大学物理课件-固体中的电子

p型
n型
19
(2). Ｐ-Ｎ结的单向导电性 a. 正向偏压
E
I 在Ｐ-Ｎ结 的p型区接 电源正极， 叫正向偏压。
p型
E阻
n型
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
I （毫安） 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)。
导带（价带）
导带（价带）

施主能级 禁带 满带
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 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 hc 解： E 设锗 E g g max
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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。
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。
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
.
+
r
. .
+
U
+
r
(a)
+
. . . .
+ +
U
(b)
+
E2 E1
r
(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
4.半导体的光电导现象(p239)： 电子吸收光子的能量： 光生载流子 内光电效应
T
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29.6 Ｐ-Ｎ结
(1).Ｐ-Ｎ结的形成 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 P-N结 6 8 约1m, 场强约10 ~10 V/m）。
３０
正向
２０ １０
0
0.2
（伏） V
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
I p型 n型
E阻
阻挡层势垒增 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。
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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
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。
导带 禁带
满带
Eg
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。
-30 -20
I（微安）
V(伏)
-１０ -２０ -３０
反向
称为漏电流 （Ａ级）。
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
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伏安特性：
I
o
应用：整流(rectification)
U
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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 能级或受主能级。
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 s能带：2N个量子态 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 (3)．空带（未排电子） 亦称导带 (4)．禁带（不能排电子）
5
3d 3p 3s
E
空带
禁带 导带
价带
禁带 满带
6
2p
2s 1s
2.导体,半导体和绝缘体 固体按导电性能的高低可以分为
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。
该能级称受主（acceptor）能级。
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P型半导体
Si Si Si Si Si + B Si
价带 Eg Ea
受主能级
Si
满带
电子……少数载流子
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3.半导体的电阻和温度的关系(p239)： 导体的电阻 随 R 半导体 温度升高而升高 半导体的电阻 随 金属 温度升高而降低 热敏电阻
绝缘体
导体
半导体
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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
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.
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
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。
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。 该能级称为施主（donor）能级。
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n 型半导体
Si Si Si Si P 施主能级 满带 空穴……少数载流子
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Si
价带
ED
Si
Si
Eg
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。