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1、（这是一个混合积分电路网络的的高倍放大图）,固体的能带结构,第四章,本章目录,前言,4.2 固体的能带（书4.4节）,3.3 导体和绝缘体（书4.4节）,4.4 半导体的导电机构（书4.5节）,4.5 p n 结（书4.6节）,4.6 半导体器件（书4.7节）,4.1 晶体的结构和结合（补充）,4.7 半导体激光器（补充）,前 言,固体物理既是一门综合性的理论学科又和,固体物理是信息技术的物理基础,1928-29 建立能带理论并由实验证实1947.12 发明晶体管1962 制成集成电路,实际应用紧密结合（材料、激光、半导体）,1982 80286 13.4万 80486 120万1993 pe
2、ntium 320万1995 pentium MMX 550万1997 pentium2 750万集成度每 10 年增加 1000 倍！,1971 intel 4004 微处理器芯片 2300晶体管,集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻,没有晶体管、超大规模集成电路，就没有计,现在在一个面积比邮票还小的芯片上可以集,其上可以集成10 9个元件，,度只有0.12微米（深亚微米）。,成一个系统，,的研究分不开。,算机的普遍应用和今天的信息处理技术。,沟道长,量子尺度效应的研究 纳米材料,原子原子团固体材料，,新材料的理论设计：,固体物理是新材料技术的物理基础,晶格理论 晶体的力学性质、热学性质、
3、,量子阱、超晶格理论 新型器件,能带理论是固体理论和应用的基础。,“能隙工程”：,人工改变材料能隙去适应器件需要，,去创造特殊能带结构的材料。,人们可以通过控制电子波函数来制作器件，,正所谓：“自己来实践量子力学”。,晶体 非晶体,结 构：规则排列的对称性 无一定规则排列,宏观性质：多为各向异性 各向同性,熔 点：确定 逐渐软化,二.晶体的结构 晶体中原子规则排列形成晶格 具有周期性,4.1 晶体的结构和结合（补充）,一.晶体和非晶体的比较,初基晶胞晶格的最小单元,a,b,c晶格常数,晶格有多种类型：,点阵间满足关系：,面心立方晶格,Cu，Al,简单立方晶格 a=b=c,Au，Ag，,体心立方
4、晶格,六角密排晶格,组成晶格的原子（团）在平衡点附近作热运动,（晶格振动）产生格波，,Li，Na，K，Fe，CsCl,Be，Mg，Zn，Cd,声子 E(n+1/2)h,三.晶体的结合和类型,离子晶体（Ionic Crystal）,共价晶体（Covalent Crystal）,无自由电子导热导电性差,离子间静电力强熔点高，硬度好,正负离子交替排列形成离子键，,共价键,如NaCl 晶体,如：Si，Ge，金钢石,传热导电性不好,强度高，坚硬，不易变形,原子贡献出价电子为整个晶体所共有带正电的原子实周期地排列形成晶体点阵,金属晶体（Metallic Crystal）,电子对原子实的排列要求不严，展延性
5、好,导热导电性好（有自由电子）,大部分有机化合物晶体是分子晶体 原子间的作用力是范德瓦尔斯力,吸引，能量低,排斥，能量高,分子晶体（Molecular Crystal）,结合力小：熔点低，硬度小，易变形,当几个原子有相互作用构成一个体系时，,4.2 固体的能带（书4.4节）,本节研究大量原子有相互作用构成一个,可以从两方面来分析：,研究孤立原子的能级如何形成固体的能带,一.从原子能级到固体能带,原子中的电子处于不同的能级。,体系时，电子的能量（能级）状态。,电子的能级如何？,研究电子在周期势场中的运动,先看两个原子的情况,根据泡利不相容原理，原来的能级已填满不能再填充电子 分裂为两条,各原子间
6、的相互作用,原来孤立原子的能级发生分裂,若有N个原子组成一体，对于原来孤立原子,的一个能级，就分裂成 N条靠得很近的能级，,能带的宽度记作 E,E eV 的量级,若N1023，则能带中两相邻能级的间距,称为能带（energy band）。,约为10-23eV。,能级,能带,能隙，禁带,一般规律：,1.越是外层电子，能带越宽，E越大；,2.点阵间距越小，能带越宽，E越大；,3.两个能带有可能重叠。,二.电子在周期势场中的运动，电子共有化,孤立原子中电子的势阱,固体（这里指晶体）具有由大量分子、,电子受到周期性势场的作用：,原子或离子的规则排列而成的点阵结构。,解定态薛定谔方程，可以得出两点,1.
7、电子的能量是量子化的；,2.电子的运动有隧道效应。,原子的外层电子（在高能级）势垒穿透,原子的内层电子与原子核结合较紧，一般,概率较大，,电子可以在整个固体中运动，,称为共有化电子。,重要结论：,不是 共有化电子。,三.能带中电子的排布,固体中的一个电子只能处在某个能带中,1.排布原则：,（1）服从泡里不相容原理（费米子）,（2）服从能量最小原理,对孤立原子的一个能级 Enl，它最多能,这一能级分裂成由 N个能级组成的能带，,的某一能级上。,容纳 2(2l+1)个电子。,一个能带最多能容纳 2(2l+1)N 个电子。,2p、3p能带，最多容纳 6个电子。,例如，1s、2s能带，最多容纳 2个电
8、子。,电子排布应从最低的能级排起。,满带：填满电子的能带。,空带：没有电子占据的能带。,不满带：未填满电子的能带。,禁带：不能填充电子的能区。,价带：和价电子能级相应的能带，,对半导体，价带通常是满带。,即最高的充有电子的能带。,2.有关能带被占据情况的几个概念：,空带,价带,3.能带对电导的贡献,满带：,电子交换能态并不改变能量状态，所以满带不导电。,导带：,不满带或满带以上最低的空带,为什么把空带或不满带称为导带？,因为电子只有处在这种能带中才能导电。,这只有导带中的电子才有可能。,E,导电 电子在电场作用下作定向运动，,以一定速度漂移，,v 10-2 cm/s,电子得到附加能量,到较高的
9、能级上去，,满带,空带,价带,导带,不满带,导带,从能带来分析导电性：,不导电,导电,4.3 导体和绝缘体（书4.4节）（conductor and insulator）,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,一.导体的能带结构,导体在外电场的作用下，大量共有化电子,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。,很易获得能量，集体定向流动形成电流。,二.绝缘体的能带结构,从能级图来看，是因为满带,绝缘体在外电场的作用下，,当外电场足够强时，共有化电子还是能越过,共有化电子很难从低能级,（满带）跃迁到高能级（空带）上去。,的能量，,所以
10、形不成电流。,（Eg：36 eV），,与空带间有一个较宽的禁带,禁带跃迁到上面的空带中，使绝缘体被击穿。,共有化电子很难接受外电场,4.4 半导体的导电机构（书4.5节）,一.本征半导体（semiconductor）,本征半导体是指纯净的半导体。,本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。,1.本征半导体的能带结构：,所以加热、光照、加电场都能把电子从满带激到发空带中去，同时在满带中形成“空穴”（hole）。,半导体的禁带宽度Eg 很窄（0.1 2eV），,T=0K时（绝缘体）,例如半导体 Cd S,满带上的一个电子跃迁到空带后，满带中出现一个带正电的空位，称为“空穴”。,电子和空穴总是成对出现
11、的。,电子和空穴叫本征载流子，它们形成半导,体的本征导电性。,当光照 h Eg 时，可,发 生本征吸收，形成本征光电导。,2.两种导电机构,（1）电子导电 半导体的主要载流子是电子,解,例 要使半导体 Cd S产生本征光电导，求激发电子的光波的波长最大多长？,在外电场作用下，电子可以跃迁到空穴上来，这相当于 空穴反向跃迁。,空穴跃迁也形成电流，这称为空穴导电。,空带,满带,（2）空穴导电 半导体的主要载流子是空穴,当外电场足够强时，共有化电子还是能越,为什么导体的电阻随温度升高而升高，而半导体的电阻却随温度升高而降低？,半导体,导体,击穿,思考,过禁带跃迁到上面的空带中，使半导体击穿。,二.杂
12、质（impurity）半导体,1.n型半导体,又称 n 型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处，ED10-2eV，极易形成电子导电。,本征半导体 Si、Ge等的四个价电子，与另四,个原子形成共价结合，,当掺入少量五价的杂质,元素（如P、As等）时，,就形成了电子型半导体，,n 型半导体,空 带,施主能级,ED,这种靠近空带的附加能级称为施主（donor）,能级。,如下图示：,则 P 原子浓度1018 cm3,np=1.51010 cm 3,+1018,=1018 cm3,室温下：,本征激发,杂质激发,导带中电子浓度,nn=1.51010,满带中空穴浓度,设 Si
13、中P的含量为104,电子是多数载流子，,空穴是少数载流子。,在n型半导体中：,电子浓度nn,施主杂质浓度nd,Si 原子浓度1022 cm3,2.p型半导体,四价的本征半导体Si、e等掺入少量三价的杂质元素（如、Ga、In等）时，就形成空穴型半导体，又称 p 型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴能级在禁带中紧靠满带处，EA 10-1eV，极易产生空穴导电。,空 带,EA,受主能级,P型半导体,这种靠近满带的附加能级称为受主（acceptor）,能级。,如下图示：,则B 原子浓度1018 cm 3,np=1.51010,室温下：,本征激发,杂质激发,导带中电子浓度,nn=1.51010
14、cm 3,满带中空穴浓度,设 Si中B的含量为104,+1018,=1018 cm 3,空穴是多数载流子，,电子是少数载流子。,空穴浓度np,受主杂质浓度na,在p型半导体中：,Si 原子浓度1022 cm 3,3.n型化合物半导体,例如，化合物GaAs中掺Te，六价的Te替代五价的As可形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体。,4.p型化合物半导体,例如，化合物 GaAs中掺Zn，二价的Zn替代三价的Ga可形成受主能级，成为p型GaAs杂质半导体。,三.杂质的补偿作用,实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），又有受主杂质（浓度na），两种杂质有补偿作用：,若nd na为n型（施主）,若nd
15、 na为p型（受主）,利用杂质的补偿作用，可以制成 p-n 结。,4.5 p-n 结（书4.6节）,一.p-n 结的形成,在 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的,面附近产生了一个内建,阻止电子和空穴进一步扩散。,电子和空穴的扩散，,在p型和n型半导体交界,p型半导体(补偿作用)。,受主杂质，,（电）场,该区就成为,n型,p型,内建场大到一定程度，不再有净电荷的流动，达到了新的平衡。,在p型和 n型交界面附近形成的这种特殊结构称为p-n结（阻挡层，耗尽层），其厚度约为0.1m。,p-n结,p-n结处存在电势差U0形成的势垒区。,也阻止n区带负电的电子进一步向p区扩散。,它阻止 p区带正电的空穴
16、进一步向n区扩散；,对 Si:U0=0.60.7 V,对Ge:U0=0.20.3 V,由于p-n结的存在，电子的能量应考虑进势,这使电子能带出现弯曲：,垒带来的附加势能。,二.p-n结的单向导电性,1.正向偏压,p-n结的p型区接电源正极，叫正向偏压。,向p区运动，,阻挡层势垒降低、变窄，,有利于空穴向n区运动，,也有利于电子,这些都形成正向电流（m级）。,外加正向电压越大，形成的正向电流也越大，且呈非线性的伏安特性。,锗管的伏安特性曲线,2.反向偏压,p-n结的p型区接电源负极，叫反向偏压。,也不利于电,阻挡层势垒升高、变宽，,不利于空穴向n区运动，,会形成很弱的反向电流，,称漏电流（级）。
17、,无正向电流,子向p区运动。,但是由于少数载流子的存在，,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。,用p n结的单向导电性，,击穿电压,用p n结的光生伏特效应，可制成光电池。,p-n结的应用：,做整流、开关用。,加反向偏压时，p n结的伏安特性曲线如左图。,可制成晶体二极管（diode），,4.6 半导体器件（自学书第4.7节）,p-n结的适当组合可以作成具有放大作用的晶体三极管（trasistor）和其他一些半导体器件。,集成电路,大规模集成电路,超大规模集成电路,晶体管,（1947）,（1962）,（80年代）,103,105,甚大规模集成电路,巨大规模集成电
18、路,107,109,（70年代）,（90年代）,（现在）,晶体管的发明,1947年12月23日，美国贝尔实验室的半导体小组做出世界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。,1956年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。,每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲大小，它有300多万个三极管。,INMOS T900 微处理器,同质结激光器 由同种材料制成的p-n结,半导体激光器分两类：,异质结激光器 由两种不同材料制成的 p-I-n,4.7 半导体激光器（补充）,半导体激光器是光纤通讯中的重要光源，在创建信息高速公路的工程中起着极重要的作用。,（重掺杂）,结（I为本征半导体）,重掺杂,普通掺杂,1
19、.同质结激光器,加正向偏压V 粒子数反转。,电子空穴复合发光，,由自发辐射引起受激辐射。.,它的两个端面就相当于两个反射镜，,光振荡并利于选频。,的反射系数，,激励能源就是外接电源（电泵）。,使电子空穴的复合不断进行，维持激光的输出。,p-n结本身就形成一个光学谐振腔，,它提供正向电流，,适当镀膜达到所要求,可形成,核心部分：,p型GaAs,n型GaAs,典型尺寸（m）：,长 L=250-500,宽 W=5-10,厚 d=0.1-0.2,GaAs同质结半导体激光器,2.异质结激光器,作为概念上的过渡，先介绍 同质p-I-n结。,同质结的缺点是需要重掺杂，且光损耗大。,加正向偏压实现粒子数反转。
20、,需要电压较高。,三块半导体,紧密接触，形成 p-I-n 结,（本征）,异质p-I-n结激光器：,Ga1-x Alx As GaAs Ga1-x Alx As,加正向偏压后，很容易实现粒子数反转。,GaAs和GaAlAs,晶格常数基本相同，禁带宽度不同，折射系数不同,紧密接触,形成 p-I-n 结,（2）GaAs的折射率比两侧高5%，可形成全,实际使用的都是异质结激光器。,异质结激光器的优点：,（1）无须重掺杂；,（3）阈值电流密度低，可在室温下连续工作。,反射，把激光束限制在激活区内；,半导体激光器的特点：,第四章结束,功率可达 102 mW,效率高,制造方便,成本低,所需电压低（对GaAs只需1.5V）,体积小,极易与光纤接合,电能直接变成光能,寿命长,可达百万小时,用于激光通讯、信息储存、处理和显示器件、测距、制导、夜视等。,
