第一章光电信息技术物理基础 理论基础 光学基础 电路基础
第一章 光电信息技术物理基础 理 论 基 础 光 学 基 础 电 路 基 础
§1.1.1能带理论 论 能带是现代物理学描写固体中原子外层电子运动的 基 种图象。按照原子理论,原子中的电子只有占据某些 础能级,然而在结晶格中能级改变了,我们发现电子能在 某些整个能带(见图1.1.1-2)内运动,每一能带是与 个原子的能级相关联的。泡利不相容原理限制能占有某 个n1原子能级的电子数,同样这原理也限制一个结晶 格的能带内所能容纳的电子数。 3p 下可 未填满 2p 2p 了 2s 填满 回房1s 础 s 原子能级 结晶格能带 图1.1.1-2原子的能限和结晶格中的能带之比较 2
上一页 下一页 回首页 回末页 结束 第一章 第 一 章 光 电 信 息 技 术 物 理 基 础 2 理 论 基 础 §1.1.1 能带理论 回目录 能带是现代物理学描写固体中原子外层电子运动的 一种图象。按照原子理论，原子中的电子只有占据某些 能级，然而在结晶格中能级改变了，我们发现电子能在 某些整个能带(见图1.1.1-2)内运动，每一能带是与一 个原子的能级相关联的。泡利不相容原理限制能占有某 个 nl 原子能级的电子数，同样这原理也限制一个结晶 格的能带内所能容纳的电子数。 1s 2s 2p 3p 3s 原子能级 1s 2s 2p 3s 结晶格能带 填 满 未填满 图1.1.1-2 原子的能限和结晶格中的能带之比较
§1.1.1能带理论 论 让我们考虑一种具有图1.1.1-3所示能带结构的金属,这 基种能带结构可能相当于钠(2=11)的能级 础 与1s、2s和2p原子能级对 ←空带应的能带是完全填满了,但3s 半满带能带(每个原子能容纳最多两个 页2p 电子)仅有一半被填充。在外界 电场的作用下,价带内的最上电 满带|面的电子在不违反不相容原理 下1 的情况下获得一些额外的少许技 钠(23y)晶体能带能量而到能带内附近许多空的 图1.1.1-3导体内的能带状态去,和无序的热激发明显物 不同的是受电场激发的电子在与场相反的方向上获得动量, 结果在晶体内产生一种集体运动,从而构成电流。因此, 我们得出结论:具有如图1.1.1-3所示那样能带结构的物 质应为良导体,换句话说,良导体(也称金属)是那些最高 能带未被完全填满的固体
上一页 下一页 回首页 回末页 结束 第一章 第 一 章 光 电 信 息 技 术 物 理 基 础 3 理 论 基 础 §1.1.1 能带理论 回目录 让我们考虑一种具有图1.1.1-3所示能带结构的金属，这 种能带结构可能相当于钠(Z=11)的能级。 1s 2s 2p 3s 钠(1s 2 2s2 2p6 3s1 ) 晶体能带 满 带 半满带 3p 空 带 图1.1.1-3导体内的能带 与1s 、2s 和 2p 原子能级对 应的能带是完全填满了，但 3s 能带(每个原子能容纳最多两个 电子)仅有一半被填充。在外界 电场的作用下，价带内的最上 面的电子在不违反不相容原理 的情况下获得一些额外的少许 能量而到能带内附近许多空的 状态去，和无序的热激发明显 不同的是受电场激发的电子在与场相反的方向上获得动量， 结果在晶体内产生一种集体运动，从而构成电流。因此， 我们得出结论：具有如图1.1.1-3 所示那样能带结构的物 质应为良导体，换句话说，良导体(也称金属)是那些最高 能带未被完全填满的固体
§1.1.1能带理论 论 实际上由于最高能带可能发生重叠,所以情况稍复杂 基一些,事实上对大多数金属或导体而言最上层的能带相重 础叠是很普通的情形。有一些物质,它们的原子具有满充壳 层,但在固体时由于最上面的满带和一个空带重叠的话, 司它们成为导体;人们常称这些物质为半金属。 现在考虑这样一种物质,该物质中的最高能带即价带是满 的,而且不与下一个全空的能带重叠(见图1.1.1-5), 由于价带的所有状 3p 导带(空 下可 态都被占有,电子技 能隙较大 的能量被”冻结”, 3 价带(满) 即电子不可能改变物 了 它们在能带中的状 2: 回与录 态而不违背不相容础 原理。激发一个电 绝缘体能带 子的唯一可能性是 图1.1.1-5绝缘体
上一页 下一页 回首页 回末页 结束 第一章 第 一 章 光 电 信 息 技 术 物 理 基 础 4 理 论 基 础 §1.1.1 能带理论 回目录 实际上由于最高能带可能发生重叠，所以情况稍复杂 一些，事实上对大多数金属或导体而言 最上层的能带相重 叠是很普通的情形。有一些物质，它们的原子具有满充壳 层，但在固体时由于最上面的满带和一个空带重叠的话， 它们成为导体；人们常称这些物质为半金属。 现在考虑这样一种物质，该物质中的最高能带即价带是满 的，而且不与下一个全空的能带重叠( 见图1.1.1-5 )， 由于价带的所有状 态都被占有，电子 的能量被”冻结” ， 即电子不可能改变 它们在能带中的状 态而不违背不相容 原理。激发一个电 子的唯一可能性是 1 s 2 s 2 p 3 s 价 带 ( 满 ) 导 带 ( 空 ) 3 p 绝缘体能带 能 隙 较 大 图1.1.1-5 绝缘体
§1.1.1能带理论 论把它转移到空的导带中;但这可能需要几个电子伏特的能 基量,因此,一个外加的电场就无法使价带中的电子加速, 础因而不能产生净电流。所以这种物质称为绝缘体。 同样的能带图也适用于硅和锗,但是在原子的平衡间 司距下价带与导带之间的能隙要小得多(在硅中为1.1ev 在锗中为0.7eV),于是要将价带中最上面的电子激发 到导带内时就容易得多了。图1.1.1-6中示出这种情况 下可 导带(空) 能隙较小 价带(满) 了 技术物理基础 回与录 半导体能带 图1.1.1-6半导体内的能带 5
上一页 下一页 回首页 回末页 结束 第一章 第 一 章 光 电 信 息 技 术 物 理 基 础 5 理 论 基 础 §1.1.1 能带理论 回目录 把它转移到空的导带中；但这可能需要几个电子伏特的能 量，因此，一个外加的电场就无法使价带中的电子加速， 因而不能产生净电流。所以这种物质称为绝缘体。 同样的能带图也适用于硅和锗，但是在原子的平衡间 距下价带与导带之间的能隙要小得多( 在硅中为 1.1 eV， 在锗中为 0.7 eV )，于是要将价带中最上面的电子激发 到导带内时就容易得多了。图1.1.1-6 中示出这种情况。 价 带(满) 导 带(空) 半导体能带 能隙较小 图1.1.1-6 半导体内的能带
§1.1.1能带理论 论 当温度升高时,有更的电子能够跳到下一个能带去。 基这有两个结果:在上面的导带中少数电子所起的作用和 础它们在金属中所起的作用相同;而价带中留下的空态即 空穴起着类似的作用,不过它们好象是正的电子,因此, 它们有来自导带中的激发电子和来自价带中的空穴的导 电性;温度升高时,由于有更多的电子被激发到导带 所以电导率随温度而迅速增加。例如,在硅中,当温度 学从250K增加到450K时,激发电子的数目增加106倍 下可 因此,半导体是这样一些绝缘体,它们的价带和导带之 间的能隙约为1eV或更小,因而比较容易用加热方法 点把电子从价带中激发到导带中。这种完全纯净和结构完物 辣整的半导体称为本征半导体。实际上,晶体总是含有缺 陷和杂质的,半导体的许多特性是由所含的杂质和缺陷 刻决定的。假定我们用另一种物质的原子(在此情况下,这 些原子构成杂质),取代半导体的一些原子,并假定这些 杂
上一页 下一页 回首页 回末页 结束 第一章 第 一 章 光 电 信 息 技 术 物 理 基 础 6 理 论 基 础 §1.1.1 能带理论 回目录 当温度升高时，有更的电子能够跳到下一个能带去。 这有两个结果：在上面的导带中少数电子所起的作用和 它们在金属中所起的作用相同；而价带中留下的空态即 空穴起着类似的作用，不过它们好象是正的电子，因此， 它们有来自导带中的激发电子和来自价带中的空穴的导 电性；温度升高时，由于有更多的电子被激发到导带， 所以电导率随温度而迅速增加。例如，在硅中，当温度 从250 K 增加到450 K 时，激发电子的数目增加106 倍。 因此，半导体是这样一些绝缘体，它们的价带和导带之 间的能隙约为 1 eV 或更小，因而比较容易用加热方法 把电子从价带中激发到导带中。这种完全纯净和结构完 整的半导体称为本征半导体。实际上，晶体总是含有缺 陷和杂质的，半导体的许多特性是由所含的杂质和缺陷 决定的。假定我们用另一种物质的原子(在此情况下，这 些原子构成杂质)，取代半导体的一些原子，并假定这些 杂
§1.1.1能带理论 论质原子比半导体的原子具有较多的电子。例如,每个硅或 基锗原子贡献4个电子给价带,而每个磷或砷原子贡献5个 础电子给价带,因此,如果我们把若干磷或砷原子加进硅或 锗中,则每有一个杂质原子,就有一个额外电子。这些额 外的电子(它们不能被容纳在原来结晶体的价带中)占有恰 在导带下方的某些分立的能级;其距离可为十分之几电子 伏特(图1.1.1-7a) 下可 导带空) 能隙较小 t=土 杂质能级 了 回与录 "←价带(满) 图1.1.1-7半导体中的杂质: (a)施主,或n型 7
上一页 下一页 回首页 回末页 结束 第一章 第 一 章 光 电 信 息 技 术 物 理 基 础 7 理 论 基 础 §1.1.1 能带理论 回目录 质原子比半导体的原子具有较多的电子。例如，每个硅或 锗原子贡献4 个电子给价带，而每个磷或砷原子贡献5 个 电子给价带，因此，如果我们把若干磷或砷原子加进硅或 锗中，则每有一个杂质原子，就有一个额外电子。这些额 外的电子(它们不能被容纳在原来结晶体的价带中)占有恰 在导带下方的某些分立的能级；其距离可为十分之几电子 伏特( 图1.1.1-7 a )。 价 带(满) 导 带(空) 能 隙 较小 杂质能级 图1.1.1-7 半导体中的杂质： (a)施主，或 n 型
§1.1.1能带理论 论 这额外的电子容易被杂质原子释放出来并被激发至导 基带。于是,激发电子对半导体的电导率有贡献。这种杂质 础原子,叫做施主;这种半导体叫做n型半导体。相反地, 杂质原子可以比半导体原子具有较少的电子。在基质物质 为硅和错的情况下,杂质原子可以是硼或铝,这两种原子 都只贡献3个电子。在这种情况下,杂质引进空的分立能 级,这些能级的位置很靠近价带顶(图1.1.1-7b)。 下可 导带(空) 能隙较小 杂质能级 了 技术物理基础 回与录 价带(满) 图1.1.1-7半导体中的杂质: (b)受主,或p型
上一页 下一页 回首页 回末页 结束 第一章 第 一 章 光 电 信 息 技 术 物 理 基 础 8 理 论 基 础 §1.1.1 能带理论 回目录 这额外的电子容易被杂质原子释放出来并被激发至导 带。于是，激发电子对半导体的电导率有贡献。这种杂质 原子，叫做施主；这种半导体叫做 n 型半导体。相反地， 杂质原子可以比半导体原子具有较少的电子。在基质物质 为硅和锗的情况下，杂质原子可以是硼或铝，这两种原子 都只贡献3 个电子。在这种情况下，杂质引进空的分立能 级 ，这些能级的位置很靠近价带顶( 图1.1.1-7 b )。 价带(满) 导带(空) 能隙较小 杂质能级 + + + + 图1.1.1-7 半导体中的杂质： (b)受主，或 p 型
§1.1.1能带理论 论因此,容易把价带中一些具有较高能量的电子激发到杂质 基能级上。这个过程在价带中产生空态即空穴。如前面所述 越这些电子起着正电子的作用。这种杂质原子叫做受主,这第 种半导体叫做p型半导体 为了使半导体的电导率产生大的变化,对于每一百万 上团个半导体原子,大约有一个杂质原子就足够了。半导体在 工业上广泛地用于制作整流器、调制器、探测器、光电管、 晶体管和大规模集成电路等等 下可 了 技术物理基础 回与录
上一页 下一页 回首页 回末页 结束 第一章 第 一 章 光 电 信 息 技 术 物 理 基 础 9 理 论 基 础 §1.1.1 能带理论 回目录 因此，容易把价带中一些具有较高能量的电子激发到杂质 能级上。这个过程在价带中产生空态即空穴。如前面所述， 这些电子起着正电子的作用。这种杂质原子叫做受主，这 种半导体叫做 p 型半导体。 为了使半导体的电导率产生大的变化，对于每一百万 个半导体原子，大约有一个杂质原子就足够了。半导体在 工业上广泛地用于制作整流器、调制器、探测器、光电管、 晶体管和大规模集成电路等等