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1、第二十二章 固体能带理论基础,22-4 半导体的导电机制 p n 结,22-3 电子填充能带的情况 金属导体、绝缘体和本征半导体,22-2 自由原子中电子的能级 晶体的能带,22-1 晶体,了解本征半导体、n 型半导体和 p 型半导体。,了解固体能带的形成，并用能带观点区分导体、半导体和绝缘体。,教学基本要求,22-1 晶体,晶体点阵和晶胞,晶体由相同的原子或原子群在空间规则地排列而成，每一个原子群构成晶体的基本结构单元（基元）。基元的重心在空间规则排列形成晶格（晶体点阵）。,晶胞,面心立方晶胞,体心立方晶胞,雪花的晶体,金刚石的点阵结构,一.自由原子中电子的能级,多电子原子中，主量子数为n
2、角量子数为l=0,1,2,的能级分别为 ns,np,nd,能级。所有 s能级都是非简并的，只有一个量子态(l=0,ml=0)，可容纳 2 个电子。p 能级是 3 度简并的，l=1,ml=-1,0,1，可容纳 6 个电子。d 能级是 5 度简并的，l=2,ml=-2,-1,0,1,2，可容纳10个电子。,22-2 自由原子中电子的能级 晶体的能带,一般来说，角量子数为 l 的能级是(2l+1)度简并的，对应于每一个这样的能级有(2l+1)个量子态，可容纳2(2l+1)个电子。,二.晶体的能带,6个原子组成的晶体,在实际晶体中，原子中的外层电子在相邻原子的势场作用下，可以在整个晶体中作共有化运动，
3、原来自由原子的简并能级分裂为许多和原来能级很接近的能级，形成能带。,N 个原子组成的晶体，角量子数为 l 的能级对应的能带包含(2l+1)N个能级。,自由原子中电子的能级越高，对应的能带越宽。,钠晶体的能带随原子间距的变化,金刚石晶体的能带随原子间距的变化,一.电子填充能带的情况,当温度接近 0 K时，电子由低能级到高能级逐个填充能带。,22-3 电子填充能带的情况 金属导体、绝缘体和本征半导体,一般，原子的内层能级都被电子填满，成为满带。价电子引起的能带（价带）可能是满带，也可能不是满带。,有些能带相互交叠形成混合能带，交叠后的能带还可能再分裂为上下两个能带。,二.金属导体、绝缘体和半导体,
4、1.导体 较低的能带都被电子填满，上面的能带只是部分地被电子填充。,当无外电场时，晶体中的电子速度分布对称，不引起宏观电流。,当有外电场时，晶体中的运动着电子有些被加速，有些被减速，即有些动能增加有些动能减小。只有当电子所在的能带内有未被占据的空能级，即为非满带时，这样的跃迁才有可能实现。,2.绝缘体 完全填满的能带上面都是空带。,满带和空带之间是较宽的禁带。除非外电场相当强，否则不能使电子获得足够的能量从满带跃迁到空带。,即使有外电场，也不可能改变电子速度分布的对称性，即不能引起电子的定向流动而形成电流。,金刚石是典型的绝缘体。,3.本征半导体 不含杂质的纯净半导体。,当温度接近 0 K时，
5、价带都被电子填满，价带以上的能带都是空带。因此和绝缘体一样都没有导电性。,本征半导体的禁带比绝缘体的窄很多，在常温下，少数电子经热激发可越过禁带跃迁到空带中，这时，半导体就具有一定的导电性。,一.本征半导体的导电机制,22-4 半导体的导电机制 p-n 结,价带中少数电子被热激发进入导带，在电场作用下，导带中的电子和满带中的空穴都可引起电流。,导带中的电子是负载流子，形成电子流；满带中的空穴是正载流子，形成空穴电流。总电流是电子流和空穴电流的代数和。,二.杂质半导体的导电机制,1.n 型半导体 杂质原子在紧靠导带边沿形成附加的施主能级，电子因热激发由施主能级跃迁到导带中可形成电子电流。,四价的硅、锗掺入五价的磷、砷形成的n 型半导体,2.p 型半导体 杂质原子在紧靠价带边沿形成附加的受主能级，电子因热激发由价带跃迁到受主能级中在价带中留下空穴，可形成空穴电流。,四价的硅、锗掺入三价的硼、镓形成的p 型半导体,三.p-n 结,相互扩散,空穴,电子,I1,p 区,n 区,p 区,n 区,动态平衡,正向电流,反向抑制,在 p-n 结中由 p 区到 n 区的净余总电流与外加电压的关系可以表示为,p-n 结的伏安特性曲线,p-n 结具有明显的单向导电特性，在电路中可以起到整流的作用。,
