固體分子軌道理論課件第一頁，共18頁。CONTANTS一晶體的勢能二晶體電子的共有化三能帶理論四導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體第二頁，共18頁。一晶體的勢能假定晶體原子由一個價電子和正離子組成，則單個原子勢能為：將勢能代入定態(tài)薛定諤方程并解，可得兩個重要結(jié)論：（1）電子的能量是量子化的；（2）電子的運(yùn)動有隧道效應(yīng)。第三頁，共18頁。一晶體的勢能

雙原子勢能是單原子勢能的疊加；“線”狀晶體勢能是線狀多原子勢能的疊加，如圖：第四頁，共18頁。二晶體電子的共有化從“線”狀晶體勢能曲線看：處于低能級E1的電子在“勢谷”中，勢能曲線是一種勢壘，電子穿透勢壘概率很小，可認(rèn)為它們處于束縛態(tài)；處于較高能級E2接近勢壘高度的電子，會因隧道效應(yīng)而穿越勢壘進(jìn)入另一個原子中，原來隸屬于某一原子的電子，此時為晶體的幾個原子共有，稱這些電子是共有化電子，稱這種由于晶體原子周期排列而使價電子不再為單個原子所有的現(xiàn)象為電子的共有化。第五頁，共18頁。固體能帶理論是在分子軌道理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該理論把晶體中所有的原子看成一個大分子。各原子的原子軌道相互作用，形成一系列分子軌道，其數(shù)目與原子軌道數(shù)目相同。三能帶理論第六頁，共18頁。三能帶理論●能帶：由于晶體中原子數(shù)目N極大，所以這些分子軌道之間的能級間隔極小，幾乎連成一片，原本孤立原子的一個能級，分裂成多條靠得很近的能級形成能帶。

能帶寬度記作?E，?E數(shù)量級<100eV，若N~1023，則能帶中兩能級間距約為10-21eV，便于電子能級間躍遷。第七頁，共18頁。三能帶理論●能帶中電子的排布一個電子只能處在某個能帶中的某一能級上，排布原則為：（1）服從泡利不相容原理；（2）服從能量最小原理。設(shè)孤立原子的一個能級En?,它最多能容納2(2?+1)個電子。這一能級分裂成由N條能級組成的能帶后，能帶最多能容納2N(2?+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。第八頁，共18頁。三能帶理論有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個名詞：1.滿帶：被電子填滿的能帶，滿帶不導(dǎo)電；2.導(dǎo)帶：由未充滿電子的能級所組成的高能量能帶稱為導(dǎo)帶（價帶），未被電子填充的能帶，叫做空帶；3.禁帶：滿帶與導(dǎo)帶之間的能量相差很大，電子不易逾越。第九頁，共18頁。四導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體（1）金屬導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)金屬的導(dǎo)帶與滿帶重疊或價帶未被電子填滿。導(dǎo)體在外電場的作用下，大量共有化電子極易獲得能量越入導(dǎo)帶，集體逆電場方向定向流動形成電流，表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性；當(dāng)溫度升高時，價電子熱運(yùn)動加劇，阻礙電子逆電場方向的運(yùn)動，所以一般金屬電阻隨溫度升高而變大。第十頁，共18頁。四導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體（2）絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)絕緣體的導(dǎo)帶是空帶，導(dǎo)帶與滿帶間的禁帶寬度相當(dāng)厚。?E3=3~6eV由于?E3較大，一般的熱激發(fā)、光激發(fā)或外加電場不太強(qiáng)時，滿帶中共有化電子電子很難躍遷到空帶，電子只能以極小的概率穿過勢壘到達(dá)空帶，形成微弱電流。

當(dāng)外電場足夠強(qiáng)，致使?jié)M帶中的共有化電子勢能大于?E3時，滿帶中的電子會雪崩式躍遷入導(dǎo)帶而形成電流，此時絕緣體變成導(dǎo)體，這就是點(diǎn)擊穿現(xiàn)象。當(dāng)絕緣體溫度升高時，滿帶中電子的熱運(yùn)動將有利于電子向?qū)кS遷，因此絕緣體的電阻隨溫度的升高反而降低。

第十一頁，共18頁。四導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體（3）半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體分本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體指純凈的不含雜質(zhì)和缺陷的理想半導(dǎo)體。能帶結(jié)構(gòu)是絕緣體能帶結(jié)構(gòu)的縮影，僅區(qū)別于禁帶寬度：?E2=0.1~2eV<?E3=3~6eV

半導(dǎo)體禁帶寬度較小，一般加熱、光照、加電場都能激發(fā)電子從滿帶到達(dá)導(dǎo)帶而形成電流，同時在滿帶中形成“空穴”，這表現(xiàn)為本征半導(dǎo)體的電阻比金屬大，比絕緣體小。

半導(dǎo)體的電阻也隨著溫度的升高而降低。第十二頁，共18頁。四導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體內(nèi)電子和空穴總成對出現(xiàn)，均稱本征載流子，形成本征半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電性。電子導(dǎo)電——半導(dǎo)體的載流子是電子空穴導(dǎo)電——半導(dǎo)體的載流子是空穴空穴導(dǎo)電：在外電場作用下，空帶中的電子逆電場方向運(yùn)動，與此同時，滿帶中的電子也將逆電場方向逐個填補(bǔ)空穴，其效果相當(dāng)于空穴順電場方向的運(yùn)動。例如硅（Si）和鍺（Ge）等，它們是四價元素，有四個價電子，因此每個原子周圍有著對稱分布的8個電子。第十三頁，共18頁。四導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體四價本征半導(dǎo)體硅、鍺等摻入少量五價雜質(zhì)P、As等,即使摻入百萬分之一的微量，也會顯著改變半導(dǎo)體的性質(zhì)，稱這種半導(dǎo)體為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

這是因為砷(As)有5個價電子，使硅砷相鄰處的電子分布似乎“多了”一個電子，構(gòu)成電子型雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱n型半導(dǎo)體。

參雜后多余電子的能級在禁帶中緊靠空帶處，n型半導(dǎo)體這種多余電子在禁帶上部形成的新能級，叫施主能級。n型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是電子。第十四頁，共18頁。四導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

四價本征半導(dǎo)體硅、鍺等摻入少量三價雜質(zhì)B、Ga等，也會顯著改變其物理性質(zhì)，構(gòu)成雜質(zhì)半導(dǎo)體。

由于鎵只有3個價電子，使鍺鎵相鄰處電子分布似乎“多了”一個空穴，構(gòu)成空穴型雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱p型半導(dǎo)體。

參雜后多余空穴的能級在禁帶中緊靠滿帶處，p型半導(dǎo)體這種多余空穴在禁帶下部形成的新能級，叫受主能級。p型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是空穴。

雜質(zhì)補(bǔ)償作用：實際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)(濃度nd)，又有受主雜質(zhì)(na),兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償作用：若nd>na為n型，若nd<na為p型。第十五頁，共18頁。THANKS第十六頁，共18頁。人有了知識，就會具備各種分析能力，明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書，廣泛閱讀，古人說“書中自有黃金屋?！蓖ㄟ^閱讀科技書籍