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1、第十四章第十四章激光和固体的量子理论激光和固体的量子理论下册下册1第十四章第十四章 激光和固体的量子理论激光和固体的量子理论 14.2 固体的能带结构固体的能带结构14.3 半导体半导体14.1 激光激光2 普通光源普通光源-自发辐自发辐射射 激光光源激光光源-受激辐射受激辐射 激光又名镭射激光又名镭射 (Laser)，它的全名是它的全名是“辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”。3一、一、激光的特点激光的特点空间相干性好空间相干性好 激光波面上各个点可以激光波面上各个点可以1 1、相干性极好相干性极好时间相干性好时间相干性好2 2、方向性极好方向性极好投射到月球（投射到月球（3838万公
2、里）光斑直径仅约万公里）光斑直径仅约相干长度可达几十公里相干长度可达几十公里做到都是相干做到都是相干光源光源发散角可小到发散角可小到 10 10-4-4 red（0.10.1）2 2公里公里 测地测地月距离精度达几厘米月距离精度达几厘米4脉冲瞬时功率可达脉冲瞬时功率可达10 14 W3 3、亮度和强度极高亮度和强度极高 强度强度：聚焦状态可达到聚焦状态可达到亮度亮度：B 可产生可产生108K的高温的高温 引起核聚变引起核聚变二二、种类：、种类：按工作物质分按工作物质分5 按工作方式分按工作方式分 连续式（功率可达连续式（功率可达104 W）脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达1014 W）
3、三三、波长：波长：极紫外极紫外可见光可见光亚毫米亚毫米(100 n m）（1.222 m m）固体（如红宝石固体（如红宝石Al2O3）液体（如某些染料）液体（如某些染料）气体（如气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAs）6一、粒子数按能级的统计分布一、粒子数按能级的统计分布 原子的激发原子的激发 由大量原子组成的系统，在温度不太低的由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布：玻耳兹曼统计分布：14.1 激光激光7 若若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比则两能级上的原子数目之比 数量
4、级估计：数量级估计：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11eV;8但要产生激光必须使原子激发但要产生激光必须使原子激发;且且 N2 N1,称粒子数布居反转称粒子数布居反转.原子激发的几种基本方式：原子激发的几种基本方式：1气体放电激发气体放电激发 2原子间碰撞激发原子间碰撞激发 3光激发光激发(光泵光泵)9 二、自发辐射二、自发辐射 受激辐射和吸收受激辐射和吸收 设设 N1、N2 单位体积中处于单位体积中处于E1、E2 能级的原子数。能级的原子数。单位体积中单位时间内，单位体积中单位时间内，从从E2 E1自发辐射自发辐射 的原子数：的原子数：E2E1N2
5、N1h 1、自发辐射、自发辐射10写成等式写成等式 21 自发辐射系数，单个原子在单位自发辐射系数，单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。时间内发生自发辐射过程的概率。各原子自发辐射的光是独立的、各原子自发辐射的光是独立的、无关的无关的 非相干光非相干光。11 若入射光子的能量若入射光子的能量h 等于原子高、等于原子高、低低能级的能量差能级的能量差E2 E1 且高能级上有原子存且高能级上有原子存在时，入射光子的电磁场就会在时，入射光子的电磁场就会诱发诱发原子从原子从高能级高能级跃迁跃迁到低能级到低能级;同时同时放出一个与入射放出一个与入射光子光子完全相同完全相同的光子。的光子。2、受激
6、辐射受激辐射12全同光子全同光子:h E2E1N2N1频率频率 相位相位 振动方向振动方向传播方向传播方向 相同相同受激辐射有光放大作用受激辐射有光放大作用设设 （、）温度为温度为时时,频率为频率为 =(E2-E1)/h附近，单位频率间隔的附近，单位频率间隔的 外来光的能量密度。外来光的能量密度。13 单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从E E 受激辐射的原子数：受激辐射的原子数：写成等式写成等式 B21受激辐射系数受激辐射系数14W21 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。受激辐射过程的概率。则则受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、受激辐射光与外
7、来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同相位及传播方向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。令令 W21=B21 （、T）153、吸收吸收E2E1N2N1h 上述外来光也有可能被吸收，使原子上述外来光也有可能被吸收，使原子 从从E1E2。单位体积中单位时间内因吸收外来光而从单位体积中单位时间内因吸收外来光而从 E1E2 的原子数：的原子数：16写成等式写成等式 B12 吸收系数吸收系数令令 W12=12 (、T)W12 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。吸收过程的概率。17A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在爱因斯坦在
8、19171917年从理论上得出年从理论上得出爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。获得激光奠定了理论基础。没有实验家没有实验家,理论家就会迷失方向。理论家就会迷失方向。没有理论家没有理论家,实验家就会迟疑不决。实验家就会迟疑不决。B21 =B1218三、粒子数布居反转三、粒子数布居反转1、为何要粒子数反转、为何要粒子数反转从从E2 E1 自发辐射的光，可能引起自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。受激辐射过程，也可能引起吸收过程。19必须必须 N2 N1（粒子数布居反转）。粒子数布居反转）。因因 B21=B12
9、 W21=W12产生激光必须产生激光必须 条件：条件：1.1.激活物质激活物质 （能实现粒子数（能实现粒子数反转的物质）反转的物质）2.2.激励能源激励能源 （能量输入系统）（能量输入系统）202、粒子数反转举例粒子数反转举例 例例.He一一Ne 气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转 He-Ne 激光器中激光器中He是辅助物质，是辅助物质，Ne是是激活物质激活物质，He与与 Ne之比为之比为51 1011。21亚稳态亚稳态 电子碰撞电子碰撞 碰撞转移碰撞转移 亚稳态亚稳态22He-Ne激光管的工作原理：激光管的工作原理：由于由于电子的碰撞电子的碰撞,He被激发被激发(到到2 23 3S
10、和和2 21 1S能能级级)的概率比的概率比 Ne 原子被激发的概率大；原子被激发的概率大；在在He 的的2 23 3S，2 21 1S这两个能级都是亚稳态，这两个能级都是亚稳态，很难回到基态；很难回到基态；在在He的这两个激发态上的这两个激发态上 集聚了较多的原子。集聚了较多的原子。由于由于Ne的的 5 5S 和和 4 4S与与 He的的 2 21 1S和和 2 23 3S的的 能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容 易产生能量的易产生能量的“共振转移共振转移”；23（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少
11、下能级的粒子数）还要设法减少下能级的粒子数）正好正好Ne的的5 5S，4 4S是是亚稳态，下能级亚稳态，下能级 4 4P，3 3P 的寿命比上能级的寿命比上能级5 5S，4 4S要短得多要短得多，这样就可以形成粒子数的反转。这样就可以形成粒子数的反转。在碰撞中在碰撞中 He 把能量传递给把能量传递给 Ne而回到基态，而回到基态，而而 Ne则被激发到则被激发到 5 5S 或或 4 4S；24 放电管做得比较细放电管做得比较细（毛细管）（毛细管），可使原子，可使原子 与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，3 3 S态态 的的Ne原子可以将能量交给管壁发生原子可以将能量交给管壁
12、发生 “无辐射跃迁无辐射跃迁”而回到基态，而回到基态，以及时减少以及时减少3 3S态的态的Ne原子数，原子数，有利于激光下能级有利于激光下能级4 4P与与3 3P态的抽空。态的抽空。25 Ne原子原子可以产生多条激光谱线可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条图中标明了最强的三条:06328 115 m 339 它们都是从亚稳态到非亚稳态、它们都是从亚稳态到非亚稳态、非基态非基态之间发生的，之间发生的，因此较易实现粒子数反转。因此较易实现粒子数反转。26三、光学谐振腔三、光学谐振腔 激光器有两个反射镜，它们构成一个激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。光学谐振腔。激励能源激励能源 全反
13、射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光 为了为了强化强化光放大，应使受激辐射光反光放大，应使受激辐射光反复复多次通过多次通过激活物质。激活物质。实现这一目的的装置是实现这一目的的装置是光学谐振腔光学谐振腔27光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用：1、使激光具有极好的、使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）；（沿轴线）；2、增强、增强光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）；3、使激光具有极好的、使激光具有极好的单色性单色性（选频）。（选频）。282 2、激励能源激励能源 3 3、光学谐振腔光学谐振腔保证光放大保证光放大使激光有良好的使激光有良好的方向性和方向性和单色性单色性使
14、原子激发使原子激发 维持粒子数反转维持粒子数反转激光器的三个主要组成部分激光器的三个主要组成部分1 1、激活介质激活介质有合适的能级结构有合适的能级结构 能实现粒子数反转能实现粒子数反转29四、激光的特性及其应用四、激光的特性及其应用方向性极好的强光束方向性极好的强光束 -准直、测距、切削、武器等。准直、测距、切削、武器等。相干性极好的光束相干性极好的光束 -精密测厚、测角，全息摄影精密测厚、测角，全息摄影等。等。利用激光高强度利用激光高强度 良好的聚焦性（平行性）良好的聚焦性（平行性）迅速迅速 非接触非接触 可在空气中进行可在空气中进行焊接焊接(烧熔烧熔)：可加工硬质合金钻石等可加工硬质合金
15、钻石等钻孔钻孔(烧穿烧穿)：加工加工30刻制光栅等刻制光栅等绘制集成电路图绘制集成电路图如芯片电路的准确分割如芯片电路的准确分割切割切割(连续打孔连续打孔)：调节精密电阻调节精密电阻 测量：测量：准直、测距等准直、测距等 医疗：医疗：激光手术刀激光手术刀 血管内窥镜血管内窥镜治癌等治癌等 军事：军事：激光制导激光制导 激光炮等激光炮等 核技术：核技术：激光分离同位素激光分离同位素（还利用了频率准确的特点）（还利用了频率准确的特点）激光核聚变激光核聚变（107109K,氘氘氚小弹丸）等氚小弹丸）等31激光雷达（分辨率高，可测云雾）等激光雷达（分辨率高，可测云雾）等利用激光极好的相干性：利用激光极
16、好的相干性：测量：测量：精密测长、精密测长、测角，测角，测流速测流速(10-5104m/s)定向定向(激光陀螺激光陀螺)测电流电压（磁光效应）测电流电压（磁光效应）准确测定光速准确测定光速 c（定义定义1m=c/299752458）全息技术：全息技术：全息存储全息存储全息测量全息测量全息电影全息电影全息摄影等全息摄影等32抗干扰性强抗干扰性强 探测：探测：微电子器件表面探测微电子器件表面探测（激光（激光原子力原子力显微镜可测显微镜可测25个原子厚度的起伏变化个原子厚度的起伏变化)单原子探测单原子探测（利用光谱分析能测出（利用光谱分析能测出1020个原子中的一个原子）个原子中的一个原子）激光光纤
17、通讯：激光光纤通讯：载波频率高（载波频率高（10111015Hz）信息容量大信息容量大 清晰清晰 功耗小功耗小分子雷达分子雷达（可探测活细胞内的新陈代谢过程）可探测活细胞内的新陈代谢过程）33 激光核聚变激光核聚变 这是激光这是激光NOVA靶室，在靶室内十束激光同时聚向靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。34 激光焊接激光焊接高能激光（能产生约高能激光（能产生约5500 oC的高温）的高温）把大块硬质材料焊接在一起把大块硬质材料焊接在一起35用激光使脱落的视网膜再复位用激光使脱落的视网膜再复位（目前已是常规的
18、医学手术）（目前已是常规的医学手术）36用脉冲的染料激光（波长用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素沉着处理皮肤色素沉着处理前处理前处理后处理后37 激光光纤通讯激光光纤通讯由于光波的频率由于光波的频率比电波的频率高比电波的频率高好几个数量级，好几个数量级，一根极细的光纤一根极细的光纤 能承载的信息量，能承载的信息量，相当于图片中这相当于图片中这麽粗的电缆所能麽粗的电缆所能承载的承载的信息量。信息量。38激光手术刀激光手术刀（不需开胸，不住院）（不需开胸，不住院）照明束照明束照亮视场照亮视场 纤维镜纤维镜激光光纤激光光纤成象成象 有源纤维有源纤维强激光强激光使堵塞物熔化使堵塞物熔化臂动
19、脉臂动脉主动脉主动脉冠状动脉冠状动脉内窥镜内窥镜附属通道附属通道有源纤维有源纤维套环套环纤维镜纤维镜照明束照明束 附属通道附属通道 （可注入气或液）（可注入气或液）排除残物以明视线排除残物以明视线 套环套环 （可充、放气）（可充、放气）阻止血流或使血流流通阻止血流或使血流流通39激光激光 原子力显微镜原子力显微镜(AFM)用一根钨探针或硅用一根钨探针或硅探针在距试样表面探针在距试样表面几毫微米的高度上几毫微米的高度上反复移动反复移动,来探测固来探测固体表面的情况。体表面的情况。试样通常是试样通常是微电子器件。微电子器件。激光激光-原子力显微镜原子力显微镜（AFM）激光器激光器分束器分束器布喇格
20、室布喇格室棱镜棱镜检测器检测器反馈机构反馈机构接计算机接计算机微芯片微芯片压电换能器压电换能器压电控制装置压电控制装置40 探针尖端在工作时处于受迫振动状态，探针尖端在工作时处于受迫振动状态，其频率接近于探针的共振频率。其频率接近于探针的共振频率。探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯吸引力的作用时，其共振频率发生变化，吸引力的作用时，其共振频率发生变化，因而振幅也随之改变。因而振幅也随之改变。为了跟踪尖端的振动情况，将一束激光分成为了跟踪尖端的振动情况，将一束激光分成两束，其中一束通过棱镜反射，另一束则两束，其中一束通过棱镜反射，另一束则穿过布喇格室，然后从探针背面
21、反射回来。穿过布喇格室，然后从探针背面反射回来。41可检测出尺度小至可检测出尺度小至 5毫微米毫微米的表面起伏变化。的表面起伏变化。用于检查微电路成品，用于检查微电路成品，检查制作微电路用的硅表面的质量。检查制作微电路用的硅表面的质量。这两束光重新会合后发生干涉，这两束光重新会合后发生干涉，根据干涉的情况可知探针振动的变化情况。根据干涉的情况可知探针振动的变化情况。据此可探知试样据此可探知试样表面的原子起伏情况。表面的原子起伏情况。随着微电子电路技术的进展，硅基片随着微电子电路技术的进展，硅基片表面的不平坦度如果超过几个原子厚度就表面的不平坦度如果超过几个原子厚度就将被认为是不合格的。将被认为
22、是不合格的。42一、电子共有化一、电子共有化 固体具有大量分子、原子或离子有固体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构。规则排列的点阵结构。电子受到周期性势场的作用。电子受到周期性势场的作用。d一维正离子形成的库仑势场一维正离子形成的库仑势场 14.2 固体的能带结构固体的能带结构43 解定态薛定格方程解定态薛定格方程(略），可以得略），可以得出两点重要结论：出两点重要结论：.电子的能量是量子化的电子的能量是量子化的;.电子的运动有隧道效应。电子的运动有隧道效应。原子的外层电子原子的外层电子(高能级高能级)，势垒穿势垒穿透概率较大，透概率较大，电子可以在整个固体中运电子可以在整个固体中运
23、动动,称为称为共有化电子。共有化电子。原子的内层电子与原子核结合较紧原子的内层电子与原子核结合较紧,一般不是一般不是 共有化电子。共有化电子。二、自由电子模型二、自由电子模型44例如：铜原子例如：铜原子.单位体积内的离子数：单位体积内的离子数：铜离子间距：铜离子间距：（相当于小正方体）（相当于小正方体）当金属中电子的德布罗意波长远远大于当金属中电子的德布罗意波长远远大于离子间距时（离子间距时（），金属中的），金属中的共有化共有化电子电子可视为可视为“自由电子自由电子”。45在室温（在室温（T=300K）下，电子的方均根速率为：下，电子的方均根速率为：相应的德布罗意波长为：相应的德布罗意波长为：
24、可见，可见，铜块中的电子可以视为自由电子铜块中的电子可以视为自由电子46三、自由电子在三维无限深方势阱中三、自由电子在三维无限深方势阱中薛定谔方程：薛定谔方程：解薛定谔方程得：解薛定谔方程得：47固体中自由电子数随能量的分布固体中自由电子数随能量的分布 在绝对零度的情况下，金属中的自由电在绝对零度的情况下，金属中的自由电子可能占据的最高能级为子可能占据的最高能级为费米能级费米能级 在绝对零度时，小于费米能级的量子态在绝对零度时，小于费米能级的量子态都被电子占据；大于费米能级的量子态都没都被电子占据；大于费米能级的量子态都没有电子。有电子。48 在在常温常温下，金属中自由电子的能量下，金属中自由
25、电子的能量分布与分布与T=0K时的能量分布时的能量分布差别不大差别不大。在常温下，金属中绝大多数电子不可在常温下，金属中绝大多数电子不可能跃迁到费米能级以上的能跃迁到费米能级以上的 空能级；只有在空能级；只有在费米能级以下紧邻的能量在约费米能级以下紧邻的能量在约0.03ev的能的能量薄层内的电子才可能跃迁到费米能级上量薄层内的电子才可能跃迁到费米能级上面邻近的空能级。面邻近的空能级。49一一、能带能带 量子力学计算表明，固体中若有量子力学计算表明，固体中若有N个个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级原来孤立原子的每一个能级,变成了变成
26、了N条靠条靠得很近的能级得很近的能级,称为称为 能带能带。14.3 固体的能带结构固体的能带结构固体中的电子能级有什么特点？固体中的电子能级有什么特点？50能带的宽度记作能带的宽度记作 E，数量级为数量级为 EeV。若若N1023,则能带中两能级的间距约则能带中两能级的间距约10-23eV。一般规律：一般规律：1、越是外层电子，能带越宽，、越是外层电子，能带越宽，E越大。越大。2、点阵间距越小，能带越宽，、点阵间距越小，能带越宽，E越大。越大。3、两个能带有可能重叠。、两个能带有可能重叠。51离子间距离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图能带重叠示意图52二、能带中电子的排布二、能带中电子的
27、排布 固体中的一个电子只能处在某个能带中固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上。的某一能级上。排布原则：排布原则：、服从泡利不相容原理、服从泡利不相容原理、服从能量最小原理、服从能量最小原理设孤立原子的一个能级设孤立原子的一个能级 Enl ，它它最多能容最多能容纳纳 2(2 +1)个电子。个电子。这一能级分裂成由这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后，条能级组成的能带后，能带最多能容纳能带最多能容纳(2 +1)个电子。个电子。53 电子排布时，应从最低的能级排起。电子排布时，应从最低的能级排起。三、有关能带被占据情况的几个名词三、有关能带被占据情况的几个名词 1、满带（排满电子）、满带
28、（排满电子）2、价带（能带中一部分能级排满电子）、价带（能带中一部分能级排满电子）亦称导带亦称导带 3、空带（未排电子）、空带（未排电子）亦称导带亦称导带 4、禁带（不能排电子）、禁带（不能排电子）2、能带，最多容纳、能带，最多容纳 6个电子。个电子。例如，例如，1、能带，最多容纳、能带，最多容纳 2个电子。个电子。(2 +1)54四、四、导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 它们的导电性能不同，它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。是因为它们的能带结构不同。固体按导电性能的高低可以分为固体按导电性能的高低可以分为导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体55导体导体导体导体导体导体半导体半
29、导体绝缘体绝缘体 Eg Eg Eg56 在外电场的作用下，大量共有化电子很在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。易获得能量，集体定向流动形成电流。从能级图上来看，从能级图上来看，是因为其共有化电子是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。很易从低能级跃迁到高能级上去。E1、导体、导体57 从能级图上来看，是因为满带与空带之从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个间有一个较宽的禁带较宽的禁带（Eg 约约36 eV），），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。高能级（空带）上去。在外电场的作用下，共有化电
30、子很难接在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以不能形成电流。受外电场的能量，所以不能形成电流。满带与空带之间也是禁带，满带与空带之间也是禁带，但是但是禁带很窄禁带很窄（E g 约约0.12 eV )。2、绝缘体、绝缘体3、半导体、半导体58绝缘体与半导体的击穿绝缘体与半导体的击穿当外电场非常强时，它们的共有化电子还是当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中的。能越过禁带跃迁到上面的空带中的。绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体59四、半导体的导电机构四、半导体的导电机构1、本征半导体、本征半导体 本征半导体是指本征半导体是指纯净的纯净的半导体。半导体。本
31、征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。介绍两个概念：介绍两个概念：(1)电子导电电子导电半导体的载流子是电子半导体的载流子是电子(2)空穴导电空穴导电半导体的载流子是空穴半导体的载流子是空穴满带上的一个电子跃迁到空带后满带上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现一个空位。满带中出现一个空位。60例例.半导体半导体 Cd S（硫化镉）硫化镉）满满 带带空 带h Eg=2.42eV 这相当于产生了一个带正电的粒子这相当于产生了一个带正电的粒子(称为称为“空穴空穴”),把电子抵消了。把电子抵消了。电子和空穴总是成对出现的。电子和空穴总是成对出现的。61空带空带满带
32、满带空穴下面能级上空穴下面能级上的电子可以跃迁的电子可以跃迁到空穴上来到空穴上来,这相当于空穴这相当于空穴向下跃迁。向下跃迁。满带上带正电的满带上带正电的空穴向下跃迁也空穴向下跃迁也形成电流形成电流,这称为这称为空穴导电空穴导电。Eg在外电场作用下在外电场作用下,62解解：上例中上例中,半导体半导体 Cd S（硫化镉）硫化镉）激发电子激发电子,光波的波长最大多长？光波的波长最大多长？63二二、杂质半导体杂质半导体、n型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体 Si（硅）、（锗）等，硅）、（锗）等，掺入少量掺入少量五价五价的的杂质杂质元素，如元素，如P（磷）、磷）、As（砷）等砷）等 形成
33、电子型半导体形成电子型半导体,称称 n 型半导体。型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处能级在禁带中紧靠空带处,ED10-2eV，极易形成电子导电。极易形成电子导电。该能级称为该能级称为施主能级施主能级64 n 型半导体型半导体 在在n型半导体中型半导体中 电子电子多数载流子多数载流子空空 带带满满 带带施主能级施主能级DEDDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴空穴少数载流子少数载流子65、p 型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体Si（硅）、硅）、e（锗）等，锗）等，掺入少量掺入少量三价三价的的杂质杂质元素，如（
34、硼）、元素，如（硼）、Ga（镓）、镓）、n（铟）等形成空穴型半导体，铟）等形成空穴型半导体，称称 p 型半导体。型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，能级在禁带中紧靠满带处，ED10-2eV，极易产生空穴导电。极易产生空穴导电。该能级称该能级称受主能级受主能级66空空 带带DED满满 带带受主能级受主能级 P型半导体型半导体SiSiSiSiSiSiSi+BDEg在在p型半导体中型半导体中 空穴空穴多数载流子多数载流子电子电子少数载流子少数载流子673、n型化合物半导体型化合物半导体 例如，化合物例如，化合物GaAs（砷化镓）中
35、掺（碲）砷化镓）中掺（碲），六价的，六价的Te替代五价的替代五价的As可形成施主能级，可形成施主能级，成为成为n型型GaAs杂质半导体。杂质半导体。4、型化合物半导体、型化合物半导体例如，化合物例如，化合物 GaAs中掺中掺Zn（锌），二价的锌），二价的Zn替代三价的替代三价的Ga（镓）可形成受主能级，镓）可形成受主能级，成为成为p型型GaAs杂质半导体。杂质半导体。问题：问题：现有硅（现有硅（Si）、）、硼（硼（B）、）、磷（磷（P）元素，预制成多数载流子为电子的半导体元素，预制成多数载流子为电子的半导体材料，如何制得？材料，如何制得？68三三.杂质补偿作用杂质补偿作用实际的半导体中既有施主
36、杂质（浓度实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），），又有受主杂质（浓度又有受主杂质（浓度na），），两种杂质有补偿作用：两种杂质有补偿作用：若若nd na为为n型（施主）型（施主）若若nd na为为p型（受主）型（受主）利用杂质的补偿作用，利用杂质的补偿作用，可以制成可以制成P结。结。69五五、pn结结1、pn结的形成结的形成在一块在一块 n 型半导体基片的一侧掺入型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为型半导体。补偿作用，该区就成为型半导体。由于区的电子向区扩散，区的由于区的电子向区扩散，区的空穴向区扩散，空穴向区扩散，在型半导
37、体和在型半导体和型半导体的交界面附近产生了一个电型半导体的交界面附近产生了一个电场场,称为称为内建场内建场。70内建场大到一定内建场大到一定程度程度,不再有净电不再有净电荷的流动，达到荷的流动，达到了新的平衡。了新的平衡。在型在型 n型交界面型交界面附近形成的这种特附近形成的这种特殊结构称为殊结构称为PN结，结，约约0.1 m厚。厚。pn结结n型型p型型内建场阻止电子内建场阻止电子和空穴进一步扩和空穴进一步扩散，记作散，记作 。71pn结处存在电势差结处存在电势差Uo 也阻止也阻止 N区区带负电的电子进带负电的电子进一步向一步向P区区扩散。扩散。它阻止它阻止 P区区带正电的空穴进带正电的空穴进
38、一步向一步向N区区扩散；扩散；U0电子能级电子能级电势曲线电势曲线电子电势能曲线电子电势能曲线pn结结72空带空带空带空带pn结结施主能级施主能级受主能级受主能级满带满带满带满带考虑到考虑到P结的存在，结的存在，半导体中电子的能量半导体中电子的能量应考虑进这内建场带应考虑进这内建场带来的电子附加势能。来的电子附加势能。电子的能带电子的能带出现弯曲现象。出现弯曲现象。732、pn结的单向导电性结的单向导电性(1)正向偏压正向偏压在在pn结结的的p型区接型区接电源正极，电源正极，叫正向偏压。叫正向偏压。阻挡层势垒被削弱、变窄，阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴有利于空穴向向n区运动，电子向区运动，
39、电子向p区运动，区运动，形成正向电流（形成正向电流（m级）。级）。p型型n型型I74外加正向电压越大，外加正向电压越大，正向电流也越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的而且是呈非线性的伏安特性伏安特性(图为锗管图为锗管)。V（伏）（伏）（毫安）（毫安）正向正向00.21.0I75(2)反向偏压反向偏压在在pn结的型区接电源负极结的型区接电源负极,叫反向偏压。叫反向偏压。阻挡层势垒增阻挡层势垒增大、变宽，大、变宽，不不利于空穴向利于空穴向区运动，也不区运动，也不利于电子向利于电子向P区运动区运动,没有没有正向电流。正向电流。p型型n型型I76但是，由于少数但是，由于少数载流子的存在，载流子的存在，会形成很弱的反会形成很弱的反向电流，向电流，当外电场很强当外电场很强,反向电压超过某一数值后，反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大反向电流会急剧增大-反向击穿。反向击穿。称为漏电流称为漏电流（级）。级）。击穿电压击穿电压V(伏伏)I-（微安）（微安）反向反向-20-30 利用利用PN结结可以做成具有整流、开关等作可以做成具有整流、开关等作用的晶体二极管用的晶体二极管。作业作业:14.5、14.6、14.8、14.1277