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1、15.12 半导体,一.固体的能带,1、能带的形成,当原子靠得很近时,原先每个原子的能级因各原子间的相互影响而分裂成一系列和原来能级很接近的子能级。,固态晶体中,原子间距很小,原子数量(N个)巨大,使得原有能级分裂成N个间距极小的子能级,几乎靠在一起,形成能带。,2、能带的一般规律：,（2）越是外层电子，能带越宽，E越大。,（1）原子间距越小，能带越宽，E越大。,（3）两个能带有可能重叠。,禁带：两个相邻能带间可能有一个不被允许的能量间隔。,3、电子在能带中的分布：,（2）能量最小原理 正常情况下，电子总是优先填能量较低的能级。,（1）泡利不相容原理,每个子能级有 个量子态，每个量子态容纳的电
2、子不能超过一个，每个能带最多容纳 个电子（N是组成晶体的原子个数）。,4、满带,空带,价带,导带,满带：各能级都被电子填满的能带。满带中电子 不参与导电过程。,价带：由价电子能级分裂而形成的能带。价带能量最高，可能被填满，也可不满。,空带：与各原子的激发态能级相应的能带。正常情况下没有电子填入。,导带：空带和未被电子填满的价带统称为导带。,5、电子在能带中的填充运动,（1）满带中，由于所有量子态完全被电子所占据，无论是热运动还是在外场中的运动，电子向各个方向运动的几率都相同，故不能形成电流。,在通常情况下，满带中的电子是不可能通过吸收外场能量而进入空带的。,（2）在没有外电场时，导带中的电子向
3、各个方向运动的几率相同，没有电流。当加上外电场时，每个电子都获得动量增量P而离开原来占据的低能态进入较高的能态（子能级）上。,而且这种转移不一定有反向电子的移动来抵消，于是在导带中就会出现一个定向的几率流密度，从宏观看就是电流。即导带中的电子是参与导电的，故谓之导带。,它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。,固体按导电性能的高低可以分为,二.固体的分类,1、绝缘体,价带是满带的固体，且与最邻近的空带间的能级差很大，即为绝缘体。,从能级图上来看，是因为满价带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg：约36 eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。,2、半导体,价带也是满带
4、。但其与最低空带间的禁带宽度Eg较窄，一般只有0.1eV。因此满价带中的电子比绝缘体容易被激发到最邻近的空带上去。,3、导体,凡价带为导带的固体即为导体。,导体的能带结构还有另外两种形式。,三.本征半导体和杂质半导体,1.本征半导体：纯净的无杂质的半导体,在本征半导体中，电子和空穴同时参与导电。这些电子和空穴称之为本征载流子。,在本征半导体中，以扩散的方式掺入微量其它元素的原子，这样的半导体称为杂质半导体。例如，在半导体锗（Ge）中掺入百万分之一的砷（As），它的导电率将提高数万倍。,杂质半导体，由于所掺杂质的类型不同，又可分为p型半导体和n型半导体。,1.本征半导体：纯净的无杂质的半导体,2
5、.杂质半导体：掺有杂质的半导体,(1)n型半导体,在四价的本征半导体(如Si、Ge)中掺入少量五价的杂质元素(如P、As等)形成电子型半导体,称 n 型半导体。,量子力学的计算表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空（导）带处,ED10-2eV，称之为局部能级。,由于此时导带中的电子，主要是由杂质中的多余电子形成的局部能级受激跃迁所得，所以该局部能级称为施主能级。,此时的杂质即称为施主杂质。,在n型半导体中:电子多数载流子,空穴少数载流子,(2)p型半导体,在四价元素(如Si、Ge)中掺入少量三价元素(如、Ga(镓)，形成空穴型半导体，称p型半导体。,量子力学计算表明，这种掺杂后多余的空
6、穴的能级在禁带中紧靠满带处，ED10-2eV，称之为局部能级。,由于该局部能级是收容从满价带中跃迁来的电子，该能级称受主能级。,此时的杂质即称为受主杂质。,在p型半导体中 空穴多数载流子,电子少数载流子,如果把p型半导体和n型半导体相接触，那么在接触的边界区就会形成一种特殊电结构，即pn结。,四.pn 结,1.pn结的形成,扩散前，n、p型半导体都是电中性。扩散的结果，在两种半导体的交界面附近出现了正负电荷的堆积，即在交界处形成了一个偶电层，其厚度约为10-7m，这就是pn结。,在pn结中有一个由n指向p的附加电场，称为内建场，又称阻挡层。,内建场阻止电子和空穴进一步扩散，记作,内建场大到一定
7、程度,不再有净电荷的流动，达到了新的动态平衡。,2.p-n结的单向导电性,()正向偏压,在p-n结的p型区接电源正极，n型区接电源负极，叫正向偏压.,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（m级）,外加正向电压越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的伏安特性.,(2)反向偏压,在p-n结的型区接电源负极,n区接电源正极，叫反向偏压。,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。,但是，由于少数载流子的存在，会形成很弱的反向电流，称为漏电流（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。,pn结正向导通，反向截止，这种特性即称之为pn结的单向导电性。,利用pn结可以做成具有整流、开关等作用的晶体二极管,pn结的适当组合可以作成具有放大作用的晶体三极管，以及其他一些晶体管，还可以制成光电池等。,3.p-n结的应用,
