【正文】 周期性勢場 。 電子共有化 電子共有化 (1)對能量 E1的電子 ? 勢能曲線表現(xiàn)為勢壘； 電子能量 勢壘高度 ? 且 E1較小 ， 勢壘較寬 ， 穿透概率??； 仍認為 電子束縛在各自離子周圍 。 ? 若 E1較大 (仍低于勢壘高度 )， 穿透概率較大 ， 由隧道 效應(yīng) ， 電子可進入相鄰原子 。 電子共有化 (2)對能量 E2的電子 電子能量 勢壘高度 電子在晶體中自由運動 ， 不受特定離子的束縛 。 電子共有化： 由于晶體中原子的周期性排列 ， 價電子不再為單個原子所有的現(xiàn)象 。 共有化的電子可以在不同原子中的相似軌道上轉(zhuǎn)移 ， 可以在整個固體中運動 。 ? 原子的外層電子 (高能級 )， 勢壘穿透概率較大 ， 屬于共有化的電子 。 ? 原子的內(nèi)層電子與原子的結(jié)合較緊 ， 一般不是共有化電子 。 (3)電子共有化 能帶的形成 量子力學證明 ， 由于晶體中各原子間的相互影響 ，原來各原子中能量相近的能級將分裂成一系列和原能級接近的新能級 。 這些新能級基本上連成一片 ， 形成 能帶(energy band)。 兩個氫原子靠近結(jié)合成分子時 ， 1S能級分裂為兩條 。 1S r0 r 0 E ● ● H H r H原子結(jié) 合成分子 能帶的形成 當 N個原子靠近形成晶體時 ， 由于各原子間的相互作用 ， 對應(yīng)于原來孤立原子的一個能級 ， 就分裂成 N條靠得很近的能級 。 使原來處于相同能級上的電子 ， 不再有相同的能量 ， 而處于 N個很接近的新能級上 。 N條 能級 能帶 能隙 ， 禁帶 ?E 能帶寬度： ?E～ eV N～ 1023時 ， 則能帶中兩能級間距： ～ 1023eV 能帶的一般規(guī)律 ? 外層電子共有化程度顯著 ， 能帶較寬 (?E較大 ) ；內(nèi)層電子相應(yīng)的能帶很窄 。 ? 點陣間距越小 ， 能帶越寬 ， ?E越大 。 ? 兩能帶有可能重疊 。 E r a 離子間距 2P 2S 1S 能帶重疊示意圖 能帶中的電子排布 晶體中的一個電子只能處在某個能帶中的某一能級上 (1) 服從泡里不相容原理 (電子是費米子 ) (2) 服從能量最小原理 ? 孤立原子的能級 Enl， 最多能容納 2(2l+1)個電子 。 ? 這一能級分裂成由 N條能級組成的能帶后 ， 最多能容納 2Ｎ (2l+1)個電子 。 例如： 1s、 2s能帶 ， 最多容納 2Ｎ 個電子 2p、 3p能帶 ， 最多容納 6Ｎ 個電子 排布原則： 電子排布時，應(yīng)從最低的能級排起。 能帶結(jié)構(gòu) 應(yīng)用單電子近似的結(jié)果 ， 就是晶體里的每一個電子不再是處于一個具有確定數(shù)值的能級里 ， 而是和其它所有原子里具有相同軌道的電子共同處在一個具有一定寬度的能量范圍里 ， 形成所謂 能帶 ， 能帶之間則是任何電子都不能穩(wěn)定存在的能量區(qū)域 ， 稱為 禁帶 。 能帶產(chǎn)生的根本原因還是在于泡利不相容原理 。 由于組成晶體的大量原子的相同軌道的電子被共有化后 ，只有把同一個能級分裂為相互之間具有微小差異的極其細致的能級 ， 這些能級數(shù)目巨大 ， 而且堆積在一個一定寬度的能量范圍內(nèi) ， 以至于可以看成是在這個能量范圍內(nèi) ， 電子的能量狀態(tài)是連續(xù)分布的 。 能帶結(jié)構(gòu) 晶體里的價電子從它們在單原子里的能級分裂為價帶 ， 激發(fā)態(tài)能級則分裂為導(dǎo)帶 ， 一般晶體中每條能帶的寬度只與晶體中原子之間的結(jié)合狀況有關(guān) ， 與晶體中的原子數(shù)目無關(guān) ， 寬度一般為幾個電子伏特 。 一條 確定的能帶里的電子數(shù)目可以依據(jù)晶體里的原子數(shù)目估計出來 ， 一般由 N個原子組成的晶體 ， 相同量子數(shù) l的一條能帶里的最多可以容納的電子數(shù)目是 2(2l+1)N個 。 電子在能帶中的填充 ? 能帶中各能級都被電子填滿 。 ? 滿帶中的電子不能起導(dǎo)電作用 。 ? 晶體加外電場時 ， 電子只能在帶內(nèi)不同能級間交換 ，不能改變電子在能帶中的總體分布 。 ? 滿帶中的電子由原占據(jù)的能級向帶內(nèi)任一能級轉(zhuǎn)移時 ， 必有電子沿相反方向轉(zhuǎn)換 ， 因此 ， 不會產(chǎn)生定向電流 ， 不能起導(dǎo)電作用 。 滿帶 電子在能帶中的填充 導(dǎo)帶 ? 被電子部分填充的能帶 。 ? 在外電場作用下 ， 電子可向帶內(nèi)未被填充的高能級轉(zhuǎn)移 ， 但無相反的電子轉(zhuǎn)換 ， 因而可形成電流 。 … ? 價電子能級分裂后形成的能帶 。 ? 有的晶體的價帶是導(dǎo)帶； ? 有的晶體的價帶也可能是滿帶 。 價帶： 能帶理論 空帶 ? 所有能級均未被電子填充的能帶 。 ? 由原子的激發(fā)態(tài)能級分裂而成 ， 正常情況下空著； ? 當有激發(fā)因素 (熱激發(fā) 、 光激發(fā) )時 ， 價帶中的電子可被激發(fā)進入空帶； ? 在外電場作用下 ， 這些電子的轉(zhuǎn)移可形成電流 。 所以 ， 空帶也是導(dǎo)帶 。 電子在能帶中的填充 禁帶 滿帶 空帶 禁帶 E ? 在能帶之間的能量間隙區(qū) ，電子不能填充 。 ? 禁帶的寬度對晶體的導(dǎo)電性有重要的作用 。 ? 若上下能帶重疊 ， 其間禁帶就不存在 。 電子在能帶中的填充 1．滿帶（排滿電子） 2．未滿帶（能帶中一部分能級排滿電子） ? 亦稱 導(dǎo)帶 3．空帶（未排電子） ? 亦為 導(dǎo)帶 4．禁帶（不能排電子） ? ? ? 空帶 價帶 (非滿帶 ) 禁帶 Eg 導(dǎo)帶 禁帶 Eg ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 價帶 (滿帶 ) 導(dǎo)帶 E 總結(jié)： 導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體 太陽電池是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的一種具有能量轉(zhuǎn)換功能的半導(dǎo)體器件 。 按導(dǎo)電性強弱： 材 料 導(dǎo) 體： 電阻率一般在 104Ω?cm以下 ， 如金 、銀 、 銅 、 鋁等金屬和合金材料 。 絕緣體： 是不易導(dǎo)電的物質(zhì) ， 如橡膠 、 玻璃 、陶瓷和塑料等 ， 電阻率一般在 109 Ω?cm以上 。 半導(dǎo)體： 電阻率一般在 104～ 109Ω?cm之間 ，如硅 、 鍺 、 砷化鎵等 。 導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體 它們的導(dǎo)電性能不同 ， 是因為它們的能帶結(jié)構(gòu)不同 。 導(dǎo)體 導(dǎo)體 導(dǎo)體 半導(dǎo)體 絕緣體 ?Eg ?Eg ?Eg 導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 能帶結(jié)構(gòu) 空帶 E 某些一價金屬 ， 如 :Li … 導(dǎo)帶 某些二價金屬 ， 如 : Be,Ca,Mg,Zn, Ba … 滿帶 空帶 E 導(dǎo)帶 空帶 如 :Na, K, Cu, Al, Ag… E 導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) (1) 沒有滿帶 有幾種情形： 導(dǎo)帶和空帶不重疊 (如 Li， … ) 導(dǎo)帶和空帶重疊 (如 Na， K， Cu， Al， Ag) (2) 有滿帶 ， 但滿帶和空帶 (或?qū)?)重疊 (如某些二價元素 Be， Ca， Mg， Zn， Ba) 導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 在外電場的作用下 ， 電子容易從低能級躍遷到高能級 ， 形成集體的定向流動 (電流 )， 顯出很強的導(dǎo)電能力 。 導(dǎo)電機制 從能級圖上來看，是因為其共有化電子很易從低能級躍遷到高能級上去。 E 絕緣體的能帶結(jié)構(gòu) 禁帶較寬 (相對于半導(dǎo)體 )， 禁帶寬度 ?Eg = 3～ 6 eV ? 一般的熱激發(fā) 、 光激發(fā)或外加電場不太強時 ， 滿帶中的電子很難能越過禁帶而被激發(fā)到空帶上去 。 ? 當外電場非常強時 ， 電子有可能越過禁帶躍遷到上面的空帶中去形成電流 ， 這時絕緣體就被擊穿而變成導(dǎo)體了 。 E 空帶 空帶 滿帶 禁帶 Δ Eg=3～ 6eV 在外電場的作用下 ， 共有化電子很難接受外電場的能量 ， 所以形不成電流 。 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體 (Intrinsic Semiconductor)是指純凈的半導(dǎo)體 ，導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間 。 (1) 能帶結(jié)構(gòu) E 空帶 滿帶 Δ Eg=～ 2eV 禁帶 本征 (純凈 )半導(dǎo)體 和絕緣體相似 ， 只是半導(dǎo)體的禁帶寬度很小 (ΔEg= ～2eV) 加熱 、 光照 、 加電場都能把電子從滿帶激發(fā)到空帶中去 ， 同時在滿帶中形成 “ 空穴 ” (hole)。 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) (2) 導(dǎo)電機制 1. 電子導(dǎo)電 …… 半導(dǎo)體的載流子是電子 2. 空穴導(dǎo)電 …… 半導(dǎo)體的載流子是空穴 滿帶上的一個電子躍遷到空帶后 , 滿帶中出現(xiàn)一個空位 。 在電場作用下 ， 電子和空穴均可導(dǎo)電 ， 它們稱作 本征載流子 ； 它們的導(dǎo)電形成半導(dǎo)體的 本征導(dǎo)電性 。 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 例：半導(dǎo)體 CdS 滿 帶 空 帶 h? ?Eg= 這相當于產(chǎn)生了一個帶正電的粒子 (稱為“ 空穴 ” ) , 把電子抵消了 。 電子和空穴總是成對出現(xiàn)的 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 空帶 滿帶 空穴下面能級上的電子可以躍遷到空穴上來 ， 這相當于空穴向下躍遷 。 滿帶上帶正電的空穴向下躍遷也是形成電流，這稱為 空穴導(dǎo)電 。 ?Eg 在外電場作用下 , 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體中有兩種載流子 :自由電子和空穴 自由電子 空穴 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) v 在外電場作用下，電子的定向移動形成電流 + + + + + + + + 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 在外電場作用下，空穴的定向移動形成電流 + + + + + + + + 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) ?解 ? ???hchEg ??nm.s/msJ.Ehcgm a x51410614221031063619834?????????????上例中 ， 半導(dǎo)體 CdS激發(fā)電子 , 光波的波長最大多長？ 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 為什么金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而增大 ， 但半導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而降低 ？ 思考題： 答案見下一頁 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 電阻率的大小取決于電子濃度和電子遷移率 。 當溫度升高時 ,金屬導(dǎo)體自由電子濃度不變 ,但電子熱運動增加 ,從而定向運動的遷移率變小 ,電阻率增大 。 電阻率和溫度的關(guān)系 對于半導(dǎo)體 ,遷移率隨溫度變化小 。 載流子濃度隨溫度增高而增大 ,因此使電阻率變小 。 利用半導(dǎo)體材料對溫度反應(yīng)較敏感的特性制成的電阻器 ,稱為熱敏電阻 。 熱敏電阻有廣泛的應(yīng)用價值 。 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 雜質(zhì)半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體 (Impurity Semiconductor)：在純凈的半導(dǎo)體中適當摻入雜質(zhì) 可提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力 能改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電機制 按導(dǎo)電機制 ， 雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為 n型 (電子導(dǎo)電 )和 p型 (空穴導(dǎo)電 )兩種 。 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) (1) N型半導(dǎo)體 四價的本征半導(dǎo)體 Si、 Ge等 ， 摻入少量五價的 雜質(zhì) 元素 (如 P、 As等 )形成 電子型半導(dǎo)體 ， 也稱 n型半導(dǎo)體 。 Si14 — 1s22s22p63s23p2 Ge32 — 1s22s22p63s23p63d104s24p2 Si Ge 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) n型半導(dǎo)體 Si Si Si Si Si Si Si P 圖中摻入的五價 P原子在晶體中替代 Si的位置 ， 構(gòu)成與 Si相同的四電子結(jié)構(gòu) ， 多出的一個電子在雜質(zhì)離子的電場范圍內(nèi)運動 。 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 多余電子 磷原子 硅原子 + N型硅表示 Si P Si Si 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 空 帶 滿 帶 施主能級 ?ED ?Eg 由量子力學 ， 雜質(zhì)的多余電子的能級在禁帶中 ， 且緊靠空帶 (或?qū)?， 下同 )。 圖中能量差 ?ED～ 102eV ?ED ?? ?Eg (禁帶寬度 ) 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 施主 (donor)能級 ：這種雜質(zhì)能級因靠近空帶 ， 雜質(zhì)價電子極易向空帶躍遷 。 因向空帶供應(yīng)自由電子 ，