第4章固體的能帶結(jié)構(gòu)

1、1 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 2 一一. 能帶能帶 量子力學(xué)計算表明，固體中若有量子力學(xué)計算表明，固體中若有N個個 原子，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原子，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于 原來孤立原子的每一個能級原來孤立原子的每一個能級,變成了變成了N條靠條靠 得很近的能級得很近的能級,稱為稱為 能帶能帶。 固體中的電子能級有什么特點？固體中的電子能級有什么特點？ 3 能帶的寬度記作能帶的寬度記作 E ，數(shù)量級為，數(shù)量級為 EeV。 若若N1023,則能帶中兩能級的間距約則能帶中兩能級的間距約10-23eV。 一般規(guī)律：一般規(guī)律： 1. 越是外層電子，能帶越寬，越是外層電子，能帶越寬， E越大。越大。

2、2. 點陣間距越小，能帶越寬，點陣間距越小，能帶越寬， E越大。越大。 3. 兩個能帶有可能重疊。兩個能帶有可能重疊。 4 離子間距離子間距a 2P 2S 1S E 0 能帶重疊示意圖能帶重疊示意圖 5 二二 . 能帶中電子的排布能帶中電子的排布 固體中的一個電子只能處在某個能帶中固體中的一個電子只能處在某個能帶中 的某一能級上。的某一能級上。 排布原則：排布原則： . 服從泡利不相容原理服從泡利不相容原理 . 服從能量最小原理服從能量最小原理 設(shè)孤立原子的一個能級設(shè)孤立原子的一個能級 Enl ，它最多能容，它最多能容 納納 2 (2 +1)個電子。個電子。l 這一能級分裂成由這一能級分裂成由

3、 N條能級組成的能帶后，條能級組成的能帶后， 能帶最多能容納能帶最多能容納(2 +1)個電子。個電子。l 6 電子排布時，應(yīng)從最低的能級排起。電子排布時，應(yīng)從最低的能級排起。 有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個名詞：有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個名詞： 1滿帶（排滿電子）滿帶（排滿電子） 2價帶（能帶中一部分能級排滿電子）價帶（能帶中一部分能級排滿電子） 亦稱導(dǎo)帶亦稱導(dǎo)帶 3空帶（未排電子）空帶（未排電子） 亦稱導(dǎo)帶亦稱導(dǎo)帶 4禁帶（不能排電子）禁帶（不能排電子） 2、能帶，最多容納、能帶，最多容納 6個電子。個電子。 例如，例如，1、能帶，最多容納、能帶，最多容納 2個電子。個電子。 (2 +1)l 7 三

4、、三、 導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體和絕緣體 它們的導(dǎo)電性能不同，它們的導(dǎo)電性能不同， 是因為它們的能帶結(jié)構(gòu)不同。是因為它們的能帶結(jié)構(gòu)不同。 固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為 導(dǎo)體導(dǎo)體 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 絕緣體絕緣體 8 在外電場的作用下，大量共有化電子很在外電場的作用下，大量共有化電子很 易獲得能量，集體定向流動形成電流。易獲得能量，集體定向流動形成電流。 從能級圖上來看，從能級圖上來看，是因為其共有化電子是因為其共有化電子 很易從低能級躍遷到高能級上去。很易從低能級躍遷到高能級上去。 E 導(dǎo)體導(dǎo)體 9 從能級圖上來看，是因為滿帶與空帶之間從能級圖上來看，是因為滿帶與空帶之間 有一個

5、有一個較寬的禁帶較寬的禁帶（ Eg 約約36 eV），）， 共有化電子很難從低能級（滿帶）躍遷到共有化電子很難從低能級（滿帶）躍遷到 高能級（空帶）上去。高能級（空帶）上去。 在外電場的作用下，共有化電子很難接在外電場的作用下，共有化電子很難接 受外電場的能量，所以不能形成電流。受外電場的能量，所以不能形成電流。 的能帶結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu),滿帶與空帶之間也是禁帶，滿帶與空帶之間也是禁帶， 但是但是禁帶很窄禁帶很窄（ E g 約約0.12 eV )。 絕緣體絕緣體 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 10 絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿 當(dāng)外電場非常強時，它們的共有化電子還是當(dāng)外電場非常強時，它們的共有化電子還

6、是 能越過禁帶躍遷到上面的空帶中的。能越過禁帶躍遷到上面的空帶中的。 絕緣體絕緣體 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 導(dǎo)體導(dǎo)體 11 三、半導(dǎo)體的分類三、半導(dǎo)體的分類 一一. 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體是指本征半導(dǎo)體是指純凈的純凈的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。 介紹兩個概念：介紹兩個概念： 1. 電子導(dǎo)電電子導(dǎo)電半導(dǎo)體的載流子是電子半導(dǎo)體的載流子是電子 2. 空穴導(dǎo)電空穴導(dǎo)電半導(dǎo)體的載流子是空穴半導(dǎo)體的載流子是空穴 滿帶上的一個電子躍遷到空帶后滿帶上的一個電子躍遷到空帶后, 滿帶中出現(xiàn)一個空位。滿帶中出現(xiàn)一個空位。 12 例例. 半導(dǎo)體半

7、導(dǎo)體 Cd S（硫化鎘）（硫化鎘） 滿滿 帶帶 空 帶 h Eg=2.42eV 這相當(dāng)于產(chǎn)生了一個帶正電的粒子這相當(dāng)于產(chǎn)生了一個帶正電的粒子(稱為稱為 “空穴空穴”) , 把電子抵消了。把電子抵消了。 電子和空穴總是成對出現(xiàn)的。電子和空穴總是成對出現(xiàn)的。 13 空帶空帶 滿帶滿帶 空穴下面能級上空穴下面能級上 的電子可以躍遷的電子可以躍遷 到空穴上來到空穴上來, 這相當(dāng)于空穴這相當(dāng)于空穴 向下躍遷。向下躍遷。 滿帶上帶正電的滿帶上帶正電的 空穴向下躍遷也空穴向下躍遷也 是形成電流是形成電流, 這稱為這稱為空穴導(dǎo)電空穴導(dǎo)電。 Eg 在外電場作用下在外電場作用下, 14 二二. 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)

8、體 . n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 四價的本征半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體 Si（硅）、（鍺）等，（硅）、（鍺）等， 摻入少量五價的摻入少量五價的雜質(zhì)雜質(zhì)元素，如元素，如P（磷）、（磷）、As （砷）等（砷）等 形成電子型半導(dǎo)體形成電子型半導(dǎo)體, 稱稱 n 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的 能級在禁帶中緊靠空帶處能級在禁帶中緊靠空帶處, ED10-2eV， 極易形成電子導(dǎo)電。極易形成電子導(dǎo)電。 該能級稱為該能級稱為施主能級。施主能級。 15 n 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在在n型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中 電子電子多數(shù)載流子多數(shù)載流子 空空 帶帶 滿滿 帶帶 施

9、主能級施主能級 ED Eg SiSiSiSi Si Si Si P 空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子 16 .型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 四價的本征半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體Si（硅）、（硅）、e（鍺）等，（鍺）等， 摻入少量三價的摻入少量三價的雜質(zhì)雜質(zhì)元素，如（硼）、元素，如（硼）、 Ga（鎵）、（鎵）、n（銦）等形成空穴型半導(dǎo)體，（銦）等形成空穴型半導(dǎo)體， 稱稱 p 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的 能級在禁帶中緊靠滿帶處，能級在禁帶中緊靠滿帶處， ED10-2eV， 極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。 該能級稱該能級稱受主能級。受主能級。 1

10、7 空空 帶帶 ED 滿滿 帶帶 受主能級受主能級 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 SiSiSiSi Si Si Si + B Eg 在在p型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中 空穴空穴多數(shù)載流子多數(shù)載流子 電子電子少數(shù)載流子少數(shù)載流子 18 3. n型化合物半導(dǎo)體型化合物半導(dǎo)體 例如，化合物例如，化合物GaAs（砷化鎵）中摻（碲）（砷化鎵）中摻（碲） ，六價的，六價的Te替代五價的替代五價的As可形成施主能級，可形成施主能級， 成為成為n型型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體。 4.型化合物半導(dǎo)體型化合物半導(dǎo)體 例如，化合物例如，化合物 GaAs中摻中摻Zn（鋅），二價的（鋅），二價的Zn 替代三價的替代三價的Ga（鎵）可

11、形成受主能級，（鎵）可形成受主能級， 成為成為p型型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體。 19 三三. 雜質(zhì)補償作用雜質(zhì)補償作用 實際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃實際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃nd），）， 又有受主雜質(zhì)（濃度又有受主雜質(zhì)（濃度na），兩種雜質(zhì)有補），兩種雜質(zhì)有補 償作用：償作用： 若若nd na為為n型（施主）型（施主） 若若nd na為為p型（受主）型（受主） 利用雜質(zhì)的補償作用，利用雜質(zhì)的補償作用， 可以制成可以制成P結(jié)。結(jié)。 20 四、四、P結(jié)的形成結(jié)的形成 在一塊在一塊 n 型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入 較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜

12、質(zhì)的 補償作用，該區(qū)就成為型半導(dǎo)體。補償作用，該區(qū)就成為型半導(dǎo)體。 由于區(qū)的電子向區(qū)擴散，區(qū)的由于區(qū)的電子向區(qū)擴散，區(qū)的 空穴向區(qū)擴散，空穴向區(qū)擴散，在型半導(dǎo)體和在型半導(dǎo)體和 型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個電型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個電 場場,稱為稱為內(nèi)建場內(nèi)建場。 21 內(nèi)建場大到一定內(nèi)建場大到一定 程度程度,不再有凈電不再有凈電 荷的流動，達到荷的流動，達到 了新的平衡。了新的平衡。 在型在型 n型交界面型交界面 附近形成的這種特附近形成的這種特 殊結(jié)構(gòu)稱為殊結(jié)構(gòu)稱為PN結(jié)。結(jié)。 PN結(jié)結(jié) 阻阻 E n型型 p型型 內(nèi)建場阻止電子內(nèi)建場阻止電子 和空穴進一步擴和空穴進一步擴 散，記作散

13、，記作 。 阻阻 E 22 PN結(jié)處存在電勢差結(jié)處存在電勢差Uo。 。 也阻止也阻止 N區(qū)區(qū) 帶負電的電子進帶負電的電子進 一步向一步向P區(qū)擴散。區(qū)擴散。 它阻止它阻止 P區(qū)區(qū) 帶正電的空穴進帶正電的空穴進 一步向一步向N區(qū)擴散；區(qū)擴散； U0 0 eU 電子能級電子能級 電勢曲線電勢曲線 電子電勢能曲線電子電勢能曲線 P-N結(jié)結(jié) 23 五、結(jié)的單向?qū)щ娦晕?、結(jié)的單向?qū)щ娦?. 正向偏壓正向偏壓 在結(jié)在結(jié) 的的p型區(qū)接型區(qū)接 電源正極，電源正極， 叫正向偏壓。叫正向偏壓。 阻擋層勢壘被削弱、變窄，阻擋層勢壘被削弱、變窄，有利于空穴有利于空穴 向向N區(qū)運動，電子向區(qū)運動，電子向P區(qū)運動，區(qū)運動，

14、 形成正向電流（形成正向電流（m級）。級）。 E p型型n型型 I 阻阻 E 24 外加正向電壓越大，外加正向電壓越大， 正向電流也越大，正向電流也越大， 而且是呈非線性的而且是呈非線性的 伏安特性伏安特性(圖為鍺管圖為鍺管)。 V（伏）（伏） （毫安）（毫安） 正向正向 0 0.2 1.0 I 25 . 反向偏壓反向偏壓 在結(jié)的型區(qū)接電源負極在結(jié)的型區(qū)接電源負極, 叫反向偏壓。叫反向偏壓。 阻擋層勢壘增阻擋層勢壘增 大、變寬，大、變寬，不不 利于空穴向利于空穴向 區(qū)運動，也不區(qū)運動，也不 利于電子向利于電子向P 區(qū)運動區(qū)運動,沒有正沒有正 向電流。向電流。 E p型型n型型 I 阻阻 E 26 但是，由于少數(shù)但是，由于少數(shù) 載流子的存在，載流子的存在， 會形成很弱的反會形成很弱的反 向電流，向電流， 當(dāng)外電場很強當(dāng)外電場很強,反向電壓超過某一數(shù)值后，反向電壓超過某一數(shù)值后， 反向電流會急劇增大反向電流會急劇增大-反向擊穿。反向擊穿。 稱為漏電流稱為漏電流 （ 級）。級）。 擊穿電壓擊穿電壓 V(伏伏) I - - - （微安）（微安） 反向反向 -20-30 利用利用PN結(jié)結(jié)可以作成具有