*16-10半导体 物理学教程 (第二版) 固体的能带 完全分离的两个氢原子能级 2p 2p 2s 2s 1s ls e A ⊕ B e -e 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 10 半导体 一 固体的能带 1s 2s 2p 完 全 分 离 的 两 个 氢 原 子 能 级 1s 2s 2p − e + e A + − e + e + B
*16-10半导体 物理学教程 (第二版) 在理想的固态晶体中，因为原子间的相互作用，使 原子原有的能级分裂成N个间距极近的子能级，子能级 几乎连成一片形成能带. 重叠能级分裂形成能带 2s 2s 2s 1s 1s (a)两个原子很 (b)五个原子很 (c)固态晶 近时的能级分裂 近时的能级分裂 体的能带 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 10 半导体 （a） 两个原子很 近时的能级分裂 （b） 五个原子很 近时的能级分裂 （c） 固态晶 体的能带 r r r 1s 1s 1s 2s 2s 2s 重 叠 能 级 分 裂 形 成 能 带 在理想的固态晶体中，因为原子间的相互作用，使 原子原有的能级分裂成 N 个间距极近的子能级, 子能级 几乎连成一片形成能带
*16-10半导体 物理学教程 (第二版 每个子能级有2(21+1)个量子态 根据泡利原理每个子能级容纳2(21+1)个电子. 每个能带容纳2(21+1)N个电子 ◆ 满带和空带：能带中能级全被电子填满为满带；无 电子填充的能带为空带. ◆ 价带：价电子的能级分裂所形成的能带. 导带：空带和未被电子填满的价带。 实验表明：一个能带中最高能级与最低能级之间 的间隔一般不超过10eV的数量级.由于原子数N 的数量级为1019mm3.所以一个能带中相邻能级间 间隔约为102eV/1019=10-17eV. 笋十六音最子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 10 半导体 ➢ 每个子能级有 2(2l +1) 个量子态. ➢ 根据泡利原理每个子能级容纳 2(2l +1) 个电子. ➢ 每个能带容纳 2(2l +1)N 个电子 导带: 空带和未被电子填满的价带. 价带: 价电子的能级分裂所形成的能带. 实验表明: 一个能带中最高能级与最低能级之间 的间隔一般不超过 的数量级 . 由于原子数 N 的数量级为 . 所以一个能带中相邻能级间 间隔约为 . 10 eV2 19 3 10 mm− 10 eV/10 10 eV 2 1 9 −1 7 = 满带和空带: 能带中能级全被电子填满为满带; 无 电子填充的能带为空带
*16-10半导体 物理学教程 (第二版) 晶体的能带 E 空带 导带 禁 导 禁 带 价带 价带 (非满带) (满带) 禁带：能带之间不存在能级的区间 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 10 半导体 晶 体 的 能 带 E Eg 禁 带 Eg 禁 带 导 带 价带 （非满带） 空带 价带 （满带） 导 带 禁带: 能带之间不存在能级的区间
*16-10半导体 物理学教程 (第二版 导体 半导体 绝缘体 电阻率 108~104 104~108 108~1020 (2m) 温度系数 正 负 负 禁带 较小 较大 价带 非满带 满带 满带 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 10 半导体 导体 半导体 绝缘体 电阻率 (Ωm) 温度系数 禁带 价带 4 8 10 ~ 10 − 负 较小 满带 8 4 10 ~ 10 − − 正 非满带 8 20 10 ~ 10 负 较大 满带
*16-10半导体 物理学教程 (第二版) 二 本征半导体和杂质半导体 1本征半导体：纯净的无杂质的半导体 锗晶体中的正常键 电子 Ge Ge Ge Ge Ge 导带 // Ge Ge Ge Ge E 禁带 电子被激发，晶体中出现空穴 满带 oe心 Ge Ge Ge e Ge 空穴 Ge Ge Ge Ge 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 10 半导体 二 本征半导体和杂质半导体 1 本征半导体：纯净的无杂质的半导体 Eg 导带 禁带 满带 − e + e 空穴 电子 锗晶体中的正常键 电子被激发，晶体中出现空穴 Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge + e −e
*16-10半导体 物理学教程 (第二版) 2杂质半导体 ◆ 电子型（简称n型)半导体 五价原子砷掺入四价硅中，多 余的价电子环绕A离子运动 施主能级 导 Si 施主能级 Si 价 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 10 半导体 2 杂质半导体 电子型（简称 n 型）半导体 价 带 导 带 施主能级 施 主 能 级 Si + As − e 五价原子砷掺入四价硅中，多 余的价电子环绕 As + 离子运动 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si
*16-10半导体 物理学教程 (第二版) ◆空穴型（简称p型)半导体 三价原子硼掺入四价锗晶 体中，空穴环绕B离子运动 受主能级 空穴 导带 Ge G Ge 受主能级 Ge Ge G光 Ge 带 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 10 半导体 空穴型（简称 p 型）半导体 价 带 导 带 受主能级 受 主 能 级 空穴 − B − B Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge 三价原子硼掺入四价锗晶 体中，空穴环绕 离子运动
*16-10半导体 物理学教程 (第二版) 三 pn结 pn结的伏安特性曲线 I/mA 50 40 30 20 10 -1.0-0.5 0.5 1.0U/V 反向电压 正向电压 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 10 半导体 p n U I − + p n U I + − pn 结的伏安特性曲线 反向电压 正向电压 三 pn 结
*16-10半导体 物理学教程 (第二版) n p 偶电层 n +e +e 空穴 电子 动平衡时p型与n型接触区域的电势变化 X 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 10 半导体 + e − e − e + e p n p 偶电层 n - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + 0 空穴 电子 x U0 x 0 x 动平衡时 p 型与 n 型接触区域的电势变化