固体中的电子

⒉ 半导体
⑴两种导电机制 ⑵杂质半导体 N型：施主杂质、施主能级、多子、少子 P型：受主杂质、受主能级、多子、少子 ⑶外场(热、光)对导电性的影响 ⑷PN结
Chap.23 EXERCISES
⒈本征半导体中参与导电的载流子是电子与空穴， N型半导体中参与导电的载流子是， P 型半导体中参与导电的载流子是.
+ P + +
N
在交界区, 因载流子扩散而形成电偶层 ——阻
挡层 (厚度约1m, 场强约106~108V/m).
PN结的特性：单向导电性.
PN结的应用：整流(rectification).
Chap.23 SUMMARY
⒈ 固体的能带
⑴能带的由来 ⑵满带, 空带, 价带, 导带, 禁带. ⑶能带论对固体导电性的解释
§23.2 半导体 (Semiconductors)
⒈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； 留在满带中的电子也可参与导电，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.
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.
⑵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 (~1016/m3)远小于导体中的值(~1028/m3) 导电性 能不及导体.
⑶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.
⒊外场的影响
⑴热激发 温度 跃迁电子数 载流子数 电阻.
R
半导体
金属
O
T
应用：热敏电阻器(thermistor).
⑵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).
⒋ PN结 (PN junction) ——P型半导体与N型半导体的交界区. P N
第23章 固体中的电子wk.baidu.com
主要内容
固体的能带结构 半导体
§23.1 固体的能带 (Energy Bands in Solids)
⒈能带的由来
固体
晶体 准晶体 非晶体
晶体结构＝点阵＋基元
原子间的相互作用 原子的能级分裂成能带.
e.g.2p
Mg
2s
.
Mg
1s
⒉电子对能带的填充
——服从泡利不相容原理和能量最低原理. ⑴满带(filled band)——所有量子态都被电子占 据的能带. ⑵空带(empty band)——所有量子态都没有被电 子占据的能带. ⑶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).
carrier，简称多子)，而空穴是少数载流子
(minority carrier，简称少子).
⑵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. (P——positive) 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
答案：电子与空穴
电子与空穴
⒉在4价元素半导体中掺入5价杂质，则可构成 型半导体，参与导电的载流子多数是 ；相反，若掺入3价杂质，则可构成 型半导体，参与导电的载流子多数是 . 答案： N 电子 P 空穴
⒊N型半导体中杂质原子所形成的局部能级（施主 能级），在能带结构中应处于 (A)满带中. (B)导带中. (C)禁带中，但接近满带顶. (D)禁带中，但接近导带底. 答案： (D) 【思考】P型半导体中受主能级的位置?
能带分布： E 空带 空带(导带)
禁带
价带(导带) 禁带
禁带
价带(满带) 禁带
满带
满带
⒊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 < < 108 m 绝缘体—— > 108 m
能带论的解释： ⑴导体中，或是价带未被填满，或是价带与上
掺入施主杂质后, 在价带上面的禁带中靠近导 带(E~10-2eV)处, 出现杂质能级——施主能级. E
导带
施主能级
价带 低温下 常温下
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
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(E~10-2eV)处，出现杂质能级——受 主能级.
E
导带
受主能级
价带 低温下 常温下
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.
⒉杂质的影响 杂质半导体分为两类: ⑴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. (N——negative) 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.
⑷导带(conduction band)——具有能导电的电子的 最高能带. 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.
⑸禁带(forbidden band)——两相邻能带间，不能 被电子占据的能量范围.