高二物理競賽課件 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶

半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶

孤立原子的能級

原子的能級不同支殼層電子1、電子在殼層上的分布遵從：

a)泡利不相容原理

b)能量最低原理2、表示方法：

1s；2s，2p；3s，3p，3d；…3、在單個原子中，電子狀態(tài)的特點是：總是局限在原子的周圍，其能級取一系列分立值。半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶一、原子的能級和晶體的能帶

晶體的能帶1、原子最外殼層交疊程度大，電子的共有化運動顯著，能級分裂厲害，能帶寬

2、原子最內(nèi)殼層交疊程度小，電子的共有化運動弱，能級分裂小，能帶窄原子靠近，外層電子發(fā)生共有化運動—能級分裂原子形成晶體后，電子的共有化運動導(dǎo)致能級分裂，形成能帶。

Si的能帶

N個原子組成晶體，每個能帶包含的能級數(shù)（共有化狀態(tài)數(shù)）不計原子本身簡并：N個原子——N度簡并考慮原子簡并：與孤立原子的簡并度相關(guān)例如：N個原子形成晶體：s能級（無簡并）——N個狀態(tài)

p能級（三度簡并）——3N個狀態(tài)考慮自旋：N——2N

自由電子的E-k關(guān)系自由電子的運動

微觀粒子具有波粒二象性考慮一個質(zhì)量m0，速度自由運動的電子：半導(dǎo)體中的電子的狀態(tài)和能帶

晶體中薛定諤方程及其解的形式

其解為布洛赫波函數(shù)晶體中的電子是以一個被調(diào)幅的平面波在晶體中傳播

晶體中的E-k關(guān)系—能帶

1、禁帶出現(xiàn)在k=nπ/a處，即出現(xiàn)在布里淵區(qū)的邊界上2、每一個布里淵區(qū)對應(yīng)一個能帶3、能隙的起因：晶體中電子波的布喇格反射－周期性勢場的作用晶體中電子的E-k關(guān)系圖簡約布里淵區(qū)E(k)=E(k+2nπ/a)能量不連續(xù)：k=nπ/a(n=0,±1,±2,…)導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶模型

滿帶中電子不形成電流，對導(dǎo)電沒有貢獻（內(nèi)層電子）導(dǎo)體中，價電子占據(jù)的能帶部分占滿絕緣體和半導(dǎo)體，被電子占滿的滿帶為價帶，空帶為導(dǎo)帶；中間為禁帶。禁帶寬度：絕緣體>半導(dǎo)體能帶隙

高純半導(dǎo)體在絕對零度時導(dǎo)帶是空的，并且由一個能隙Eg與充滿的價帶隔開能帶隙是導(dǎo)帶的最低點和價帶最高點之間的能量差導(dǎo)帶的最低點稱為導(dǎo)帶底，價帶的最高點稱為價帶頂當溫度升高時，電子由價帶被熱激發(fā)至導(dǎo)帶。導(dǎo)帶中的電子和留在價帶中的空軌道二者都對電導(dǎo)率有貢獻

金剛石型晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體有:元素半導(dǎo)體如Si、Ge

原子結(jié)合形式：共價鍵每個原子周圍都有4個最近鄰的原子，組成一個正四面體結(jié)構(gòu)。4個原子分別處在正四面體的頂角上，任一頂角上的原子和中心原子各貢獻一個價電子為該兩個原子所共有，共有的電子在兩個原子之間形成較大的電子云密度，通過他們對原子實的引力把兩個原子結(jié)合在一起；

晶胞：面心立方對稱兩套面心立方點陣沿對角線平移1/4套構(gòu)而成;

閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)材料:Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半導(dǎo)體如

GaAs、InP、ZnS，等

原子結(jié)合形式：混合鍵依靠共價鍵結(jié)合，但有一定的離子鍵成分——極性半導(dǎo)體

晶胞：面心立方對稱兩套不同原子的面心立方點陣沿對角線平移1/4套構(gòu)而成;金剛石型閃鋅礦型

纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)

原子結(jié)合形式：混合鍵依靠共價鍵結(jié)合，離子鍵