同的晶面
密勒指数
简单立方
等效晶面
晶体中电子的运动
原子的能级 1. 电子的共有化运动
+
+
+
原子的能级(电子壳层)
+
+
+
+
+
+
+
原子结合成晶体时晶体中电子的共有化运动
电子共有化运动------晶体中原子能级上的电子不完 全局限在某一原子上,可以由一个原子转移到相邻 的原子上去,结果电子可以在整个晶体中运动。
晶体
• 什么是晶体? • 多晶、微晶与之区别; • 晶体的形状并非表示晶体的方法,形状与晶体形成的
环境有关。
晶体结构
• 原胞与单胞
结构
金刚石结构
• 重要半导体,如Ge、Si都是四价电子,与金 刚石结构相同。
闪锌矿结构
• 化合物晶格 • 半导体上非常重要的化合物:如砷化镓、锑化铟,集
成光学中非常重要的磷化铟都是闪锌矿结构
自由电子的能量等于动能:
E=h = ħ 动能: p=ħk 统一粒子性和波动性 有:v= ħ k/m0 E= ħ 2k2/2m0 k值确定电子的运动状态,自由 电子的能量是连续的能谱。
E k
晶体中电子
1.晶体中的薛定谔方程及其解的形式
单电子在与晶格同周期的势场中运动,对于一维 晶格,势能函数为: U(x)=U(x+sa) 解薛定谔方程: E= - (ħ 2/2m0)d 2/dx2 + U(x)
允带------每一个N度简并的能级都分裂成彼此 相距很近的能级,这N个能级组成一个能带。
禁带------允带之间没有能级的带。
能带
原子能级 原子轨道
允
禁带
带
禁带
原子能级分裂为能带
晶体中电子状态与能带
自由电子
孤立原子中的电子 晶体中的电子
不受任何电荷作用 (势场为零)
本身原子核及其他 电子的作用
波函数的振幅为一常数时,电子为自由电子,即在各点找 到电子的几率相同,这反映了电子在空间中的自由运动。
外层电子共有化运动较强,其行为与自由电子相同------准 自由电子。内层电子的行为与孤立原子中的电子相似。
不同的k标志着不同的共有化运动状态,即电子具有不同的 能量。
2 . 晶体中电子的能带
只取第一布里渊区的k值描述电子的运动状态,其他区域移动 n2/a与第一区重合;
在考虑能带结构时,只需考虑简约布里渊区,在该区域,能量 是波矢的多值函数,必须用En(k)标明是第n个能带。 对于有边界的晶体,需考虑边界条件,根据周期性边界条件, 波矢只能取分立的数值,每一个能带中的能级数(简约波矢数) 与固体物理学原胞数N相等。每一个能级可容纳2个电子。
能量越高的能带,其能级间距越大。
晶体中电子的运动 有效质量
1. 晶体中E(k )与k的关系
能带底部和顶部附近的E(k )与k的关系:
将一维E(k )在k=0附近按泰勒级数展开
E(k )
E(k)=E(0)+(dE/dk)k=0k+(1/2)(d2E/dk2)k=0 k2 +···
(dE/dk) k=0 =0
自由电子的运动
(1)微观粒子的波粒二象性 自由电子的动量和能量: 动量: p=m0v; 能量(动能):E=p2/2m0 速度一确定运动状态就确定。
(2)微观粒子的波动性 自由电子的波函数:自由粒子的波动可以用频率为 、 波长为的平面波表示:
(r,t)=Aexpi2(k·r- t) 波函数模的平方为一常数,说明自由电子在任何地方出 现的几率均等。
电子共有化的原因:电子壳层有一定的交叠,相邻 原子最外层交叠最多,内壳层交叠较少。
注:电子在各原子中相似壳层间运动,且最外电子 壳层共有化显著。
2. 原子的能级分裂
当两个原子相距很远时,每个能级都有两个态与之 相应是二度简并;
当原子相互靠近时,每个原子中的电子除受本身原 子的势场作用外,又受到另一原子的势场作用;
严格周期性势场
(周期排列的原子核 势场及大量电子的平 均势场)
2.4-2.6电子运动状态
2019/9/14
禁带
半导体的禁带宽度是指一个电子从价带运动到能参与导电的自由状态所 需要吸收的最低能量值。半导体的价键结构显示了(y轴)电子的能量, 此图也被叫做“能带图”。半导体中比较低的能级被叫做“价带” (Ev),而处于其中的电子能被看成自由电子的能级叫“导带”(Ec)。 处于导带和价带之间的便是禁带(EG)了。
说明
波函数的振幅为一周期性函数,说明在晶体中各点找到电 子的几率具有周期性变化的性质,即描述了晶体电子围绕原 子核的运动。
指数部分是平面波,描述了晶体电子的共有化运动。因此, 电子不完全局限在某一个原子上,而是可以从晶胞中的某一 点自由的运动到其他晶胞内的对应点。这种运动就是电子在 晶体内的共有化运动。
E 允带
禁带 允带
允带
允带
-3 /a - /a 0 /a 3/a k
E与k的关系
能带
简约布里渊区
结论
在k=n/a处,即布里渊区边界上能量出现不连续性,形成允带 和禁带;每个布里渊区对应于一个能带。
E(k)是k的周期性函数,周期为2 /a,
即:E(k)=E(k+n2/a),说明k 和k+ n2 /a表示相同状态;
E(k) - E(0) =(1/2)(d2E/dk2) k=0 k2
k
对给定的晶体 (d2E/dk2) k=0是一个常数=ħ2/m*n 令 (d2E/dk2) k=0=ħ2/m*n
布洛赫定理:在周期性势场中运动的电子,满足薛 定谔方程的波函数一定具有如下形式:
k(x)=vk(x)e ik·x vk(x) = vk(x+na)
与自由电子的波函数比较
相同点: 晶体中电子运动的波函数与自由电子的波函数 形式相似,代表一个波长为2/k,而在k方向 上传播的平面波;
不同点: 该波的振幅随x作周期性变化,其变化周期与 晶格周期相同----- 一个调幅的平面 波。
结果:二度简并的能级分裂为彼此相距很近的能级, 原子靠的越近,分裂越厉害。
电
电 子
2p 2s
n=2
子 能
能
量
量
1s n=1
孤立原子的能级
2p 2s n=2
1s n=1 原子间距 能级分裂
分裂的能级数计算: 两个原子组成晶体时 2s能级分裂为二个能级; 2p能级本身是三度简并,分裂为六个能级。
由N个原子组成晶体时:
晶向
晶面
两组不同的晶面
密勒指数
简单立方
等效晶面
晶体中电子的运动
原子的能级 1. 电子的共有化运动
+
+
+
原子的能级(电子壳层)
+
+
+
+
+
+
+
原子结合成晶体时晶体中电子的共有化运动
电子共有化运动------晶体中原子能级上的电子不完 全局限在某一原子上,可以由一个原子转移到相邻 的原子上去,结果电子可以在整个晶体中运动。
晶体
• 什么是晶体? • 多晶、微晶与之区别; • 晶体的形状并非表示晶体的方法,形状与晶体形成的
环境有关。
晶体结构
• 原胞与单胞
结构
金刚石结构
• 重要半导体,如Ge、Si都是四价电子,与金 刚石结构相同。
闪锌矿结构
• 化合物晶格 • 半导体上非常重要的化合物:如砷化镓、锑化铟,集
成光学中非常重要的磷化铟都是闪锌矿结构
自由电子的能量等于动能:
E=h = ħ 动能: p=ħk 统一粒子性和波动性 有:v= ħ k/m0 E= ħ 2k2/2m0 k值确定电子的运动状态,自由 电子的能量是连续的能谱。
E k
晶体中电子
1.晶体中的薛定谔方程及其解的形式
单电子在与晶格同周期的势场中运动,对于一维 晶格,势能函数为: U(x)=U(x+sa) 解薛定谔方程: E= - (ħ 2/2m0)d 2/dx2 + U(x)
允带------每一个N度简并的能级都分裂成彼此 相距很近的能级,这N个能级组成一个能带。
禁带------允带之间没有能级的带。
能带
原子能级 原子轨道
允
禁带
带
禁带
原子能级分裂为能带
晶体中电子状态与能带
自由电子
孤立原子中的电子 晶体中的电子
不受任何电荷作用 (势场为零)
本身原子核及其他 电子的作用
波函数的振幅为一常数时,电子为自由电子,即在各点找 到电子的几率相同,这反映了电子在空间中的自由运动。
外层电子共有化运动较强,其行为与自由电子相同------准 自由电子。内层电子的行为与孤立原子中的电子相似。
不同的k标志着不同的共有化运动状态,即电子具有不同的 能量。
2 . 晶体中电子的能带
只取第一布里渊区的k值描述电子的运动状态,其他区域移动 n2/a与第一区重合;
在考虑能带结构时,只需考虑简约布里渊区,在该区域,能量 是波矢的多值函数,必须用En(k)标明是第n个能带。 对于有边界的晶体,需考虑边界条件,根据周期性边界条件, 波矢只能取分立的数值,每一个能带中的能级数(简约波矢数) 与固体物理学原胞数N相等。每一个能级可容纳2个电子。
能量越高的能带,其能级间距越大。
晶体中电子的运动 有效质量
1. 晶体中E(k )与k的关系
能带底部和顶部附近的E(k )与k的关系:
将一维E(k )在k=0附近按泰勒级数展开
E(k )
E(k)=E(0)+(dE/dk)k=0k+(1/2)(d2E/dk2)k=0 k2 +···
(dE/dk) k=0 =0