17-1 固体的能带结构
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)。
导体 半导体 绝缘体
它们的导电性能不同， 它们的导电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。 是因为它们的能带结构不同。
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
9
17.1.4 半导体
本征半导体：纯净的无杂质的半导体 本征半导体： 电子 锗晶体中的正常键 晶体中的正常键
Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge
Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge
受
主 能
级 导 带
B−
受主能级 价 带
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
12
3.p-n 结 P-n 结的伏安特性曲线 p n p n
I
U
−+
反向电压
第17章 新技术的物理基础 17章
I
U
+−
正向电压
17–1 17 1
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
5
2. 能带的形成
1）能级的分裂 ） 对于一个孤立的原子， 对于一个孤立的原子，其能量主要的取决于主量 子数n和角子数 并形成一系列分立的能级， 和角子数ℓ 子数 和角子数ℓ，并形成一系列分立的能级，每一能 个量子态(n,ℓ给定）， ），每一个量子态 级上有 2(2l + 1) 个量子态 ℓ给定），每一个量子态 上只能有一个电子占据，。例如n=1.ℓ=0的1s能级上 上只能有一个电子占据，。例如 ℓ 的 能级上 ，。例如 可以有两个自旋量子态不同的电子占据。 可以有两个自旋量子态不同的电子占据。 但是，当原先是各自孤立的原子结合成分子时， 但是，当原先是各自孤立的原子结合成分子时， 使得各原子的能级也出现不同程度的交叠， 使得各原子的能级也出现不同程度的交叠，结果会使 得原子中原先的各个能级发生不同程度的分裂。 得原子中原先的各个能级发生不同程度的分裂。
固体的能带结构
13
+e +e
p
n
p
−e −e
电子
偶电层 - - ++ - - ++ - - ++ - - ++ - - ++
n
空穴
x0
动平衡时 p 型与 n 型接触区域的电势变化
U0
x
x0
第17章 新技术的物理基础 17章
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
3
（1）离子晶体 ） 以离子间的库仑力为结合力， 以离子间的库仑力为结合力，如NaCl （2）共价晶体 ） 以共价鍵为结合力， 以共价鍵为结合力，如H2 （3）分子晶体 ） 以范德瓦耳斯鍵（ 以范德瓦耳斯鍵（无极分子相互接近时诱发的 瞬时电偶极ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）为结合力， 瞬时电偶极矩）为结合力，如大部分有机物 （4）金属晶体 ） 以共有化价电子与离子实间的库仑力为结合力
17–1 17 1
固体的能带结构
1
17.1.1 晶体结构和晶体分类 根据固体的结构, 固体材料分为: 根据固体的结构 固体材料分为
食盐、云母、金刚石 食盐、云母、 晶体 玻璃、松香、 非晶体 玻璃、松香、沥青 准晶体（ 年发现） 准晶体（ 1984年发现） 年发现 Ti--Ni—V 急冷合金中发现的五次对称现象 AI—Mn 准晶体
−e
Eg
导带 禁带 满带 空穴
电子被激发，晶体中出现空穴 电子被激发，晶体中出现空穴 激发
Ge Ge
+e
−eGe
Ge
Ge
+e
Ge
Ge Ge
Ge
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
10
1.n 型半导体 五价原子砷掺入四价硅中， 五价原子砷掺入四价硅中，多 余的价电子环绕 A+离子运动 s 施 主 能 级 导 带
一般规律： 一般规律： （１）越是外层电子，能带越宽. 越是外层电子，能带越宽. （２）点阵间距越小，能带越宽． 点阵间距越小，能带越宽． ( 3 ) 两个能带有可能重叠. 两个能带有可能重叠.
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
8
17.1.3 导体和绝缘体
固体按导电性能的高低可以分为
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
2
晶体的结构和分类 1、 晶体是由大量分子、原子或离子组成。 晶体是由大量分子、原子或离子组成。 大量分子、 大量分子、原子或离子在三维空间的周期性规则排 列方式称为固体的点阵结构（晶体点阵）。 称为固体的点阵结构 列方式称为固体的点阵结构（晶体点阵）。 理想晶体的基本特征是：原子排列有规则，具有 理想晶体的基本特征是：原子排列有规则， 周期性，长程有序。 周期性，长程有序。 非晶体结构不规则，是短程有序。 非晶体结构不规则，是短程有序。 2、晶体的分类 、 按照结合力的性质晶体可分为四类
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
6
２）能带的形成 计算表明，当原子结合成固体时， 计算表明，当原子结合成固体时，原先的一个能 级分裂成Ｎ个子能级， 级分裂成Ｎ个子能级，其最高子能级与最低子能级的 能量间隔∆ 一般在几个eV的数量级 且与Ｎ 的数量级， 能量间隔∆Ｅ一般在几个 的数量级，且与Ｎ的增减 无显著关系。 ,则能带中两能级的间距约 无显著关系。若N~1023,则能带中两能级的间距约 ~ 10-22eV.这样小的能级间隔在实验上完全可以忽略不 这样小的能级间隔在实验上完全可以忽略不 而认为能量值是连续变化的。这种Ｎ 计，而认为能量值是连续变化的。这种Ｎ个子能级的 能量值可视为连续变化的能量带即称之为能带。 能量值可视为连续变化的能量带即称之为能带。
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
7
结论： 结论： 一个孤立的原子的能量分布是一系列由量子数n,l 一个孤立的原子的能量分布是一系列由量子数 决定的分立的能级。 决定的分立的能级。 个原子结合成固体时， 当Ｎ个原子结合成固体时，整个固体的能量分布 则是一系列的由量子数n,l决定的能量连续分布的能带 决定的能量连续分布的能带。 则是一系列的由量子数 决定的能量连续分布的能带。
Si
Si Si Si Si Si Si Si Si
Si
As+
e Si
Si Si Si Si Si Si Si Si Si
−
Si Si
施主能级 价 带
Si Si
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
11
2. p 型半导体 三价原子硼掺入四价锗晶 体中， 体中，空穴环绕 B−离子运动 空穴
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
4
17.1.2
固体的能带
1.电子共有化 电子共有化
在固体中，原子众多，相邻原子排列紧密， 在固体中，原子众多，相邻原子排列紧密，因此 各能级壳层有不同程度的重叠， 各能级壳层有不同程度的重叠，而最外层的能级壳层 重叠部分最多。 重叠部分最多。此时每个电子既要受到自己的离子实 的作用，又要受到其它离子实的作用， 的作用，又要受到其它离子实的作用，所以电子不再 束缚于一定的原子，电子将可以在整个固体中运动， 束缚于一定的原子，电子将可以在整个固体中运动， 这种现象称为电子的共有化。 这种现象称为电子的共有化。 电子的共有化
它们的导电性能不同， 它们的导电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。 是因为它们的能带结构不同。
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
9
17.1.4 半导体
本征半导体：纯净的无杂质的半导体 本征半导体： 电子 锗晶体中的正常键 晶体中的正常键
Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge
Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge
受
主 能
级 导 带
B−
受主能级 价 带
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
12
3.p-n 结 P-n 结的伏安特性曲线 p n p n
I
U
−+
反向电压
第17章 新技术的物理基础 17章
I
U
+−
正向电压
17–1 17 1
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
5
2. 能带的形成
1）能级的分裂 ） 对于一个孤立的原子， 对于一个孤立的原子，其能量主要的取决于主量 子数n和角子数 并形成一系列分立的能级， 和角子数ℓ 子数 和角子数ℓ，并形成一系列分立的能级，每一能 个量子态(n,ℓ给定）， ），每一个量子态 级上有 2(2l + 1) 个量子态 ℓ给定），每一个量子态 上只能有一个电子占据，。例如n=1.ℓ=0的1s能级上 上只能有一个电子占据，。例如 ℓ 的 能级上 ，。例如 可以有两个自旋量子态不同的电子占据。 可以有两个自旋量子态不同的电子占据。 但是，当原先是各自孤立的原子结合成分子时， 但是，当原先是各自孤立的原子结合成分子时， 使得各原子的能级也出现不同程度的交叠， 使得各原子的能级也出现不同程度的交叠，结果会使 得原子中原先的各个能级发生不同程度的分裂。 得原子中原先的各个能级发生不同程度的分裂。
固体的能带结构
13
+e +e
p
n
p
−e −e
电子
偶电层 - - ++ - - ++ - - ++ - - ++ - - ++
n
空穴
x0
动平衡时 p 型与 n 型接触区域的电势变化
U0
x
x0
第17章 新技术的物理基础 17章
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
3
（1）离子晶体 ） 以离子间的库仑力为结合力， 以离子间的库仑力为结合力，如NaCl （2）共价晶体 ） 以共价鍵为结合力， 以共价鍵为结合力，如H2 （3）分子晶体 ） 以范德瓦耳斯鍵（ 以范德瓦耳斯鍵（无极分子相互接近时诱发的 瞬时电偶极ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）为结合力， 瞬时电偶极矩）为结合力，如大部分有机物 （4）金属晶体 ） 以共有化价电子与离子实间的库仑力为结合力
17–1 17 1
固体的能带结构
1
17.1.1 晶体结构和晶体分类 根据固体的结构, 固体材料分为: 根据固体的结构 固体材料分为
食盐、云母、金刚石 食盐、云母、 晶体 玻璃、松香、 非晶体 玻璃、松香、沥青 准晶体（ 年发现） 准晶体（ 1984年发现） 年发现 Ti--Ni—V 急冷合金中发现的五次对称现象 AI—Mn 准晶体
−e
Eg
导带 禁带 满带 空穴
电子被激发，晶体中出现空穴 电子被激发，晶体中出现空穴 激发
Ge Ge
+e
−eGe
Ge
Ge
+e
Ge
Ge Ge
Ge
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
10
1.n 型半导体 五价原子砷掺入四价硅中， 五价原子砷掺入四价硅中，多 余的价电子环绕 A+离子运动 s 施 主 能 级 导 带
一般规律： 一般规律： （１）越是外层电子，能带越宽. 越是外层电子，能带越宽. （２）点阵间距越小，能带越宽． 点阵间距越小，能带越宽． ( 3 ) 两个能带有可能重叠. 两个能带有可能重叠.
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
8
17.1.3 导体和绝缘体
固体按导电性能的高低可以分为
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
2
晶体的结构和分类 1、 晶体是由大量分子、原子或离子组成。 晶体是由大量分子、原子或离子组成。 大量分子、 大量分子、原子或离子在三维空间的周期性规则排 列方式称为固体的点阵结构（晶体点阵）。 称为固体的点阵结构 列方式称为固体的点阵结构（晶体点阵）。 理想晶体的基本特征是：原子排列有规则，具有 理想晶体的基本特征是：原子排列有规则， 周期性，长程有序。 周期性，长程有序。 非晶体结构不规则，是短程有序。 非晶体结构不规则，是短程有序。 2、晶体的分类 、 按照结合力的性质晶体可分为四类
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
6
２）能带的形成 计算表明，当原子结合成固体时， 计算表明，当原子结合成固体时，原先的一个能 级分裂成Ｎ个子能级， 级分裂成Ｎ个子能级，其最高子能级与最低子能级的 能量间隔∆ 一般在几个eV的数量级 且与Ｎ 的数量级， 能量间隔∆Ｅ一般在几个 的数量级，且与Ｎ的增减 无显著关系。 ,则能带中两能级的间距约 无显著关系。若N~1023,则能带中两能级的间距约 ~ 10-22eV.这样小的能级间隔在实验上完全可以忽略不 这样小的能级间隔在实验上完全可以忽略不 而认为能量值是连续变化的。这种Ｎ 计，而认为能量值是连续变化的。这种Ｎ个子能级的 能量值可视为连续变化的能量带即称之为能带。 能量值可视为连续变化的能量带即称之为能带。
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
7
结论： 结论： 一个孤立的原子的能量分布是一系列由量子数n,l 一个孤立的原子的能量分布是一系列由量子数 决定的分立的能级。 决定的分立的能级。 个原子结合成固体时， 当Ｎ个原子结合成固体时，整个固体的能量分布 则是一系列的由量子数n,l决定的能量连续分布的能带 决定的能量连续分布的能带。 则是一系列的由量子数 决定的能量连续分布的能带。
Si
Si Si Si Si Si Si Si Si
Si
As+
e Si
Si Si Si Si Si Si Si Si Si
−
Si Si
施主能级 价 带
Si Si
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
11
2. p 型半导体 三价原子硼掺入四价锗晶 体中， 体中，空穴环绕 B−离子运动 空穴
第17章 新技术的物理基础 17章
17–1 17 1
固体的能带结构
4
17.1.2
固体的能带
1.电子共有化 电子共有化
在固体中，原子众多，相邻原子排列紧密， 在固体中，原子众多，相邻原子排列紧密，因此 各能级壳层有不同程度的重叠， 各能级壳层有不同程度的重叠，而最外层的能级壳层 重叠部分最多。 重叠部分最多。此时每个电子既要受到自己的离子实 的作用，又要受到其它离子实的作用， 的作用，又要受到其它离子实的作用，所以电子不再 束缚于一定的原子，电子将可以在整个固体中运动， 束缚于一定的原子，电子将可以在整个固体中运动， 这种现象称为电子的共有化。 这种现象称为电子的共有化。 电子的共有化