大學物理課件近代物理之五

1、固體固體: 具有由大量分子、原子或離子組成具有由大量分子、原子或離子組成 的晶格的晶格點陣結(jié)構(gòu)點陣結(jié)構(gòu)。電子受到周期性勢場的作用。電子受到周期性勢場的作用。a 解定態(tài)薛定諤方程解定態(tài)薛定諤方程(略），可以得出兩點重要結(jié)論：略），可以得出兩點重要結(jié)論：.電子的能量是量子化的電子的能量是量子化的;.電子的運動有隧道效應。電子的運動有隧道效應。原子的原子的外層電子外層電子(高能級高能級)， 可以在整個固體中運動可以在整個固體中運動, 稱為稱為共有化電子。共有化電子。二二. 能帶能帶 量子力學計算表明，固體中若有量子力學計算表明，固體中若有N個原子，由于各個原子，由于各原子間的相互作用，對應于原來孤立

2、原子的每原子間的相互作用，對應于原來孤立原子的每一個能級一個能級,變成了變成了N條靠得很近的能級條靠得很近的能級,稱為稱為能帶能帶。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。說明：說明： 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. 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。離子間距離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖能帶重疊示意圖三三 . 能帶中電子的排布能帶中電子的排布 固體中的電子

3、只能處在固體中的電子只能處在某個能帶某個能帶中的中的某一能級某一能級上。上。 排布原則：排布原則： . 服從泡里不相容原理服從泡里不相容原理 . 服從能量最小原理服從能量最小原理孤立孤立原子一個能級原子一個能級 Enl ，它它最多能容納最多能容納 2 (2l +1)個電子個電子這一能級分裂成由這一能級分裂成由 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(2l+1)個電子。個電子。 電子排布時，應從最低的能級排起。電子排布時，應從最低的能級排起。 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

4、排滿電子）價帶（能帶中一部分能級排滿電子） 亦稱導帶亦稱導帶 3空帶（未排電子）空帶（未排電子） 亦稱導帶亦稱導帶 4禁帶（不能排電子的能量空間）禁帶（不能排電子的能量空間）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 l+1)滿帶滿帶上的電子不能參與導電上的電子不能參與導電四、導體、半導體和絕緣體四、導體、半導體和絕緣體 它們的導電性能不同，它們的導電性能不同， 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。固體按導電性能的高低可以分為固體按導電性能的高低可以分為導體導體半導體半導體絕緣體絕緣體按能級特點區(qū)

5、分：按能級特點區(qū)分：導體導體導體導體絕緣體絕緣體 Eg半導體半導體 Eg導體導體 Eg在外電場的作用下，在外電場的作用下，大量共有化電子很易大量共有化電子很易獲得能量獲得能量，集體定向流動形成電流。，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很易從低能級是因為其共有化電子很易從低能級躍遷到高能級上去，造成多個能級未被電子占滿，這躍遷到高能級上去，造成多個能級未被電子占滿，這些能級上的電子均可參與導電。些能級上的電子均可參與導電。E導體導體能級圖上，能級圖上， Eg 約約36 eV，共有化電子很難從，共有化電子很難從低能級低能級 （滿帶）躍遷到（滿帶）躍遷到高能級高

6、能級（空帶）上去。（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，所以形不成電流。受外電場的能量，所以形不成電流。滿帶與空帶之間也是禁帶，但是滿帶與空帶之間也是禁帶，但是禁帶很窄禁帶很窄（ E g 約約0.12 eV )。絕緣體絕緣體半導體半導體絕緣體與半導體的擊穿絕緣體與半導體的擊穿當外電場非常強時，共有化電子越過當外電場非常強時，共有化電子越過禁帶躍遷到空帶中形成載流子。禁帶躍遷到空帶中形成載流子。絕緣體絕緣體半導體半導體導體導體29-2 半導體半導體一一. 本征半導體本征半導體（semiconductor） 本征半導體是指本征半導體是指純

7、凈的純凈的半導體。半導體。其導電性能在導體與絕緣體之間。其導電性能在導體與絕緣體之間。介紹兩個概念：介紹兩個概念：1. 電子導電電子導電半導體的載流子是電子半導體的載流子是電子2. 空穴導電空穴導電半導體的載流子是空穴半導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)一個空位稱空穴。滿帶中出現(xiàn)一個空位稱空穴?？諑Э諑M帶滿帶 Eg在外電場作用下在外電場作用下,例例. 半導體半導體 Cd S滿滿 帶帶空 帶h Eg=2.42eVgEhch maxmin 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)的電子空穴對電子空穴對nm500max 解解 hchEg m

8、ax 半導體半導體 Cd S激發(fā)載流電子激發(fā)載流電子, , 光波的波長最大多長？光波的波長最大多長？gEhc C.eV.s/msJ.19834106142210310636 nm514 eVEg42. 2 為什么半導體的電阻為什么半導體的電阻 隨溫度升高而降低？隨溫度升高而降低？二二. 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體. n型半導體型半導體四價的本征半導體四價的本征半導體 Si、等，摻入少量、等，摻入少量五價五價的的雜質(zhì)雜質(zhì)元素（如元素（如P、As等）形成等）形成電子型半導體電子型半導體,稱稱 n 型半導體型半導體。量子力學表明量子力學表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶，這種摻雜后多余的電子的能級在禁

9、帶中中緊靠空帶緊靠空帶處處, ED10-2eV，極易形成電子導電。，極易形成電子導電。該能級稱為該能級稱為施主施主（donor）能級。能級。 n 型半導體型半導體 電子電子多數(shù)載流子多數(shù)載流子空空 帶帶滿滿 帶帶施主能級施主能級EgSiSiSiSiSiSiSiPED空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子在在n型半導體中型半導體中.型半導體型半導體四價四價的本征半導體的本征半導體Si、e等，摻入少量等，摻入少量三價三價的的雜質(zhì)雜質(zhì)元素（如、元素（如、Ga、n等）等）形成形成空穴型半導體空穴型半導體，稱，稱 p 型半導體型半導體。量子力學表明，這種摻雜后多余的空穴的量子力學表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在

10、禁帶中能級在禁帶中緊靠滿帶緊靠滿帶處，處， Ea10-2eV，極易產(chǎn)生極易產(chǎn)生空穴導電空穴導電。該能級稱該能級稱受主受主（acceptor）能級能級。空空 帶帶滿滿 帶帶受主能級受主能級 P型半導體型半導體EaSiSiSiSiSiSiSi+BEg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)載流子在在p型半導體中型半導體中三三. 雜質(zhì)補償作用雜質(zhì)補償作用實際的半導體中既有實際的半導體中既有施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)（濃度（濃度nd），）， 又有又有受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)（濃度（濃度na），），兩種雜質(zhì)有補償作用：兩種雜質(zhì)有補償作用：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)。 若若

11、nd na為為n型（施主）型（施主） 若若nd na為為p型（受主）型（受主）RT電阻與溫度的關(guān)系電阻與溫度的關(guān)系 導體的電阻率隨導體的電阻率隨溫度的升高而增大溫度的升高而增大。金屬金屬 半導體的電阻率隨溫半導體的電阻率隨溫度的升高而急劇地下降。度的升高而急劇地下降。 由于半導體中的電子吸收由于半導體中的電子吸收能量后，受激躍遷到導帶能量后，受激躍遷到導帶的數(shù)目增多。的數(shù)目增多。 利用半導體的這種利用半導體的這種性質(zhì)可以制成熱敏電阻。性質(zhì)可以制成熱敏電阻。半導體半導體 半導體在光照射下，電子吸收能量后，半導體在光照射下，電子吸收能量后，向向?qū)кS遷導帶躍遷。導電能力會增大，這種現(xiàn)象又稱為。導電

12、能力會增大，這種現(xiàn)象又稱為。 利用半導體的光電導現(xiàn)象可以制成利用半導體的光電導現(xiàn)象可以制成。六、六、 -結(jié)結(jié)1.-結(jié)的形成結(jié)的形成在一塊在一塊 n 型半導體型半導體基片的一側(cè)摻入較高濃度的基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜受主雜質(zhì)質(zhì)，由于雜質(zhì)的補償作用，該區(qū)就成為，由于雜質(zhì)的補償作用，該區(qū)就成為型半導體型半導體。由于區(qū)的電子向區(qū)擴散，區(qū)的空穴向區(qū)擴散，由于區(qū)的電子向區(qū)擴散，區(qū)的空穴向區(qū)擴散，在型半導體和型半導體的交界面附近形成電子空穴在型半導體和型半導體的交界面附近形成電子空穴層，稱為層，稱為-結(jié)結(jié)，其間產(chǎn)生了一個電場，其間產(chǎn)生了一個電場,稱為稱為內(nèi)建場內(nèi)建場。內(nèi)建場大到一定程度內(nèi)建場大到一定程度

13、,不不再有凈電荷的流動，達再有凈電荷的流動，達到了新的平衡（動態(tài)平到了新的平衡（動態(tài)平衡）。衡）。在型在型 n型交界面附近形型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為P-N結(jié)，約結(jié)，約0.1 m厚。厚。P-N結(jié)結(jié)阻阻En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，記作 。阻E2 . -結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?) 正向偏壓正向偏壓在在-結(jié)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，有利于空穴向有利于空穴向N區(qū)運動，區(qū)運動，電子向電子向P區(qū)運動，區(qū)運動，形成正向電流（形成正向電流（m級）。級）。Ep型型n型型I阻阻E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00.21.0I) 反向偏壓反向偏壓在在-結(jié)的型區(qū)接電源負極結(jié)的型區(qū)接電源負極,叫反向偏壓。叫反向偏壓。阻擋層勢壘增大、變阻擋層勢壘增大、變寬，寬，不利于空穴向不利于空穴向區(qū)運動，也不利于電區(qū)運動，也不利于電子向子向P區(qū)運