《固体的能带结构》ppt课件

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1、固体能带结构简介前言固体的能带导体和绝缘体半导体的导电机构Ｐ-Ｎ结半导体的其他特性和应用回篇首回主页结束1根据固体的结构,固体材料分为晶体和非晶体（1984年发现了准晶体）固体是由大量分子、原子或离子组成。而大量分子、原子或离子有规则排列的方式称为固体的点阵结构（晶体点阵）。理想晶体中原子排列是有规则的，具有周期性。长程有序。非晶体结构不规则，是短程有序。前言2二十世纪初，特鲁德和洛仑兹建立的经典的金属的自由电子论，能说明金属的导电性，和导热性质，但对有些材料是导体，有些是绝缘体，有些是半导体不能解释。量子理论出现使人们能正确和深入描述晶体内部的微观粒子运动。能带理论是

2、研究固体中电子运动的一个主要理论同时，由于近代物理的发展，对固体的认识更深入。１９１２年劳厄首先用Ｘ射线对晶体结构进行研究。3二十世纪三十年代，人们作了大量关于晶体中电子能量状态、电子运动规律及晶体中原子的热运动和热缺陷的研究工作。逐渐建立了固体电子能带理论。固体的能带理论提出了导电的微观机理，指出了导体和绝缘体的区别，同时也指出有一类固体叫做半导体，其导电性介于导体和绝绝缘体之间。如：爱因斯坦的量子化概念研究晶格振动在特鲁德和洛仑兹的金属的自由电子论基础上，索末菲发展的固体量子论，费米发展的统计理论。4一.电子共有化在固体中，相邻原子排列紧密，电子不再束缚于一定的原子

3、，电子将可以在整个固体中运动，称为电子的共有化。电子受到周期性势场的作用.§19-1固体的能带a5解定态薛定格方程(略），可以得出两点重要结论：（１）电子的能量是量子化的（２）电子的运动有隧道效应原子的外层电子(高能级)，势垒穿透概率较大，电子可以在整个固体中运动,称为共有化电子.原子的内层电子与原子核结合较紧,一般不是共有化电子.6二.能带量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了N条靠得很近的能级,称为能带。固体中的电子能级有什么特点？7能带的宽度记作E，数量级为E~eV．若N~1023,则能带中两能级的

4、间距约~10-23eV.一般规律：（１）越是外层电子，能带越宽.（２）点阵间距越小，能带越宽．(3)两个能带有可能重叠.8离子间距能带重叠示意图2P2S1SarEo9三.能带中电子的填充固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上．填充原则：（１）服从泡里不相容原理（费米子）（２）服从能量最小原理设孤立原子的一个能级Enl，它最多能容纳2(2l+1)个电子．这一能级分裂成由N条能级组成的能带后，能带最多能容纳2Ｎ(2l+1)个电子．10电子排布时，应从最低的能级排起。有关能带被占据情况的几个名词：1．满带（排满电子）2．价带（排满一部分电子）…亦称导带3．空带（未排电

5、子）…………亦称导带4．禁带（不能排电子）2ｐ、３ｐ能带，最多容纳6Ｎ个电子．例如，1ｓ、２ｓ能带，最多容纳2Ｎ个电子．11sp单个原子N个原子满带导带空带禁带禁带12§19-2导体和绝缘体它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。固体按导电性能的高低可以分为导体半导体绝缘体13导体导体导体半导体绝缘体EgEgEg导体绝缘体14导体:在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流．从能级图上来看:是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去．E15从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg：约3～6eV），共有化电子很难

6、从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去．绝缘体:在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。半导体；的能带结构:满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄.（Eg：约0.1～2eV).上一页16绝缘体与半导体的击穿——当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中的.这时绝缘体与半导体就被击穿变成导体了。17§19-3半导体的导电机构一.本征半导体本征半导体是指纯净的半导体.本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间．介绍两个概念：（1）电子导电……半导体的载流子是电子（2）空穴导电……半导体的载流子是空穴满带上的一个电子跃迁到空带后

7、,满带中出现一个空位.18例.半导体满带空带hEg=2.42eV19这相当于产生了一个带正电的粒子,称为“空穴”。1.除了电荷符号外，空穴和电子有完全相同的性质。2.电子和空穴总是成对出现的。20空带满带在外电场作用下,空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上来,这相当于空穴向下跃迁.满带上带正电的空穴向下跃迁也是形成电流,这称为空穴导电.Eg21解上例中,半导体CdS激发电子,光波的波长至少多短？22二.杂质半导体１.n型半导体四价的本征半导体Si、Ge等，掺入少量五价的杂质元素（如P、As等）形成电子型半导体,称n型半导体．量子力