吉林大學(xué)近代物理及實(shí)驗(yàn)課程_課件第4章

1、 第一節(jié)第一節(jié) 分子結(jié)構(gòu)及分子光譜分子結(jié)構(gòu)及分子光譜第二節(jié)第二節(jié) 固體的能帶固體的能帶第三節(jié)第三節(jié) 半導(dǎo)體半導(dǎo)體第四節(jié)第四節(jié) 超導(dǎo)電性和超導(dǎo)體超導(dǎo)電性和超導(dǎo)體第四章第四章 分子和固體分子和固體 計(jì)算結(jié)果表明計(jì)算結(jié)果表明 原來都處于基態(tài)（原來都處于基態(tài)（1s s態(tài)）態(tài)） 的兩個(gè)氫原子組成的體系有兩種量子狀態(tài)的兩個(gè)氫原子組成的體系有兩種量子狀態(tài) eVEb48. 4 bE 4 2 0-2-4E(eVE(eV) )r(10r(10-9-9cm)cm)0rmro101074. 0 eVEe幾幾個(gè)個(gè) BA電子能級(jí)Ee 振動(dòng)能級(jí)Ev轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)Ek210210VK4321043210電子-振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)eVEv

2、1 . 0 eVEk310 BA電子能級(jí)Ee 振動(dòng)能級(jí)Ev轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)Ek210210VK4321043210電子-振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)eE vEkE特征特征：hEEhEEhEEhEEvkkvveeMMkveMEEEE多原子分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括三大類多原子分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括三大類：1.1.電子的運(yùn)動(dòng)，電子的運(yùn)動(dòng)，2.2.各原子核在平衡位置附近的振動(dòng)，各原子核在平衡位置附近的振動(dòng)，3.3.分子整體繞分子整體繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)。所以分子的總能量：質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)。所以分子的總能量： 固體：晶體、非晶體固體：晶體、非晶體晶體晶體： 有有規(guī)則對(duì)稱規(guī)則對(duì)稱的幾何外形；的幾何外形；物理性質(zhì)物理性質(zhì)( (力、熱、電、光力、

3、熱、電、光) )各向異性各向異性；有確定的熔點(diǎn)有確定的熔點(diǎn); ;微觀微觀上，分子、原子或離子呈有規(guī)則上，分子、原子或離子呈有規(guī)則的的周期性排列周期性排列，形成空間點(diǎn)陣，形成空間點(diǎn)陣( (晶格晶格).).晶體的性質(zhì)與這種內(nèi)在的周期性有關(guān)。晶體的性質(zhì)與這種內(nèi)在的周期性有關(guān)。4.2 固體的能帶固體的能帶 1. .電子共有化電子共有化 （1）孤立原子孤立原子( (單價(jià)單價(jià)) ) r r+ +- -e eU UV VU UV Vr r+ +電子能級(jí)電子能級(jí)勢(shì)阱勢(shì)阱旋轉(zhuǎn)對(duì)稱旋轉(zhuǎn)對(duì)稱勢(shì)壘勢(shì)壘+ +一一. . 晶體的能帶結(jié)構(gòu)晶體的能帶結(jié)構(gòu) 電子所在處的電子所在處的電勢(shì)為電勢(shì)為U，電子，電子的電勢(shì)能為的電勢(shì)能為

4、V,電電勢(shì)能是一個(gè)旋轉(zhuǎn)勢(shì)能是一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的勢(shì)阱。對(duì)稱的勢(shì)阱。 (2)兩個(gè)原子情形兩個(gè)原子情形(3)大量原子規(guī)則排大量原子規(guī)則排列情形列情形 晶體中大量原晶體中大量原子子( (分子、離子分子、離子) )的的規(guī)則排列成點(diǎn)陣結(jié)規(guī)則排列成點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，晶體中形成周構(gòu)，晶體中形成周期性勢(shì)場(chǎng)。期性勢(shì)場(chǎng)。 V VV Vr r+ + + r r+ + + + + + + +a aE E1 1E E2 2 為確定電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，需為確定電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，需解薛定諤方程解薛定諤方程( (復(fù)雜，略復(fù)雜，略) )，僅定性說明。，僅定性說明。(1)對(duì)能量對(duì)能量E1的電子的電子( (上圖上圖) ) 勢(shì)能曲線

5、表現(xiàn)為勢(shì)壘勢(shì)能曲線表現(xiàn)為勢(shì)壘；電子能量電子能量 勢(shì)壘高度勢(shì)壘高度 電子在晶體中自由運(yùn)動(dòng)，不受特定電子在晶體中自由運(yùn)動(dòng)，不受特定 離子的束縛。離子的束縛。 共有化的電子可以在不同原子中的共有化的電子可以在不同原子中的相似軌道上轉(zhuǎn)移，可以在整個(gè)固體中運(yùn)相似軌道上轉(zhuǎn)移，可以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)。動(dòng)。 電子共有化電子共有化: : 由于晶體中原子的周期性排列，由于晶體中原子的周期性排列，價(jià)電子不再為單個(gè)原子所有的現(xiàn)象。價(jià)電子不再為單個(gè)原子所有的現(xiàn)象。 量子力學(xué)證明，晶體中量子力學(xué)證明，晶體中電子共有化的電子共有化的結(jié)果，使原來每個(gè)原子中具有相同能量結(jié)果，使原來每個(gè)原子中具有相同能量的電子能級(jí)的電子能級(jí)， 因

6、各原子間的相互影響而因各原子間的相互影響而 分裂成一系列和原能級(jí)很接近的新能級(jí)。分裂成一系列和原能級(jí)很接近的新能級(jí)。這些新能級(jí)基本上連成一片，形成這些新能級(jí)基本上連成一片，形成能帶能帶( energy band) )。2.能帶的形成能帶的形成 兩個(gè)氫原子靠兩個(gè)氫原子靠近結(jié)合成分子近結(jié)合成分子時(shí)，時(shí)，1s能級(jí)分裂能級(jí)分裂為兩條。為兩條。 1s1sr r0r r0 0E EH HH Hr rH H原子結(jié)原子結(jié)合成分子合成分子 當(dāng)當(dāng)N個(gè)原子個(gè)原子靠近形成晶體時(shí)，由于各靠近形成晶體時(shí)，由于各 原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來孤立原原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來孤立原子的一個(gè)能級(jí)，子的一個(gè)能級(jí)， 就就分裂分裂

7、成成N條條靠得很近靠得很近的的 能級(jí)能級(jí)。 使原來處于相同能級(jí)上的電使原來處于相同能級(jí)上的電子，不再有相同的能量，而處于子，不再有相同的能量，而處于N個(gè)個(gè)很接很接近近 的新能級(jí)上。的新能級(jí)上。N 條條能級(jí)能級(jí)能帶能帶能隙，禁帶能隙，禁帶 E(1)外層電子共有化程度顯著，外層電子共有化程度顯著， 能帶較寬能帶較寬( ( E較大較大) ) ；內(nèi)層；內(nèi)層 電子相應(yīng)的能帶很窄。電子相應(yīng)的能帶很窄。 (2)點(diǎn)陣間距越小，能帶點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，越寬， E越大。越大。(3)兩能帶有可能重疊。兩能帶有可能重疊。能帶寬度能帶寬度： EeV 能帶中相鄰能級(jí)的能差能帶中相鄰能級(jí)的能差：10-22eV 能帶的一

8、般規(guī)律：能帶的一般規(guī)律：3、能帶中電子的排布能帶中電子的排布 排布原則排布原則：( (1) )服從泡利不相容原理服從泡利不相容原理 ( (2) )服從能量最小原理服從能量最小原理這一能級(jí)分裂成由這一能級(jí)分裂成由N條能級(jí)組成的能條能級(jí)組成的能帶帶 后，最多能容納后，最多能容納 個(gè)電子。個(gè)電子。 Nl) 12( 2 ) 12( 2 l個(gè)電子。個(gè)電子。孤立原子的能級(jí)孤立原子的能級(jí)Enl，最多能容納，最多能容納 例：例：1S、2S能帶，最多容納能帶，最多容納2N個(gè)電子；個(gè)電子； 2P、3P能帶，最多容納能帶，最多容納6N個(gè)電子。個(gè)電子。晶體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶晶體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中

9、的某一條能級(jí)上。中的某一條能級(jí)上。（1）滿帶滿帶：能帶中各能級(jí)都被電子填滿。能帶中各能級(jí)都被電子填滿。（2）導(dǎo)帶導(dǎo)帶：被電子部分填充的能帶。：被電子部分填充的能帶。 在外電場(chǎng)作用下，電子可向帶內(nèi)未被在外電場(chǎng)作用下，電子可向帶內(nèi)未被填充的高能級(jí)轉(zhuǎn)移，但無相反的電子轉(zhuǎn)換，填充的高能級(jí)轉(zhuǎn)移，但無相反的電子轉(zhuǎn)換，因而可形成電流。因而可形成電流。 價(jià)帶價(jià)帶: :價(jià)電子能級(jí)分裂后形成的能帶。價(jià)電子能級(jí)分裂后形成的能帶。 有的晶體的價(jià)帶是導(dǎo)帶有的晶體的價(jià)帶是導(dǎo)帶 有的晶體的價(jià)帶也可能是滿帶。有的晶體的價(jià)帶也可能是滿帶。4 . .滿帶、導(dǎo)帶和禁帶滿帶、導(dǎo)帶和禁帶導(dǎo)帶中的電子具有導(dǎo)電作用。導(dǎo)帶中的電子具有導(dǎo)電作

10、用。滿帶中的電子不能起導(dǎo)電作用滿帶中的電子不能起導(dǎo)電作用 由原子的激發(fā)態(tài)能級(jí)分裂而成，正常由原子的激發(fā)態(tài)能級(jí)分裂而成，正常 情況下空著；情況下空著； 在外電場(chǎng)作用下，這些電子的轉(zhuǎn)移可在外電場(chǎng)作用下，這些電子的轉(zhuǎn)移可 形成電流。所以，形成電流。所以，空帶也是導(dǎo)帶空帶也是導(dǎo)帶。（3）空帶空帶：所有能級(jí)均未被電子填充的能帶。：所有能級(jí)均未被電子填充的能帶。當(dāng)有激發(fā)因素當(dāng)有激發(fā)因素( (熱激發(fā)、光激發(fā)熱激發(fā)、光激發(fā)) )時(shí)，時(shí)， 價(jià)帶中的電子可被激發(fā)進(jìn)入空帶價(jià)帶中的電子可被激發(fā)進(jìn)入空帶；（4）禁帶禁帶：在能帶之間的能量間隙區(qū)，：在能帶之間的能量間隙區(qū)， 電子不能填充。電子不能填充。 滿帶滿帶 空帶空帶

11、 禁帶禁帶E E 若上下能帶重疊，其若上下能帶重疊，其 間禁帶就不存在。間禁帶就不存在。 禁帶的寬度對(duì)晶體的禁帶的寬度對(duì)晶體的 導(dǎo)電性有重要的作用導(dǎo)電性有重要的作用 導(dǎo)體：導(dǎo)體： 電阻率電阻率 10-8 m 絕緣體：絕緣體： 電阻率電阻率 108 m 硅、硒、碲、鍺、硼硅、硒、碲、鍺、硼元素；元素； 硒、碲、硫硒、碲、硫 化合物；化合物； 金屬氧化物；金屬氧化物； 許多無機(jī)物。許多無機(jī)物。半導(dǎo)體：半導(dǎo)體： 電阻率介于以上二者之間電阻率介于以上二者之間導(dǎo)電性能的不同，源于它們的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性能的不同，源于它們的能帶結(jié)構(gòu) 的不同。的不同。二、導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體二、導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體晶體按導(dǎo)電性

12、能可分為晶體按導(dǎo)電性能可分為 1.導(dǎo)體導(dǎo)體( (conductor) )的能帶結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu) 空帶空帶E E某些一價(jià)金屬，某些一價(jià)金屬，如如:Li :Li 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 某些二價(jià)金屬，某些二價(jià)金屬，如如:Be, Ca, Mg,:Be, Ca, Mg, Zn, Ba Zn, Ba 滿帶滿帶 空帶空帶E E E E 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 空帶空帶 如如:Na, K, Cu, :Na, K, Cu, Al, AgAl, Ag (1) 沒有滿帶沒有滿帶 導(dǎo)帶和空帶不重疊導(dǎo)帶和空帶不重疊( (如如Li，) ) 導(dǎo)帶和空帶重疊導(dǎo)帶和空帶重疊( (如如Na，K，Cu，Al，Ag) ) 有幾種情形：有幾種情形： 空帶空帶E某

13、些一價(jià)金屬，某些一價(jià)金屬，如如: :Li 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 某些二價(jià)金屬，某些二價(jià)金屬，如如: :Be, Ca, Mg, Zn, Ba 滿帶滿帶 空帶空帶E E 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 空帶空帶 如如: :Na, K, Cu, Al, Ag 導(dǎo)電機(jī)制導(dǎo)電機(jī)制：在外電場(chǎng)的作用下，電子容：在外電場(chǎng)的作用下，電子容易從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，形成集體的定易從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，形成集體的定向流動(dòng)向流動(dòng)( (電流電流) )，顯出很強(qiáng)的導(dǎo)電能力。，顯出很強(qiáng)的導(dǎo)電能力。( (2)有滿帶，但滿帶和空帶有滿帶，但滿帶和空帶( (或?qū)Щ驅(qū)? )重疊重疊( (如某些二價(jià)元素如某些二價(jià)元素Be，Ca，Mg，Zn，Ba)2、絕緣體、絕緣體

14、( (insulator) )的能帶結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu) 價(jià)帶是滿帶，禁帶較寬價(jià)帶是滿帶，禁帶較寬 ( (相對(duì)于半導(dǎo)體相對(duì)于半導(dǎo)體) ) Eg = 36 eV E 空帶空帶 空帶空帶 滿帶滿帶禁帶禁帶Eg=36eV一般的熱激發(fā)、光激發(fā)一般的熱激發(fā)、光激發(fā)或外加電場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，滿或外加電場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，滿帶中的電子很難越過禁帶帶中的電子很難越過禁帶而被激發(fā)到空帶上去。而被激發(fā)到空帶上去。加熱、光照、加電場(chǎng)都能把加熱、光照、加電場(chǎng)都能把電子電子從從滿帶激發(fā)到空帶中去，同時(shí)在滿帶中滿帶激發(fā)到空帶中去，同時(shí)在滿帶中形成形成“空穴空穴”( (hole) )。E E 空帶空帶 滿帶滿帶E Eg g=0.1=0.12e

15、V2eV禁帶禁帶本征本征( (純凈純凈) )半導(dǎo)體半導(dǎo)體和絕緣體相似，價(jià)帶和絕緣體相似，價(jià)帶是滿帶，只是半導(dǎo)體的是滿帶，只是半導(dǎo)體的禁帶寬度很小禁帶寬度很小 (Eg= 0.12eV)3. .半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)三三. .電子在導(dǎo)帶中按能量的統(tǒng)計(jì)分布電子在導(dǎo)帶中按能量的統(tǒng)計(jì)分布 在一定的溫度下在一定的溫度下, ,電子占有能量為電子占有能量為E的的狀態(tài)的概率遵從費(fèi)米分布函數(shù)狀態(tài)的概率遵從費(fèi)米分布函數(shù) FE - - 費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)其數(shù)值主要由導(dǎo)帶中電子濃度決定。其數(shù)值主要由導(dǎo)帶中電子濃度決定。 T=0時(shí)時(shí): : E EF f (E)=0 E EF 0 f 1/2 E f 1/2 一般溫

16、度下，金屬中一般溫度下，金屬中電子的能量分布和絕電子的能量分布和絕對(duì)零度時(shí)相差無幾。對(duì)零度時(shí)相差無幾。 費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí) 就是在絕對(duì)零度下，導(dǎo)帶中就是在絕對(duì)零度下，導(dǎo)帶中 FE被電子占據(jù)的最高能級(jí)。被電子占據(jù)的最高能級(jí)。一一. .本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體（intrinsemiconductor)是指純凈的半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能介于導(dǎo)是指純凈的半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間。體與絕緣體之間。 導(dǎo)電機(jī)制導(dǎo)電機(jī)制: : 在外電場(chǎng)作用下，在外電場(chǎng)作用下，導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)帶中的電子和和滿滿帶中空穴帶中空穴均可導(dǎo)電，它們稱作均可導(dǎo)電，它們稱作本征載流子本征載流子。 它們的導(dǎo)電形成半導(dǎo)體的它們

17、的導(dǎo)電形成半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電性本征導(dǎo)電性。 4.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 1、n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 四價(jià)的本征半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ge等摻入少等摻入少量量五價(jià)五價(jià)的雜質(zhì)的雜質(zhì)( (impurity) )元素元素( (如如P、As等等) )就形成了就形成了電子型電子型半導(dǎo)體，也稱半導(dǎo)體，也稱n型半型半導(dǎo)體。導(dǎo)體。 如在純凈的半導(dǎo)體中適當(dāng)摻入雜質(zhì)，如在純凈的半導(dǎo)體中適當(dāng)摻入雜質(zhì)， 可提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力；可提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力； 能改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制。能改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制。二二. . 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體( (impurity semiconductor) SiSiSiSiSiSiSiEDEg空空

18、 帶帶滿滿 帶帶施主能級(jí)施主能級(jí)Pn型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體由量子力學(xué)，雜質(zhì)的由量子力學(xué)，雜質(zhì)的( (多余電子多余電子) )的能級(jí)的能級(jí) 在禁帶中，且緊靠導(dǎo)帶底。圖中能量差在禁帶中，且緊靠導(dǎo)帶底。圖中能量差 ED10-2eV ， ED Eg ( (禁帶寬度禁帶寬度) )施主施主(donor) )能級(jí)能級(jí)：這種雜質(zhì)能級(jí)因靠近：這種雜質(zhì)能級(jí)因靠近空帶，雜質(zhì)價(jià)電子極易向空帶躍遷。空帶，雜質(zhì)價(jià)電子極易向空帶躍遷。因向因向空帶供應(yīng)自由電子，所以這種雜質(zhì)能級(jí)稱空帶供應(yīng)自由電子，所以這種雜質(zhì)能級(jí)稱施主能級(jí)。施主能級(jí)。 導(dǎo)電機(jī)制導(dǎo)電機(jī)制：雜質(zhì)中多余電子經(jīng)激發(fā)后躍：雜質(zhì)中多余電子經(jīng)激發(fā)后躍 遷到空帶遷到空帶( (或?qū)?/p>

19、或?qū)? )而形成而形成的的。 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 空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子 因摻雜因摻雜( (即使很少即使很少) )，會(huì)使空帶中自由電，會(huì)使空帶中自由電子的濃度比同溫下純凈半導(dǎo)體空帶中的子的濃度比同溫下純凈半導(dǎo)體空帶中的自由電子的濃度大很多倍，從而大大增自由電子的濃度大很多倍，從而大大增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。2、p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 四價(jià)的本征半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、e等摻入少量等摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素（如三價(jià)的雜質(zhì)元素（如B、Ga、In等）形成等）形成空穴型空穴型半導(dǎo)體，也稱半導(dǎo)體，也稱p型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)

20、體型半導(dǎo)體BSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiEAEg空空 帶帶滿滿 帶帶受主能級(jí)受主能級(jí) 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)載流子受主（受主（acceptor) )能級(jí)能級(jí)：這種雜質(zhì)的能級(jí)：這種雜質(zhì)的能級(jí)緊靠滿帶頂處，圖中緊靠滿帶頂處，圖中 eV, ,滿帶滿帶中的電子極易躍入此雜質(zhì)能級(jí)，使?jié)M帶中的電子極易躍入此雜質(zhì)能級(jí)，使?jié)M帶中產(chǎn)生空穴。中產(chǎn)生空穴。 110 AE導(dǎo)電機(jī)制導(dǎo)電機(jī)制：主要是由滿帶中空穴的運(yùn)動(dòng)：主要是由滿帶中空穴的運(yùn)動(dòng) 形成的。形成的。這種這種摻雜使?jié)M帶中的空穴的濃度較純摻雜使?jié)M帶中的空穴的濃度較純凈半導(dǎo)體的

21、空穴的濃度增加了很多倍，凈半導(dǎo)體的空穴的濃度增加了很多倍，從而使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能增強(qiáng)。從而使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能增強(qiáng)。 三、半導(dǎo)體的特性及應(yīng)用三、半導(dǎo)體的特性及應(yīng)用1.電阻率和溫度的關(guān)系電阻率和溫度的關(guān)系 半導(dǎo)體的電阻率隨溫度半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高而迅速下降的升高而迅速下降o（*m)T(K)金屬半導(dǎo)體應(yīng)用：應(yīng)用：熱敏電阻熱敏電阻. .體積小，熱慣性小，壽命長體積小，熱慣性小，壽命長, ,廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制技術(shù)。廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制技術(shù)。 半導(dǎo)體硒，在照射光的頻率大于其紅限半導(dǎo)體硒，在照射光的頻率大于其紅限頻率時(shí)，它的電阻值有隨光強(qiáng)的增加而頻率時(shí)，它的電阻值有隨光強(qiáng)的增加而急劇減小的現(xiàn)象。急劇減小

22、的現(xiàn)象。 應(yīng)用應(yīng)用: : 光敏電阻光敏電阻( (photosensitiveresistanceresistance) 自動(dòng)控制、遙感等技術(shù)中的一個(gè)重要自動(dòng)控制、遙感等技術(shù)中的一個(gè)重要元件。元件。2. .半導(dǎo)體的光電導(dǎo)現(xiàn)象半導(dǎo)體的光電導(dǎo)現(xiàn)象(1)p-n結(jié)的形成結(jié)的形成 P-N P-N 結(jié)結(jié)阻阻En型型p型型3、p n結(jié)結(jié)n區(qū)電子向區(qū)電子向p區(qū)擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散, ,p區(qū)空穴向區(qū)空穴向n區(qū)擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散, , 在交界面處形成正負(fù)電荷的積累，在交界面處形成正負(fù)電荷的積累，交界處形成交界處形成電偶層電偶層，此即，此即p n結(jié)結(jié)，厚度約厚度約 m。710 穩(wěn)定后，穩(wěn)定后，n區(qū)相對(duì)區(qū)相對(duì)p區(qū)有區(qū)有電勢(shì)差電勢(shì)差U0

23、(n比比p高）。高）。p n 結(jié)也稱結(jié)也稱勢(shì)壘區(qū)勢(shì)壘區(qū)。 P-N 結(jié)結(jié)阻阻En型型p型型 p n結(jié)處存在由結(jié)處存在由n區(qū)區(qū)p區(qū)區(qū)的電場(chǎng)的電場(chǎng)( (稱為稱為內(nèi)建內(nèi)建場(chǎng)場(chǎng)) )。此電場(chǎng)將遏止電子。此電場(chǎng)將遏止電子和空穴的繼續(xù)擴(kuò)散，最后和空穴的繼續(xù)擴(kuò)散，最后達(dá)動(dòng)平衡狀態(tài)。達(dá)動(dòng)平衡狀態(tài)。 U00eU 電子能級(jí)電子能級(jí)電勢(shì)曲線電勢(shì)曲線x xxian 線線電子電勢(shì)能曲線電子電勢(shì)能曲線P-N結(jié)結(jié) 能帶的彎曲對(duì)能帶的彎曲對(duì)n區(qū)區(qū)的電子和的電子和p區(qū)的空穴區(qū)的空穴都形成一個(gè)勢(shì)都形成一個(gè)勢(shì)壘壘,阻阻礙礙n區(qū)電子和區(qū)電子和p區(qū)空區(qū)空穴進(jìn)入對(duì)方區(qū)域穴進(jìn)入對(duì)方區(qū)域. . 這一勢(shì)壘區(qū)也稱這一勢(shì)壘區(qū)也稱阻阻擋層擋層( (d

24、eplectionzone）。）。 空帶空帶空帶空帶P-N結(jié)結(jié)0eU 施主能級(jí)施主能級(jí)受主能級(jí)受主能級(jí)滿帶滿帶滿帶滿帶 p n結(jié)的形成使結(jié)的形成使其附近能帶的形狀其附近能帶的形狀發(fā)生了變化。發(fā)生了變化。由于由于p n結(jié)處阻擋層的存在，把電壓加結(jié)處阻擋層的存在，把電壓加到到p-n結(jié)兩端時(shí)結(jié)兩端時(shí), ,阻擋層處的電勢(shì)差將發(fā)阻擋層處的電勢(shì)差將發(fā)生變化生變化. . 正向偏壓正向偏壓 p型型n型型IE阻阻E外外 V ( (伏伏) )( (毫安毫安) )正向正向0 00.20.21.01.0PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性( (鍺管鍺管) ) ( (2 ) p n結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?反向偏壓反向偏壓

25、 由上可知，由上可知，p n結(jié)可以作成具有整流、結(jié)可以作成具有整流、開關(guān)等作用的晶體二極管開關(guān)等作用的晶體二極管( (diode) )。 p型型n型型IE E阻阻E E外外擊穿電壓擊穿電壓V(伏伏) )I I- - - -( (微安微安) )反向反向-20-20-30-30結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 4.光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光生電動(dòng)勢(shì)的大小正比于光輻射的強(qiáng)度。光生電動(dòng)勢(shì)的大小正比于光輻射的強(qiáng)度。應(yīng)用：應(yīng)用：光電池光電池。 把兩種不同材料的半導(dǎo)體組成一個(gè)把兩種不同材料的半導(dǎo)體組成一個(gè)回路，并使兩個(gè)接頭具有不同的溫回路，并使兩個(gè)接頭具有不同的溫度度，會(huì)產(chǎn)生較大的會(huì)產(chǎn)生較大的溫差電動(dòng)勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì)。

26、溫度每差一。溫度每差一度，溫差電動(dòng)勢(shì)能達(dá)到、甚至超過度，溫差電動(dòng)勢(shì)能達(dá)到、甚至超過1 1毫毫伏。伏。 利用半導(dǎo)體溫差熱電偶可以制成溫度利用半導(dǎo)體溫差熱電偶可以制成溫度計(jì)，或小型發(fā)電機(jī)。計(jì)，或小型發(fā)電機(jī)。5. .溫差熱電偶溫差熱電偶6. .集成電路集成電路 p n結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放大功能的晶體三極管大功能的晶體三極管( (trasistor)，以及各，以及各種晶體管。進(jìn)一步可將它們作集成電路、種晶體管。進(jìn)一步可將它們作集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。 7.半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器( (在第二章激光中已講在第二章激光中

27、已講) )8.半導(dǎo)體場(chǎng)致發(fā)光材料半導(dǎo)體場(chǎng)致發(fā)光材料( (略略) ) 等等等等 一一. .超導(dǎo)電現(xiàn)象超導(dǎo)電現(xiàn)象 溫度降到溫度降到4.2K附近時(shí)，附近時(shí)，水銀的電阻突然降為零。水銀的電阻突然降為零。 物體處于這種零電阻的物體處于這種零電阻的狀態(tài)稱狀態(tài)稱超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)。4.4 超導(dǎo)電性和超導(dǎo)體超導(dǎo)電性和超導(dǎo)體 4.3010T/KR/0.1000.1250.0000.0254.104.20-5cT一些超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度一些超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度)(KTc Al -1.20 In - 3.4 Pb - 7.19 Nb - 9.3 Nb3Ge - 23.2 鋇基氧化物鋇基氧化物 - - 約約90 Hg - 4.15

28、 V - 5.30 1. .完全導(dǎo)電性（零電阻特性）完全導(dǎo)電性（零電阻特性） 二二. .超導(dǎo)體的基本性質(zhì)超導(dǎo)體的基本性質(zhì) 當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài) 時(shí)時(shí)直流電阻為零。直流電阻為零。 cTT 2.存在臨界磁場(chǎng)存在臨界磁場(chǎng) 和臨界電流和臨界電流cHcI處在超導(dǎo)態(tài)的材料，當(dāng)外加磁場(chǎng)處在超導(dǎo)態(tài)的材料，當(dāng)外加磁場(chǎng)cH時(shí)，從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)；當(dāng)時(shí)，從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)；當(dāng) 時(shí)，時(shí)，cHH 又從正常態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。又從正常態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。H臨界電流臨界電流 201ccTTITI 0I式中式中 為絕對(duì)零度時(shí)超導(dǎo)體的臨界電流為絕對(duì)零度時(shí)超導(dǎo)體的臨界電流臨界磁場(chǎng)臨界磁場(chǎng) 201ccTTHTH 0H式中式中 為絕對(duì)零度時(shí)的臨界磁場(chǎng)為絕對(duì)零度時(shí)的臨界磁場(chǎng)超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)正常態(tài)0H)(THc0cTT完全導(dǎo)體：完全導(dǎo)體：0 0 E0 EtB3.完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)） 不論有無外磁場(chǎng)，處于超導(dǎo)態(tài)不論有無外磁場(chǎng)，處于超導(dǎo)態(tài) 的的),(ccHHTT 超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒為零恒為零4.同位素效應(yīng)同位素效應(yīng) 2/1MTc常數(shù)常數(shù)三、超導(dǎo)電性的微觀理論三、超導(dǎo)電性的微觀理論BCS理論理論1.聲子作用聲子作用：通過交換聲子兩個(gè)電子之間產(chǎn)生：通過交換聲子兩個(gè)電子之間產(chǎn)生 間接的吸引作用。間接的吸引作用。 2. .庫珀對(duì)庫珀對(duì)