1、16.10 固體能帶結(jié)構(gòu)16.10 固體能帶結(jié)構(gòu)一. 固體與能帶NaCl晶體立方結(jié)構(gòu)1. 固體分類晶體：周期結(jié)構(gòu)，長程有序非晶體：無序準晶體：短程有序, 準周期結(jié)構(gòu)納米材料：短程有序以下只討論晶體。116.10 固體能帶結(jié)構(gòu) 類型結(jié)合力方向性飽和性性能導(dǎo)電性硬度 熔點離子晶體離子鍵無弱高共價晶體共價鍵有很低高分子晶體范德瓦耳斯鍵無低差金屬晶體金屬鍵無好2. 晶體分類216.10 固體能帶結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)Cu面心立方體心立方CsCl316.10 固體能帶結(jié)構(gòu)金剛石416.10 固體能帶結(jié)構(gòu)晶體內(nèi)的電子原子的內(nèi)層電子被原子核緊密吸引，被束縛 原子實：原子核+閉合殼層電子 原子核 + 電子 = 原子

2、實+ 價電子 晶體內(nèi)由原子實組成三維點陣，形成周期性正電場。 外層價電子在原子實點陣的周期性勢場中運動自由電子EnE2E1EPrd原子實價電子內(nèi)層電子周期勢516.10 固體能帶結(jié)構(gòu)自由電子由整個系統(tǒng)共有 電子的共有化 電子能量 E 低，穿過勢壘概率小，共有化程度低； 電子能量 E 高，穿過勢壘概率大，共有化程度高。616.10 固體能帶結(jié)構(gòu)4. 能帶和能帶結(jié)構(gòu)：原子間距縮小 電子云（波函數(shù)）重疊 單一能級分裂成多個能級，數(shù)目與原子個數(shù)相等固體中N1024 能級在一定區(qū)域內(nèi)幾乎連續(xù)分布形成能帶。例：原子1s，2s能級在間距減小時的能級分裂 E原子間距r1s2sdabcd1s2sE原子間距rda

3、bcd能帶允許能級73s3p16.10 固體能帶結(jié)構(gòu)電子填充：能量最小原理 + Pauli不相容原理 按照電子填充情況分類: 滿帶: 各能級全部被電子填滿 空帶: 沒有被電子填充 禁帶: 不允許填充電子的能量區(qū)間 價帶: 價電子能級分裂形成的能帶 導(dǎo)帶: 沒完全填滿電子的能帶與(相鄰)空帶 價帶費米能級禁帶空帶1s2s2p滿帶導(dǎo)帶1. 越是外層電子，能帶越寬2. 點陣間距越小，能帶越寬3. 兩個能帶有可能重疊。816.10 固體能帶結(jié)構(gòu)二絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體 按電阻率分類:導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體 能帶理論解釋 導(dǎo)體 各種金屬， 電子填充后在緊接費米能級之上還有能級： 價帶不是滿帶，只填充部分電子

4、， 價帶是滿帶，但該滿帶與相鄰空帶重疊 價帶不是滿帶，且滿帶與相鄰空帶重疊 價帶空帶(c)空帶價帶(a)空帶價帶(b)916.10 固體能帶結(jié)構(gòu)絕緣體 多數(shù)離子晶體、分子晶體， 空帶價帶禁帶價帶為滿帶且與最近鄰空帶之間的禁帶寬度為 外電場、熱激發(fā)、光激發(fā)等作用時 極少數(shù)電子可以從價帶躍遷到空帶 電阻很大 擊穿：在強外場作用下，大量電子越過禁帶到達空帶，形成導(dǎo)體。 10空帶價帶禁帶16.10 固體能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體 如Ge, Si, GaAs等，電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間， 能帶類似絕緣體，但禁帶 能隙 電子易進入能隙上方空帶(如熱激發(fā)、光激發(fā)等) 如圖， 原來的空帶 導(dǎo)帶 電子導(dǎo)電性 原來的滿帶

5、導(dǎo)帶 空穴導(dǎo)電性 1116.10 固體能帶結(jié)構(gòu)三雜質(zhì)半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體 上述理想半導(dǎo)體，無雜質(zhì)、無缺陷、多為四價（如硅Si，鍺Ge）導(dǎo)電由兩種機制混合組成 本征導(dǎo)電性 電子、空穴均參與導(dǎo)電 本征載流子 本征半導(dǎo)體中正負載流子數(shù)目相等，數(shù)目很少 雜質(zhì)半導(dǎo)體 導(dǎo)電性對雜質(zhì)極敏感 摻雜： 10-6 雜質(zhì)原子能級與原能級不同 雜質(zhì)能級 1216.10 固體能帶結(jié)構(gòu)五價元素砷As、磷P： 多余電子電子導(dǎo)電，n型/電子型半導(dǎo)體 三價元素硼B(yǎng)、鎵Ga： 多余空穴空穴導(dǎo)電，p型/空穴型半導(dǎo)體 類型摻有雜質(zhì)主要載流子導(dǎo)電性能本征半導(dǎo)體無電子 空穴差雜質(zhì)半導(dǎo)體n 型五價元素(砷或磷)電子提高p 型三價元素(硼或鎵

6、)空穴提高1310-2eV16.10 固體能帶結(jié)構(gòu)SiSiSiSiSiAsSiSiSiSiSiAsSiSiSiSi空導(dǎo)帶滿價帶施主能級n型半導(dǎo)體： 雜質(zhì)能級在能隙中靠近導(dǎo)帶下面約10-2eV雜質(zhì)能級的電子容易激發(fā)到導(dǎo)帶 施主能級 e14受主能級空導(dǎo)帶滿價帶10-2eV16.10 固體能帶結(jié)構(gòu)p型半導(dǎo)體： 缺少電子，能級在能隙中靠近滿帶上面約10-2eV 滿帶電子容易激發(fā)到雜質(zhì)能級，留下空穴 雜質(zhì)能級接受電子 受主能級 SiSiSiSiSiGaSiSiSiSiSiGaSiSiSiSi1516.10 固體能帶結(jié)構(gòu)電阻和溫度、光照的關(guān)系 導(dǎo)體和半導(dǎo)體在電阻-溫度關(guān)系上有突出區(qū)別 產(chǎn)生根源不同： 金屬

7、：電子和晶體點陣碰撞， 溫度 電阻 半導(dǎo)體：雜質(zhì)能級提供、吸收電子，溫度電阻 應(yīng)用：熱敏電阻 TR金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電性對光照敏感，光照導(dǎo)致電子躍遷 應(yīng)用：光敏電阻、光敏器件（CCD） 1616.10 固體能帶結(jié)構(gòu)p-n結(jié) 兩種半導(dǎo)體接觸，交界處兩邊電子/空穴濃度不同 擴散，交界處形成電場：n區(qū)p區(qū) 阻礙擴散 動態(tài)平衡時在交界處附近形成電偶層 p-n結(jié) p型n型p-n結(jié)+1716.10 固體能帶結(jié)構(gòu)從能帶看，p-n結(jié)使能帶彎曲：p-n結(jié)中有電勢差 電子附加能量 n區(qū)電勢高, 電子能量低; p區(qū)電勢低, 電子能量高 p區(qū)能帶比n區(qū)高，p-n結(jié)區(qū)形成勢壘(阻擋層) p型導(dǎo)帶滿帶禁帶n型E(a) p型n型eU0eU0p-n結(jié)E導(dǎo)帶滿帶(b)1816.10 固體能帶結(jié)構(gòu)p-n結(jié)的I-V關(guān)系 正偏置 (正偏壓) +p型n型+I如圖，p正n負，I隨V迅速上升。 p-n結(jié)電阻很小。