[教育]楊莉大物ii課件第18章.固體的能帶結構固體：晶體、非晶體

晶體特點：

有規則對稱的幾何外形；

物理性質(力、熱、電、光、……)各向異性；

有確定的熔點；

微觀上，分子、原子或離子呈有規則的周期性排列，形成長程有序的空間點陣(晶格)。一、晶體§18-1晶體*非晶體面心立方結構立方結構在晶體中，原子或離子周期性重復排列，形成晶格，或稱為空間點陣。金剛石體心立方二.非晶體非晶態也稱為無定形態或玻璃態，其中分子排列在小范圍的空間內是短程有序的，但與理想晶體相比，在次近鄰原子間的關系上就可能有顯著差別。SiO2三.晶體和非晶體的區別(1)晶體有一定對稱性的規則外形,非晶體則沒有。(2)晶體的物理性質是各向異性的，而非晶體是各向同性的。(3)晶體有一定的熔點，非晶體則沒有。(4)晶體在外力的作用下，容易沿著一定的平面(解理面)裂開，而非晶體沒有解理面。§18-2晶體中的電子能帶結構從泡利不相容原理出發來研究能帶的形成。1.電子的共有化晶體中原子排列的很緊密，因而各相鄰原子的波函數(或者說外電子殼層)將發生重疊。因此，各相鄰原子的外層電子，很難說是屬于那個原子，而實際上是處于為各鄰近原子乃至整個晶體所共有的狀態。這種現象稱為電子的共有化。。。Mg兩個Mg原子的情況。。Mg1s2s2p3s各原子間的相互作用

原來孤立原子的能級發生分裂。2.能帶的形成

若有N個原子組成一體系，對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，稱為能帶。能帶的寬度記作

E，

E～eV的量級。若N~1023，則能帶中兩相鄰能級的間距約10-23eV。能級能帶}

EN條能隙，禁帶幾個名詞：禁帶：兩個相鄰的能帶之間的能量間隔。在此間隔中，e不能處于穩定狀態，從而形成一個禁區。滿帶：能帶中所有的能級均被e填滿。滿帶中e沒有導電作用。空帶：能帶中所有的能級均沒有e填入。導帶：能帶中只填入部分e。價帶：最外層e所在的能帶。導帶中的能級未被占滿，一個電子在外力作用下向其它能級轉移時，不一定有相反方向的轉移來抵消，所以導帶具有導電作用。由于滿帶中所有能級都被電子占滿，因此一個電子在外力作用下向其它能級轉移時，必然伴隨著相反方向的轉移來抵消，所以滿帶是不導電的。3.電子在能帶中的填充和運動滿帶導帶§18-3半導體絕緣體導體的能帶1.半導體和絕緣體(電介質)的能帶從能帶上看，半導體和絕緣體的能帶沒有本質區別：都具有填滿電子的滿帶和隔離滿帶與空帶的禁帶。不同的是，半導體的禁帶較窄，而絕緣體的禁帶較寬。E空帶（導帶）滿帶

Eg=0.1

2eV禁帶(a)半導體的能帶T=0K時（絕緣體）E空帶

空帶

滿帶禁帶ΔEg=3～6eV(b)絕緣體的能帶絕緣體的禁帶一般很寬,一般的熱激發、光照或外加電場不是特別強時,滿帶中的電子很少能被激發到空帶中去,所以絕緣體有較大的電阻率，導電性極差。半導體的禁帶寬度較窄,在通常溫度下,有較多的電子受到熱激發從滿帶進入空帶,不但進入空帶的電子具有導電性能,而且滿帶中留下的空穴也具有導電性能。所以半導體的導電性雖不及導體但卻比絕緣體好得多。滿帶空帶禁帶(a)半導體的能帶E=0.12eVE滿帶空帶禁帶(b)絕緣體的能帶E=36eVE2.導體的能帶導體的能帶特點：都具有一個未被電子填滿的能帶。在外電場作用下，這些能帶中的電子很容易從一個能級躍入另一個能級，從而形成電流,所以導體顯示出很強的導電能力。

空帶

導帶E某些一價金屬，Li…

滿帶空帶E某些二價金屬，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…

導帶空帶E如:Na,K,Cu,Al,Ag…§18-4半導體的導電機構1.本征半導體半導體禁帶寬度較窄，通常溫度下，滿帶的電子可能受激進入空帶。進入空帶的電子和留在滿帶中的空穴在外電場作用下都可導電。這種導電稱為本征導電。具有本征導電的半導體，稱為本征半導體。參與導電的電子和空穴統稱本征載流子。價帶0.1~2eV半導體在純凈的半導體里,可以用擴散的方法摻入少量其他元素的原子(稱為雜質),摻有雜質的半導體稱為雜質半導體。雜質半導體的導電性能較之本征半導體有很大的改變。2.雜質半導體(1)N型半導體四價元素中摻入五價元素后,其中四個電子可以和鄰近的硅原子或鍺原子形成共價鍵,多余的一個電子成為自由電子。本征半導體Si、Ge等的四個價電子，與另四個原子形成共價結合，當摻入少量五價的雜質元素（如P、As等）時，形成了n型半導體。量子力學表明，這種摻雜后多余電子的能級在禁帶中緊靠空帶處，

E～10-2eV，極易形成電子導電。這種在禁帶中，并靠近導帶的邊緣的附加能級叫施主能級。施主—不斷向空帶輸送電子。容易看出，N型半導體的多數載流子是電子。施主能級與導帶底部之間的能量差值很小，通常溫度下，施主能級中的電子很容易被激發而躍遷到導帶去。大量自由電子的存在大大提高了半導體的導電性能。施主能級導帶(空)滿帶EE=10-2eV(2