大学物理课件-固体中的电子
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2. 空穴导电……半导体的载流子是空穴 空穴: 满带上的一个电子跃迁到空带后,
满带中出现一个空位。 本征半导体包含电子导电和空穴导电两种形式.
11
空带
h
Eg=2.42eV
满带
这相当于产生了一个带正电的粒子 (称为“空穴”) 。
电子和空穴总是成对出现的。
12
在外电场作用下,
空穴下面能级上 的电子可以跃迁 到空穴上来, 这相当于空穴 向下跃迁。
该能级称为施主（donor）能级。
14
n 型半导体 Si Si Si Si
Si P
Si Si
价带
ED
施主能级 Eg
满带
空穴……少数载流子
15
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，称 p 型半导体。
掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠 满带处，ED～10-2eV，极易产生空穴导电。
s能带：2N个wenku.baidu.com子态
p能级：6个量子态
p能带：6N个量子态
⒈电子对能带的填充 固体中的一个电子只能处在某个能带中的 某一量子态上。
4
填充原则：
(１). 服从泡里不相容原理 (２). 服从能量最小原理 有关能带被占据情况的几个名词： ( 1)．满带（排满电子）
(2)．价带（能带中一部分能级排满电子） 亦称导带
该能级称受主（acceptor）能级。
16
P型半导体
Si Si Si Si
Si Si
+ B
Si
价带
受主能级
Eg
满带
Ea
电子……少数载流子
17
3.半导体的电阻和温度的关系(p239)：
导体的电阻 随 温度升高而升高 R 半导体
半导体的电阻 随 温度升高而降低
金属
热敏电阻 T
4.半导体的光电导现象(p239)：
反向
称为漏电流
（Ａ级）。
I（微安）
V(伏)
-１０ -２０ -３０
当外电场很强,反向电压超过某一数值后， 反向电流会急剧增大----反向击穿。
p180
23
伏安特性：
I
o
U
应用：整流(rectification)
24
例5: 若硅用锑（5价元素）掺杂，则成为 n
型半导体，请在所附的能带图中定性画出施主
满带上带正电的 空穴向下跃迁也 形成电流, 这称为空穴导电。
空带 Eg
满带
13
二. 杂质半导体 １. 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）形成电子型半导体,称 n 型半导体。
掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠 空带处, ED～10-2eV，极易形成电子导电。
类本征半导体，在上述方法中能激发其传导电
子的只有
（A）（1）和（2） （B）（3）和（4）
（C）（1）（2）和（3）
(D)
（D）（1）（2）和（4）
例8:已知T=0K时锗的禁带宽度为 0.78ev ，则
锗能吸收的辐射的最长波长是
m
解：设锗 Eg
max
hc Eg max
max hc / Eg 1.59106 m 1.59m 26
电子吸收光子的能量：
光生载流子
内光电效应
18
29.6 Ｐ-Ｎ结
(1).Ｐ-Ｎ结的形成 p型
n型
p型半导体与n型半
导体的交界区。
由于Ｎ区的电子向Ｐ区 扩散，Ｐ区的空穴向Ｎ
E阻
区扩散，在ｐ型半导体
和Ｎ型半导体的交界面
附近产生了一个电偶层
称之 为阻挡层 (厚度 约1m, 场强约106~108V/m）。
导带 禁带 Eg 满带
半导体能带结构: 满带与空带之间也是禁带， 但是禁带很窄（E g 约0.1～2 eV )。
9
3.绝缘体与半导体的击穿
当外电场非常强时，电子还是 能越过禁带跃迁到上面的空带中。
绝缘体 半导体
导体
10
29.5 半导体的导电机构 一. 本征半导体（semiconductor）
本征半导体是指纯净的半导体。 1. 电子导电……半导体的载流子是电子
例9: 下述说法中，正确的是
I （毫安）
３０
正向
２０
１０
0
0.2
V（伏）
1.0
21
b. 反向偏压
在Ｐ-Ｎ结的ｐ型区接电源负极,
叫反向偏压。
E
阻挡层势垒增
p型
n型
E阻
I 大、变宽，不 利于空穴向Ｎ
区运动，也不 利于电子向P 区运动,没有正
向电流。
22
但是，由于少数 载流子的存在， 会形成很弱的反 向电流，
击穿电压
-30 -20
P-N结
19
(2). Ｐ-Ｎ结的单向导电性 a. 正向偏压
在Ｐ-Ｎ结 I 的p型区接
p型
电源正极，
叫正向偏压。
E
n型
E阻
阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴
向N区运动，电子向P区运动， 形成正向电流（mＡ级）。
20
外加正向电压越大， 正向电流也越大， 而且是呈非线性的
按指数规律增长。
伏安特性(图为锗管)。
第29章 固体中的电子 29.4 能带 导体和绝缘体
晶体 固体 准晶体
非晶体
1
晶体的周期性势能函数:
U
U
.+ r
.+ .+ r
(a) U
(b)
.+ .+ .+ .+ r E2
E1
(c)
2
晶体的特点： 周期性结构 周期性势能函数 原子的能级 分裂成晶体的能带P174
e.g. 2p
2s
1s
3
Note: 若孤立原子某一能级包含k个量子态, 则由 N个原子周期性排列形成固体后, 该能级分 裂成的能带包含kN个量子态. e.g. s能级：2个量子态
导体的能带结构 在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。
E E
导带
满带
E 空带 价带
从能级图上来看，是因为其 共有化电子很易从低能级跃 迁到高能级上去。
8
绝缘体能带结构
E 满带与空带之间 有一个较宽的禁带 （Eg 约3～6 eV）， 共有化电子很难从低 能级（满带）跃迁到 高能级（空带）上去。
能级或受主能级。
导带（价带）
•施主• 能• 级• •
禁带
满带
导带（价带）
禁带 受主能级
• ••••
满带
例6: 若锗用硼（三价元素）掺杂，则成为p
型半导体，请在所附的能带图中定性画出施主
能级或受主能级
25
例7: 激发本征半导体中传导电子的几种方法有
（1）热激发（2）光激发（3）用三价元素掺
杂（4）用五价元素掺杂，对于纯锗和纯硅这
(3)．空带（未排电子） 亦称导带
(4)．禁带（不能排电子）
5
E 3d
空带
3p
禁带
导带
3s
价带
2p
禁带
2s
满带
1s
6
2.导体,半导体和绝缘体 固体按导电性能的高低可以分为
导体
半导体
绝缘体
导体——电阻率 < 10-8 m
半导体——10-8 m < < 108 m 绝缘体—— > 108 m
7
满带中出现一个空位。 本征半导体包含电子导电和空穴导电两种形式.
11
空带
h
Eg=2.42eV
满带
这相当于产生了一个带正电的粒子 (称为“空穴”) 。
电子和空穴总是成对出现的。
12
在外电场作用下,
空穴下面能级上 的电子可以跃迁 到空穴上来, 这相当于空穴 向下跃迁。
该能级称为施主（donor）能级。
14
n 型半导体 Si Si Si Si
Si P
Si Si
价带
ED
施主能级 Eg
满带
空穴……少数载流子
15
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，称 p 型半导体。
掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠 满带处，ED～10-2eV，极易产生空穴导电。
s能带：2N个wenku.baidu.com子态
p能级：6个量子态
p能带：6N个量子态
⒈电子对能带的填充 固体中的一个电子只能处在某个能带中的 某一量子态上。
4
填充原则：
(１). 服从泡里不相容原理 (２). 服从能量最小原理 有关能带被占据情况的几个名词： ( 1)．满带（排满电子）
(2)．价带（能带中一部分能级排满电子） 亦称导带
该能级称受主（acceptor）能级。
16
P型半导体
Si Si Si Si
Si Si
+ B
Si
价带
受主能级
Eg
满带
Ea
电子……少数载流子
17
3.半导体的电阻和温度的关系(p239)：
导体的电阻 随 温度升高而升高 R 半导体
半导体的电阻 随 温度升高而降低
金属
热敏电阻 T
4.半导体的光电导现象(p239)：
反向
称为漏电流
（Ａ级）。
I（微安）
V(伏)
-１０ -２０ -３０
当外电场很强,反向电压超过某一数值后， 反向电流会急剧增大----反向击穿。
p180
23
伏安特性：
I
o
U
应用：整流(rectification)
24
例5: 若硅用锑（5价元素）掺杂，则成为 n
型半导体，请在所附的能带图中定性画出施主
满带上带正电的 空穴向下跃迁也 形成电流, 这称为空穴导电。
空带 Eg
满带
13
二. 杂质半导体 １. 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）形成电子型半导体,称 n 型半导体。
掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠 空带处, ED～10-2eV，极易形成电子导电。
类本征半导体，在上述方法中能激发其传导电
子的只有
（A）（1）和（2） （B）（3）和（4）
（C）（1）（2）和（3）
(D)
（D）（1）（2）和（4）
例8:已知T=0K时锗的禁带宽度为 0.78ev ，则
锗能吸收的辐射的最长波长是
m
解：设锗 Eg
max
hc Eg max
max hc / Eg 1.59106 m 1.59m 26
电子吸收光子的能量：
光生载流子
内光电效应
18
29.6 Ｐ-Ｎ结
(1).Ｐ-Ｎ结的形成 p型
n型
p型半导体与n型半
导体的交界区。
由于Ｎ区的电子向Ｐ区 扩散，Ｐ区的空穴向Ｎ
E阻
区扩散，在ｐ型半导体
和Ｎ型半导体的交界面
附近产生了一个电偶层
称之 为阻挡层 (厚度 约1m, 场强约106~108V/m）。
导带 禁带 Eg 满带
半导体能带结构: 满带与空带之间也是禁带， 但是禁带很窄（E g 约0.1～2 eV )。
9
3.绝缘体与半导体的击穿
当外电场非常强时，电子还是 能越过禁带跃迁到上面的空带中。
绝缘体 半导体
导体
10
29.5 半导体的导电机构 一. 本征半导体（semiconductor）
本征半导体是指纯净的半导体。 1. 电子导电……半导体的载流子是电子
例9: 下述说法中，正确的是
I （毫安）
３０
正向
２０
１０
0
0.2
V（伏）
1.0
21
b. 反向偏压
在Ｐ-Ｎ结的ｐ型区接电源负极,
叫反向偏压。
E
阻挡层势垒增
p型
n型
E阻
I 大、变宽，不 利于空穴向Ｎ
区运动，也不 利于电子向P 区运动,没有正
向电流。
22
但是，由于少数 载流子的存在， 会形成很弱的反 向电流，
击穿电压
-30 -20
P-N结
19
(2). Ｐ-Ｎ结的单向导电性 a. 正向偏压
在Ｐ-Ｎ结 I 的p型区接
p型
电源正极，
叫正向偏压。
E
n型
E阻
阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴
向N区运动，电子向P区运动， 形成正向电流（mＡ级）。
20
外加正向电压越大， 正向电流也越大， 而且是呈非线性的
按指数规律增长。
伏安特性(图为锗管)。
第29章 固体中的电子 29.4 能带 导体和绝缘体
晶体 固体 准晶体
非晶体
1
晶体的周期性势能函数:
U
U
.+ r
.+ .+ r
(a) U
(b)
.+ .+ .+ .+ r E2
E1
(c)
2
晶体的特点： 周期性结构 周期性势能函数 原子的能级 分裂成晶体的能带P174
e.g. 2p
2s
1s
3
Note: 若孤立原子某一能级包含k个量子态, 则由 N个原子周期性排列形成固体后, 该能级分 裂成的能带包含kN个量子态. e.g. s能级：2个量子态
导体的能带结构 在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。
E E
导带
满带
E 空带 价带
从能级图上来看，是因为其 共有化电子很易从低能级跃 迁到高能级上去。
8
绝缘体能带结构
E 满带与空带之间 有一个较宽的禁带 （Eg 约3～6 eV）， 共有化电子很难从低 能级（满带）跃迁到 高能级（空带）上去。
能级或受主能级。
导带（价带）
•施主• 能• 级• •
禁带
满带
导带（价带）
禁带 受主能级
• ••••
满带
例6: 若锗用硼（三价元素）掺杂，则成为p
型半导体，请在所附的能带图中定性画出施主
能级或受主能级
25
例7: 激发本征半导体中传导电子的几种方法有
（1）热激发（2）光激发（3）用三价元素掺
杂（4）用五价元素掺杂，对于纯锗和纯硅这
(3)．空带（未排电子） 亦称导带
(4)．禁带（不能排电子）
5
E 3d
空带
3p
禁带
导带
3s
价带
2p
禁带
2s
满带
1s
6
2.导体,半导体和绝缘体 固体按导电性能的高低可以分为
导体
半导体
绝缘体
导体——电阻率 < 10-8 m
半导体——10-8 m < < 108 m 绝缘体—— > 108 m
7