大学物理课件：16.固体中的电子.ppt

1、16-1 16-1 晶体的特征和描述晶体的特征和描述 一、晶体的特征一、晶体的特征1、晶体的结构、晶体的结构外观上：具有规则的几何形状；外观上：具有规则的几何形状；微观上：晶格点阵（晶格）微观上：晶格点阵（晶格）理想晶体中的粒子理想晶体中的粒子(原子、分子、离子原子、分子、离子或它们的集团或它们的集团)有规律地在空间周期性有规律地在空间周期性排列排列长程有序。长程有序。基本特征：基本特征：非晶体则不存在此性质，但在几个非晶体则不存在此性质，但在几个原子范围内可以有序排列原子范围内可以有序排列短程短程有序有序2、性质（宏观）、性质（宏观）均匀性：不同部位的宏观性质相同均匀性：不同部位的宏观性质相

2、同各向异性：在晶体的不同方向上具有不同的物各向异性：在晶体的不同方向上具有不同的物理性质理性质自限性：具有自发地形成规则几何形状的特性自限性：具有自发地形成规则几何形状的特性对称性：在某几个特定方向上物理性质相同对称性：在某几个特定方向上物理性质相同解理性：具有沿某些确定方位的晶面劈裂解理性：具有沿某些确定方位的晶面劈裂其他：具有固定熔点和最小内能其他：具有固定熔点和最小内能3、晶体的分类、晶体的分类根据结合力的性质分根据结合力的性质分晶体晶体组成组成结合力结合力结合力结合力特性特性晶体晶体特性特性离子晶体离子晶体正、负离子正、负离子库仑吸引力库仑吸引力（离子键）（离子键）无方向性无方向性无饱

3、和性无饱和性硬度高、熔点高、硬度高、熔点高、性脆、电子导电性弱性脆、电子导电性弱共价晶体共价晶体原子原子共价键共价键有方向性有方向性有饱和性有饱和性硬度高、熔点高、硬度高、熔点高、沸点高、不溶于所沸点高、不溶于所有寻常液体有寻常液体晶体晶体组成组成结合力结合力结合力结合力特性特性晶体晶体特性特性金属晶体金属晶体原子实、价电子原子实、价电子金属键金属键有明显方向性有明显方向性有饱和性有饱和性具有导电性、导具有导电性、导热性、金属光泽热性、金属光泽分子晶体分子晶体电中性的无极分子电中性的无极分子范德瓦耳斯力范德瓦耳斯力（范德瓦耳斯键）（范德瓦耳斯键）无方向性无方向性无饱和性无饱和性熔点低、硬度低、

4、熔点低、硬度低、导电性差导电性差 Na Cl立方立方 Cs Cl体心体心立方立方Cu面心面心立方立方晶胞（晶体中的重晶胞（晶体中的重复单元）复单元）二、固体的能带二、固体的能带1 1、电子共有化、电子共有化U r单个原子单个原子U r两个原子两个原子 由于晶体中原子的周期性由于晶体中原子的周期性排列而使价电子不再为单排列而使价电子不再为单个原子所有的现象，称为个原子所有的现象，称为电子的共有化电子的共有化。U r 晶体中周期性势场晶体中周期性势场2E1E2 2、能带的形成、能带的形成电子的共有化使原先每个原子中电子的共有化使原先每个原子中具有相同能级的具有相同能级的电子能级电子能级，因各原子间

5、的相互影响而，因各原子间的相互影响而分裂成一系分裂成一系列和原来能级很接近的新能级列和原来能级很接近的新能级，它们看起来几乎，它们看起来几乎是连续的，从而形成一条有一定宽度是连续的，从而形成一条有一定宽度 E 的的能带能带。Os1BrA0rEE 氢原子的能级分裂氢原子的能级分裂E 原子中原子中的能级的能级晶体中的能带晶体中的能带能带的一般规律能带的一般规律： 越是外层电子，能越是外层电子，能带越宽，带越宽， E E越大。越大。 原子间距越小，能原子间距越小，能带越宽，带越宽， E E越大。越大。 两个能带有可能重叠。两个能带有可能重叠。禁带禁带：两个相邻能带间：两个相邻能带间可能有一个不被允许

6、的可能有一个不被允许的能量间隔。能量间隔。离子间距离子间距r02p2s1sEO能带重叠示意图能带重叠示意图电子在能带中的分布：电子在能带中的分布：每个能带可以容纳的电子数等于与该能带相应的每个能带可以容纳的电子数等于与该能带相应的原子能级所能容纳的电子数的原子能级所能容纳的电子数的N N倍（倍（N N是组成晶体的是组成晶体的原子个数）。原子个数）。正常情况下，总是优先填能量较低的能级。正常情况下，总是优先填能量较低的能级。满带满带：各能级都被电子填满的能带。：各能级都被电子填满的能带。价带价带：由价电子能级分裂而形成的能带。：由价电子能级分裂而形成的能带。 价带能量最高，可能被填满，也可不满。

7、价带能量最高，可能被填满，也可不满。空带空带：与各原子的激发态能级相应的能带。：与各原子的激发态能级相应的能带。 正常情况下没有电子填入。也是导带。正常情况下没有电子填入。也是导带。能带的分类能带的分类: :导带导带: :未填满电子的能带。未填满电子的能带。 禁带禁带gE 空带空带满带满带 导带导带 满带满带 导带中的能级未被占满，一个导带中的能级未被占满，一个电子在外力作用下向其它能级转移电子在外力作用下向其它能级转移时，不一定有相反方向的转移来抵时，不一定有相反方向的转移来抵消，所以导带具有导电作用。消，所以导带具有导电作用。图21-3 由于满带中所有能级都被电由于满带中所有能级都被电子占

8、满，因此一个电子在外力作子占满，因此一个电子在外力作用下向其它能级转移时，必然伴用下向其它能级转移时，必然伴随着相反方向的转移来抵消，所随着相反方向的转移来抵消，所以满带是不导电的。以满带是不导电的。图21-23.3.电子在能带中的填充和运动电子在能带中的填充和运动三、导体和绝缘体三、导体和绝缘体1 1 . .导体的能带导体的能带 导体的能带特点：都具有一个未被电子填满的导体的能带特点：都具有一个未被电子填满的能带。能带。 在外电场作用下在外电场作用下, ,这些能带中的电子很容易从一这些能带中的电子很容易从一个能级跃入另一个能级个能级跃入另一个能级, ,从而形成电流从而形成电流, ,所以导体显

9、所以导体显示出很强的导电能力。示出很强的导电能力。 禁带禁带gE 价带价带满带满带 空带空带满带满带 空带空带价带价带 gE 满带满带一个好的金属导体，它最上一个好的金属导体，它最上面的能带或是未被电子填满，面的能带或是未被电子填满，或虽被填满但填满的能带却或虽被填满但填满的能带却与空带相重叠。与空带相重叠。 禁带禁带gE 空带空带满带满带半导体能带半导体能带eV.Eg5110 禁带禁带空带空带满带满带绝缘体能带绝缘体能带eVEg63 2 2. .半导体和绝缘体半导体和绝缘体( (电介质电介质) )的能带的能带 从能带上看，半导体和绝缘体的能带没有本质区从能带上看，半导体和绝缘体的能带没有本质

10、区别：都具有填满电子的满带和隔离满带与空带的禁带。别：都具有填满电子的满带和隔离满带与空带的禁带。不同的是，半导体的禁带较窄，而绝缘体的禁带较宽。不同的是，半导体的禁带较窄，而绝缘体的禁带较宽。四、半导体四、半导体电子导电电子导电半导体的载流子是电子半导体的载流子是电子空穴导电空穴导电半导体的载流子是空穴半导体的载流子是空穴 1.1.本征半导体本征半导体 由前可知，半导体禁带宽度较窄由前可知，半导体禁带宽度较窄, ,通常温度下，通常温度下，满带的电子可能受激进入空带。进入空带的电子和留满带的电子可能受激进入空带。进入空带的电子和留在满带中的空穴在外电场作用下都可导电。这种导电在满带中的空穴在外

11、电场作用下都可导电。这种导电称为称为本征导电本征导电。具有本征导电的半导体，称为。具有本征导电的半导体，称为本征半本征半导体导体。参与导电的电子和空穴统称本征。参与导电的电子和空穴统称本征载流子载流子。 2.2.杂质半导体杂质半导体 在纯净的半导体里在纯净的半导体里, ,可以用扩散的方法掺入少量可以用扩散的方法掺入少量其他元素的原子其他元素的原子( (称为称为杂质杂质),),掺有杂质的半导体称为掺有杂质的半导体称为杂质半导体杂质半导体。杂质半导体的导电性能较之本征半导体。杂质半导体的导电性能较之本征半导体有很大的改变。有很大的改变。SiSiSiSiSiSiSiP（1 1）n 型半导体型半导体

12、在四价元素中掺入少量五价元素，形成在四价元素中掺入少量五价元素，形成n n型半导体。型半导体。四价元素中掺入五价元素四价元素中掺入五价元素后，其中四个电子可以和后，其中四个电子可以和邻近的硅或锗原子形成共邻近的硅或锗原子形成共价健，多余的一个电子形价健，多余的一个电子形成自由电子。成自由电子。 施主能级与导带底施主能级与导带底部之间的能量差值部之间的能量差值很小，很小，通常温度下通常温度下, ,施主能级施主能级中的电子很容易被激发中的电子很容易被激发而跃迁到导带去。而跃迁到导带去。 大大量量自由电子自由电子的存在大大的存在大大提高了半导体的导电性提高了半导体的导电性能。能。 施主施主不断向空带

13、不断向空带输送电子。容易看出，输送电子。容易看出，n n型型半导体的多数载流半导体的多数载流子是子是电子电子。 理论计算表明理论计算表明, , n n型半导体多余的这个价电子型半导体多余的这个价电子的能级在禁带中的能级在禁带中, ,并靠近导带的边缘，称为并靠近导带的边缘，称为施主能施主能级级, ,如图所示。如图所示。导带导带施主施主能级能级 gE 满带满带DE E eVED210 negative chage 负电荷负电荷SiSiSiSiSiSiSi（2 2） p p型半导体型半导体 在四价元素中掺入少量三价元素，形成在四价元素中掺入少量三价元素，形成 p p型半导体。型半导体。B 这种杂质原

14、子在代替晶体中这种杂质原子在代替晶体中硅或锗原子而构成共价健结硅或锗原子而构成共价健结构时，将缺少一个电子，相构时，将缺少一个电子，相当于增加了可供电子填空的当于增加了可供电子填空的空穴。空穴。导带导带受主受主能级能级 gE 满带满带AE E 这种空穴的能级出现在禁带中这种空穴的能级出现在禁带中, ,并且靠近满带并且靠近满带, ,称称为为受主能级受主能级，如图所示。，如图所示。 受主受主收容从满带跃收容从满带跃迁来的电子。迁来的电子。 容易看出，容易看出，p p型型半导半导体的多数载流子是体的多数载流子是空穴。空穴。 positive chage 正电荷正电荷 满带顶部与杂质能级之间的能量差值

15、满带顶部与杂质能级之间的能量差值 E0.1eV。在温度不很高的情况下在温度不很高的情况下, ,满带中的电子很容易被激发满带中的电子很容易被激发到受主能级到受主能级, ,同时在满带中形成空穴。带正电的同时在满带中形成空穴。带正电的空穴空穴移动是移动是导电导电的。大量空穴的的。大量空穴的存在，使其导电性大大提高。存在，使其导电性大大提高。 （3 3）p-n结的形成结的形成由于由于n 区的电子向区的电子向p区扩散，区扩散，p区的空穴向区的空穴向n区扩散，在区扩散，在p型半导体和型半导体和n 型半导体的交型半导体的交界面附近产生了一个电场界面附近产生了一个电场 , , 称为称为内电场内电场。p- -n

16、结结阻阻En型型p型型0U导带导带禁带禁带满带满带 区区p区区n0eU 区区p区区n )a()b(p-n结的单向导电性结的单向导电性在在p-n 结的结的p型区接电型区接电源正极源正极，n 区接负极区接负极阻挡层势垒被削弱、阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向变窄，有利于空穴向n区运动，电子向区运动，电子向p区区运动，运动，形成正向电流。形成正向电流。Ep型型n型型I阻阻EU（伏）（伏）I （毫安）（毫安）O在在p-n结的结的p型区接电型区接电源负极源负极，n区接正极区接正极。阻挡层势垒增大、变阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向宽，不利于空穴向n区区运动，也不利于电子运动，也不利于电子向向p区运

17、动。区运动。U(伏伏)I（微安）（微安）Ep型型n型型阻阻EI4 4、半导体的其他特征和应用、半导体的其他特征和应用热敏电阻热敏电阻半导体的电阻随温度的升高而指数下降，半导体的电阻随温度的升高而指数下降，导电性能随导电性能随温度温度变化十分灵敏。变化十分灵敏。热敏电阻体积小、热惯性小、寿命长热敏电阻体积小、热惯性小、寿命长光敏电阻光敏电阻在可见光照射下，半导体硒的电阻随光强增加而急在可见光照射下，半导体硒的电阻随光强增加而急剧减小，但要求照射光的频率大于红限频率。剧减小，但要求照射光的频率大于红限频率。温差电偶温差电偶将两种不同的半导体组成回路，两个接头处于不同将两种不同的半导体组成回路，两个接头处于不同温度，回路中将产生温差电动势。温度，回路中将产生温差电动势。n n型型p p型型1T0T热端热端冷端冷端负载负载电流电流电流电流电势差增加，半导体内电电势差增加，半导体内电场也增强，阻止载流子扩场也增强，阻止载流子扩散，最后达到平衡。散，最后达到平衡。