大學(xué)物理-多媒體 -5 固體的能帶結(jié)構(gòu)公開課一等獎(jiǎng)省優(yōu)質(zhì)課大賽獲獎(jiǎng)?wù)n件

（這是一個(gè)混合積分電路網(wǎng)絡(luò)高倍放大圖）固體能帶結(jié)構(gòu)第四章1本章目錄序言§4.2固體能帶（書4.4節(jié)）

§3.3導(dǎo)體和絕緣體（書4.4節(jié)）

§4.4半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（書4.5節(jié)）

§4.5pn結(jié)（書4.6節(jié)）

△§4.6半導(dǎo)體器件（書4.7節(jié)）

§4.1晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合（補(bǔ)充）

§4.7半導(dǎo)體激光器（補(bǔ)充）2前言固體物理既是一門綜合性理論學(xué)科又和▲固體物理是信息技術(shù)物理基礎(chǔ)1928-29建立能帶理論并由試驗(yàn)證實(shí)1947.12創(chuàng)造晶體管1962制成集成電路實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合（材料、激光、半導(dǎo)體…）319828028613.4萬(wàn)80486120萬(wàn)1993pentium320萬(wàn)1995pentiumMMX550萬(wàn)1997pentium2750萬(wàn)集成度每10年增加1000倍！1971intel4004微處理器芯片2300晶體管4集成度每一步提升，都和表面物理及光刻沒有晶體管、超大規(guī)模集成電路，就沒有計(jì)現(xiàn)在在一個(gè)面積比郵票還小芯片上能夠集其上能夠集成109個(gè)元件，度只有0.12微米（深亞微米）。成一個(gè)系統(tǒng)，研究分不開。算機(jī)普遍應(yīng)用和今天信息處理技術(shù)。溝道長(zhǎng)5量子尺度效應(yīng)研究

納米材料原子原子團(tuán)固體材料，新材料理論設(shè)計(jì)：

▲固體物理是新材料技術(shù)物理基礎(chǔ)

晶格理論晶體力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、······量子阱、超晶格理論

新型器件能帶理論是固體理論和應(yīng)用基礎(chǔ)?！澳芟豆こ獭保喝斯じ淖儾牧夏芟度ミm應(yīng)器件需要，去創(chuàng)造特殊能帶結(jié)構(gòu)材料。人們能夠經(jīng)過控制電子波函數(shù)來(lái)制作器件，正所謂：“自己來(lái)實(shí)踐量子力學(xué)”。6晶體非晶體結(jié)構(gòu)：規(guī)則排列對(duì)稱性無(wú)一定規(guī)則排列宏觀性質(zhì)：多為各向異性各向同性熔點(diǎn)：確定逐步軟化二.晶體結(jié)構(gòu)晶體中原子規(guī)則排列形成晶格—含有周期性§4.1晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合（補(bǔ)充）一.晶體和非晶體比較7初基晶胞－晶格最小單元abca,b,c－晶格常數(shù)晶格有各種類型：點(diǎn)陣間滿足關(guān)系：點(diǎn)陣▲面心立方晶格Cu，Al▲簡(jiǎn)單立方晶格a=b=cAu，Ag，8▲體心立方晶格▲

六角密排晶格組成晶格原子（團(tuán)）在平衡點(diǎn)附近作熱運(yùn)動(dòng)（晶格振動(dòng)）產(chǎn)生格波，Li，Na，K，F(xiàn)e，CsClBe，Mg，Zn，Cd聲子E＝(n+1/2)h9三.晶體結(jié)合和類型▲

離子晶體（IonicCrystal）

▲

共價(jià)晶體

（CovalentCrystal）

無(wú)自由電子導(dǎo)熱導(dǎo)電性差離子間靜電力強(qiáng)熔點(diǎn)高，硬度好正負(fù)離子交替排列形成離子鍵，共價(jià)鍵如NaCl晶體如：Si，Ge，金鋼石傳熱導(dǎo)電性不好強(qiáng)度高，堅(jiān)硬，不易變形10原子貢獻(xiàn)出價(jià)電子為整個(gè)晶體所共有帶正電原子實(shí)周期地排列形成晶體點(diǎn)陣▲

金屬晶體（MetallicCrystal）電子對(duì)原子實(shí)排列要求不嚴(yán)，展延性好導(dǎo)熱導(dǎo)電性好（有自由電子）11大部分有機(jī)化合物晶體是分子晶體原子間作用力是范德瓦爾斯力吸引，能量低排斥，能量高▲

分子晶體（MolecularCrystal）結(jié)協(xié)力小：熔點(diǎn)低，硬度小，易變形12當(dāng)幾個(gè)原子有相互作用組成一個(gè)體系時(shí)，§4.2固體能帶（書4.4節(jié)）

本節(jié)研究大量原子有相互作用組成一個(gè)能夠從兩方面來(lái)分析：研究孤立原子能級(jí)怎樣形成固體能帶一.從原子能級(jí)到固體能帶原子中電子處于不一樣能級(jí)。體系時(shí)，電子能量（能級(jí)）狀態(tài)。電子能級(jí)怎樣？

研究電子在周期勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)13先看兩個(gè)原子情況.Mg.

Mg依據(jù)泡利不相容原理，原來(lái)能級(jí)已填滿不能再填充電子—分裂為兩條1s2s2p3s3p1s2s2p3s3p空帶價(jià)帶14各原子間相互作用原來(lái)孤立原子能級(jí)發(fā)生分裂若有N個(gè)原子組成一體，對(duì)于原來(lái)孤立原子一個(gè)能級(jí)，就分裂成N條靠得很近能級(jí)，能帶寬度記作E

E

～eV量級(jí)

若N~1023，則能帶中兩相鄰能級(jí)間距稱為能帶（energyband）。約為10-23eV。15能級(jí)能帶N條能隙，禁帶E普通規(guī)律：

1.越是外層電子，能帶越寬，E越大；

2.點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，E越大；3.兩個(gè)能帶有可能重合。16離子間距a2P2S1SE0能帶重合示意圖17二.電子在周期勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，電子共有化孤立原子中電子勢(shì)阱-er+●●UWUWr●電子能級(jí)勢(shì)阱旋轉(zhuǎn)對(duì)稱+勢(shì)壘18固體（這里指晶體）含有由大量分子、電子受到周期性勢(shì)場(chǎng)作用：a原子或離子規(guī)則排列而成點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。19解定態(tài)薛定諤方程，能夠得出兩點(diǎn)1.電子能量是量子化；2.電子運(yùn)動(dòng)有隧道效應(yīng)。

原子外層電子（在高能級(jí)）勢(shì)壘穿透原子內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊，普通概率較大，電子能夠在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)，稱為共有化電子。主要結(jié)論：不是共有化電子。20三.能帶中電子排布固體中一個(gè)電子只能處于某個(gè)能帶中1.排布標(biāo)準(zhǔn)：（1）服從泡里不相容原理（費(fèi)米子）（2）服從能量最小原理對(duì)孤立原子一個(gè)能級(jí)Enl，它最多能

這一能級(jí)分裂成由N個(gè)能級(jí)組成能帶，某一能級(jí)上。容納2(2l+1)個(gè)電子。一個(gè)能帶最多能容納2

(2l+1)N

個(gè)電子。212p、3p能帶，最多容納6Ｎ個(gè)電子。比如，1s、2s能帶，最多容納2Ｎ個(gè)電子。每個(gè)能帶最多容納2Ｎ個(gè)電子每個(gè)能帶最多容納6Ｎ個(gè)電子單個(gè)Mg原子1s2s2p3s3p晶體Mg（N個(gè)原子）電子排布應(yīng)從最低能級(jí)排起。22

滿帶：填滿電子能帶。

空帶：沒有電子占據(jù)能帶。

不滿帶：未填滿電子能帶。

禁帶：不能填充電子能區(qū)。

價(jià)帶：和價(jià)電子能級(jí)對(duì)應(yīng)能帶，對(duì)半導(dǎo)體，價(jià)帶通常是滿帶。即最高充有電子能帶。2.相關(guān)能帶被占據(jù)情況幾個(gè)概念：

空帶

滿帶E

不滿帶

禁帶

禁帶價(jià)帶233.能帶對(duì)電導(dǎo)貢獻(xiàn)滿帶：…電子交換能態(tài)并不改變能量狀態(tài)，所以滿帶不導(dǎo)電。導(dǎo)帶：不滿帶或滿帶以上最低空帶為何把空帶或不滿帶稱為導(dǎo)帶？因?yàn)殡娮又挥刑幱谶@種能帶中才能導(dǎo)電。24這只有導(dǎo)帶中電子才有可能。E導(dǎo)電——電子在電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，以一定速度漂移，v

10-2cm/s電子得到附加能量到較高能級(jí)上去，25滿帶空帶價(jià)帶導(dǎo)帶不滿帶導(dǎo)帶從能帶來(lái)分析導(dǎo)電性：EpEp不導(dǎo)電導(dǎo)電26§4.3導(dǎo)體和絕緣體（書4.4節(jié)）

（conductorandinsulator）

它們導(dǎo)電性能不一樣，是因?yàn)樗鼈兡軒ЫY(jié)構(gòu)不一樣。固體按導(dǎo)電性能高低能夠分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體27一.導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)空帶

導(dǎo)帶E一些一價(jià)金屬，如:Li…

滿帶空帶E一些二價(jià)金屬，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…

導(dǎo)帶空帶E如:Na,K,Cu,Al,Ag…28導(dǎo)體在外電場(chǎng)作用下，大量共有化電子從能級(jí)圖上來(lái)看，是因?yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍芗?jí)躍遷到高能級(jí)上去。E很易取得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。29二.絕緣體能帶結(jié)構(gòu)E空帶空帶滿帶禁帶ΔEg=3～6eV從能級(jí)圖來(lái)看，是因?yàn)闈M帶絕緣體在外電場(chǎng)作用下，

當(dāng)外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，共有化電子還是能越過共有化電子極難從低能級(jí)（滿帶）躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。能量，所以形不成電流。（Eg：3～6eV），與空帶間有一個(gè)較寬禁帶禁帶躍遷到上面空帶中，使絕緣體被擊穿。共有化電子極難接收外電場(chǎng)30§4.4半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（書4.5節(jié)）

一.本征半導(dǎo)體（semiconductor）本征半導(dǎo)體是指純凈半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。1.本征半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)：E空帶（導(dǎo)帶）滿帶Eg=0.12eV禁帶本征（純凈）半導(dǎo)體所以加熱、光照、加電場(chǎng)都能把電子從滿帶激到發(fā)空帶中去，同時(shí)在滿帶中形成“空穴”（hole）。半導(dǎo)體禁帶寬度ΔEg

很窄（0.1～2eV），T=0K時(shí)（絕緣體）31比如半導(dǎo)體CdS滿帶空帶hEg=2.42eV滿帶上一個(gè)電子躍遷到空帶后，滿帶中出現(xiàn)一個(gè)帶正電空位，稱為“空穴”。

電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)。電子和空穴叫本征載流子，它們形成半導(dǎo)體本征導(dǎo)電性。當(dāng)光照h>ΔEg

時(shí)，可發(fā)生本征吸收，形成本征光電導(dǎo)。322.兩種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（1）電子導(dǎo)電—半導(dǎo)體主要載流子是電子解[例]要使半導(dǎo)體CdS產(chǎn)生本征光電導(dǎo)，求激發(fā)電子光波波長(zhǎng)最大多長(zhǎng)？33在外電場(chǎng)作用下，電子能夠躍遷到空穴上來(lái)，這相當(dāng)于空穴反向躍遷?？昭ㄜS遷也形成電流，這稱為空穴導(dǎo)電?？諑M帶Eg（2）空穴導(dǎo)電—半導(dǎo)體主要載流子是空穴34當(dāng)外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，共有化電子還是能越為何導(dǎo)體電阻隨溫度升高而升高，而半導(dǎo)體電阻卻隨溫度升高而降低？半導(dǎo)體導(dǎo)體擊穿思索過禁帶躍遷到上面空帶中，使半導(dǎo)體擊穿。35二.雜質(zhì)（impurity）半導(dǎo)體1.n型半導(dǎo)體又稱n型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多出電子能級(jí)在禁帶中緊靠空帶處，ED～10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體Si、Ge等四個(gè)價(jià)電子，與另四個(gè)原子形成共價(jià)結(jié)合，當(dāng)摻入少許五價(jià)雜質(zhì)元素（如P、As等）時(shí)，就形成了電子型半導(dǎo)體，36

n型半導(dǎo)體空帶滿帶施主能級(jí)EDEgSiSiSiSiSiSiSiP

這種靠近空帶附加能級(jí)稱為施主（donor）能級(jí)。以下列圖示：37則P原子濃度～1018cm3np=1.5×1010cm3+1018=1018cm3室溫下：本征激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)導(dǎo)帶中電子濃度nn=1.5×1010滿帶中空穴濃度設(shè)Si中P含量為104電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。在n型半導(dǎo)體中：電子濃度nn～施主雜質(zhì)濃度ndSi原子濃度～1022cm3382.p型半導(dǎo)體四價(jià)本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等摻入少許三價(jià)雜質(zhì)元素（如Ｂ、Ga、In等）時(shí)，就形成空穴型半導(dǎo)體，又稱p型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多出空穴能級(jí)在禁帶中緊靠滿帶處，EA

<10-1eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。39空帶EA滿帶受主能級(jí)

P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg

這種靠近滿帶附加能級(jí)稱為受主（acceptor）能級(jí)。以下列圖示：40則B原子濃度～1018cm3np=1.5×1010室溫下：本征激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)導(dǎo)帶中電子濃度nn=1.5×1010cm3滿帶中空穴濃度設(shè)Si中B含量為10－4+1018=1018cm3空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。空穴濃度np～受主雜質(zhì)濃度na在p型半導(dǎo)體中：Si原子濃度～1022cm

3413.n型化合物半導(dǎo)體比如，化合物GaAs中摻Te，六價(jià)Te替換五價(jià)As可形成施主能級(jí)，成為n型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。4.p型化合物半導(dǎo)體比如，化合物GaAs中摻Zn，二價(jià)Zn替換三價(jià)Ga可形成受主能級(jí)，成為p型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。42三.雜質(zhì)賠償作用實(shí)際半導(dǎo)體中現(xiàn)有施主雜質(zhì)（濃度nd），又有受主雜質(zhì)（濃度na），兩種雜質(zhì)有賠償作用：若ndna——為n型（施主）若ndna——為p型（受主）利用雜質(zhì)賠償作用，能夠制成p-n結(jié)。43§4.5p-n結(jié)（書4.6節(jié)）一.p-n結(jié)形成在n型半導(dǎo)體基片一側(cè)摻入較高濃度面附近產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)建阻止電子和空穴深入擴(kuò)散。電子和空穴擴(kuò)散，在p型和n型半導(dǎo)體交界p型半導(dǎo)體(賠償作用)。受主雜質(zhì)，（電）場(chǎng)該區(qū)就成為n型p型44內(nèi)建場(chǎng)大到一定程度，不再有凈電荷流動(dòng)，到達(dá)了新平衡。在p型和n型交界面附近形成這種特殊結(jié)構(gòu)稱為p-n結(jié)（阻擋層，耗盡層），其厚度約為0.1m。p-n結(jié)p型n型45

p-n結(jié)處存在電勢(shì)差U0形成勢(shì)壘區(qū)。也阻止n區(qū)帶負(fù)電電子深入向p區(qū)擴(kuò)散。它阻止p區(qū)帶正電空穴深入向n區(qū)擴(kuò)散；U0電子能級(jí)電勢(shì)曲線電子電勢(shì)能曲線p-n結(jié)np對(duì)Si:U0=0.6－0.7V對(duì)Ge:U0=0.2－0.3V46因?yàn)閜-n結(jié)存在，電子能量應(yīng)考慮進(jìn)勢(shì)這使電子能帶出現(xiàn)彎曲：空帶空帶p-n結(jié)施主能級(jí)受主能級(jí)滿帶滿帶壘帶來(lái)附加勢(shì)能。47二.p-n結(jié)單向?qū)щ娦?.正向偏壓p-n結(jié)p型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓。向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，阻擋層勢(shì)壘降低、變窄，有利于空穴向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，也有利于電子和反向，這些都形成正向電流（mＡ級(jí)）。p型n型I+48外加正向電壓越大，形成正向電流也越大，且呈非線性伏安特征。U（伏）302010（毫安）正向00.21.0I鍺管伏安特征曲線492.反向偏壓p-n結(jié)p型區(qū)接電源負(fù)極，叫反向偏壓。也不利于電阻擋層勢(shì)壘升高、變寬，不利于空穴向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，和同向，會(huì)形成很弱反向電流，稱漏電流（Ａ級(jí)）。I無(wú)正向電流p型n型+子向p區(qū)運(yùn)動(dòng)。不過因?yàn)樯贁?shù)載流子存在，50當(dāng)外電場(chǎng)很強(qiáng)，反向電壓超出某一數(shù)值后，反向電流會(huì)急劇增大—反向擊穿。V(伏)I-10-20-30（微安）反向-20-30用pn結(jié)單向?qū)щ娦?，擊穿電壓用pn結(jié)光生伏特效應(yīng)，可制成光電池。p-n結(jié)應(yīng)用：做整流、開關(guān)用。加反向偏壓時(shí)，pn結(jié)伏安特征曲線如左圖?？芍瞥删w二極管（diode），51△§4.6半導(dǎo)體器件（自學(xué)書第4.7節(jié)）

p-n結(jié)適當(dāng)組合能夠作成含有放大作用晶體三極管（trasistor）和其它一些半導(dǎo)體器件。集成電路大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路晶體管（1947）（1962）（80年代）103105甚大規(guī)模集成電路巨大規(guī)模集成電路107109（70年代）（90年代）（現(xiàn)在）52晶體管創(chuàng)造1947年12月23日，美國(guó)貝爾試驗(yàn)室半導(dǎo)體小組做出世界上第一只含有放大作用點(diǎn)接觸型晶體三極管。1956年小組三位組員獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。巴丁J.Bardeen布拉頓W.H.Brattain肖克利W.Shockley53每一個(gè)集成塊（圖中一個(gè)長(zhǎng)方形部分）約為手指甲大小，它有300多萬(wàn)個(gè)三極管。INMOST900微處理器54

同質(zhì)結(jié)激光器—由同種材料制成p-n結(jié)半導(dǎo)體激光器分兩類：

異質(zhì)結(jié)激光器—由兩種不一樣材料制成p-I-n

§4.7半導(dǎo)體激光器（補(bǔ)充）半導(dǎo)體激光器是光纖通訊中主要光源，在創(chuàng)建信息高速公路工程中起著極主要作用。（重?fù)诫s）結(jié)（I為本征半導(dǎo)體）55重?fù)诫spn滿帶空帶pn滿帶空帶普通摻雜1.同質(zhì)結(jié)激光器56加正向偏壓V

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

pn阻擋層E內(nèi)-++-+-+-+-Ｅ外E內(nèi)pn阻擋層+-----++++pn滿帶空帶eU0pn滿帶空帶e(U0-V)電子空穴復(fù)合發(fā)光，由自發(fā)輻射引發(fā)受激輻射。.57解理面p-n結(jié)p-n結(jié)它兩個(gè)端面就相當(dāng)于兩個(gè)反射鏡，光振蕩并利于選頻。．反射系數(shù)，激