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1、固體物理講稿5.6導體絕緣體和半導體(書5.3)[重點概念滿帶導帶近滿帶空帶空穴導體絕緣體半導體本征半導體雜質半體施主受主難點空穴]一.滿帶電子不導電滿帶一個能帶的所有狀態(tài)都被電子占據稱為滿帶r由于電子k狀態(tài)的對稱性如Errrr右面一維圖及v(k)=?v(?k)rrrri(k)=?i(?k)加外電場后仍無宏觀電流二.導帶電子導電k導帶能帶中只有部分能級被電子占據無外場時由于電子狀態(tài)的對稱性無宏觀電流加外場后破壞了電子狀態(tài)的對稱性便產生了宏觀電流EEKK三.近滿帶空穴導電近滿帶能帶頂部少量能級沒有電子空穴的概念我們關心的是近滿帶在宏觀上
2、表現出的電流和電流的變化rr1.已知滿帶對電流的貢獻為零電子的電量-e<0電子的速度為v(k)rrrr電子電流i(k)=?ev(k)頂部電子的有效質量m*<0r2.近滿帶電流若缺少一個k態(tài)電子與不缺少該電子的滿帶比較近滿帶的rrr電流為I(k)=+ev(k)r3.頂部缺少一個k態(tài)電子的近滿帶在電磁場中電流的變化rrrrrrrrrdrdv?e[ε+v(k)×B]e[ε+v(k)×B]I(k)=e=e=e???dtdtm?mrr?與電量為+e有效質量為?m>0而速度為v(k)與該電子相同的粒子所產生結果相同4.空穴在滿帶頂部若有少數個狀態(tài)
3、沒有被電子占據則我們可以認為存561固體物理講稿?在一種帶正電荷e有效質量為?m>0其運動速度和占據這些狀況的電子完全一樣的假想粒子這種假想粒子就稱為空穴5.引入空穴的意義使處理近滿帶大量電子的問題化為只處理少量空穴的問題使導體和半導體中許多現象和性質的解釋和計算大為簡化如對正霍耳系數的解釋近滿帶眾多電子的運動可等效成少量空穴的運動在外電場中空穴的運動形成宏觀電流四.三維晶體可發(fā)生能帶重迭(E)>(E)nmaxn+1minkccabkaboabkacdkca五.導體有導帶電子導電[價帶對應孤立原子最外層電子能級的能帶為價帶]1.如Na
4、K等其價電子N個只能使價帶半滿形成導帶2.如MgZnCd等因能帶重迭形成導帶和近滿帶六.絕緣體滿帶+寬禁帶36eV+空帶空帶所有狀態(tài)都沒有被電子占據的能帶七.半導體1.本征半導體無任何雜質的半導體熱激發(fā)滿帶窄禁帶空帶??→?近滿帶(空穴導電)窄禁帶導帶(電子導電)窄禁帶0.12eV禁帶寬度舉例見下頁表一熱激發(fā)??→?2.雜質半導體有雜質存在的半導體N型半導體電子導電滿帶禁帶中的施主能級導帶(電子導電)562固體物理講稿施主這種雜質可以提供電子其能級在帶隙中靠近空→導帶見表二P型半導體空穴導電近滿帶(空穴導電)禁帶中的受主能級空帶受主這
5、種雜質可以接受電子其能級在帶隙中靠近滿→近滿帶見表二附表一禁帶寬度舉例絕緣體禁帶寬度(eV)半導體禁帶寬度(eV)金剛石C5.33硅Si1.14氧化鋅ZnO3.2鍺Ge0.67氯化銀AgCl3.2碲Te0.33硫化鈣CaS2.42砷化鎵GaAs1.43附表二禁帶中施主受主能級到能帶的距離?E舉例半導體禁帶寬度(eV)施主能級(eV)受主能級(eV)砷As0.0127硼B(yǎng)0.0104鍺Ge0.67磷P0.0120鎵Ga0.0108銻Sb0.0097銦In0.0112砷As0.049硼B(yǎng)0.045硅Si1.14磷P0.045鎵Ga0.06
6、5銻Sb0.039銦In0.016563固體物理講稿附空穴與滿帶頂部電子的比較滿帶頂部電子空穴電量-e<0e>0有效質量m*<0-m*>0rrrr速度v(k)v(k)r設有外電場ε→→則受力←→加速度→→[參考價電子一般指原子最外[層能參與組成化學鍵的電子但對某些元素特別是過渡元素的原子中有時也包括次外層電子在內]564
