《导体半导体与绝缘体 精选PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《导体半导体与绝缘体 精选PPT.ppt（19页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、1第1页，此课件共19页哦由于由于是是的周期函数的周期函数布里渊区中空出的部分与离开的部分相同布里渊区中空出的部分与离开的部分相同整个能带中电子分布情况实际上没有变化整个能带中电子分布情况实际上没有变化因此因此满带在电场作用下不导电满带在电场作用下不导电结论结论6.7.1 能带的填充与导电性能带的填充与导电性2第2页，此课件共19页哦如果能带不满，只有部分状态被电子占据，如果能带不满，只有部分状态被电子占据，则在电场作用下，则在电场作用下，整个电子分布向电场反方向移动，整个电子分布向电场反方向移动，如下图，这时沿电场正、反方向运动的电子数不相等，如下图，这时沿电场正、反方向运动的电子数不相等，
2、破坏了原来的对称分布，总的电流不为零，所以破坏了原来的对称分布，总的电流不为零，所以不满带可以导电不满带可以导电。P125-图图6.11 电场作用下不满带中的电子分布示意图电场作用下不满带中的电子分布示意图 EEKKKKVV3第3页，此课件共19页哦排了电子但未排满的称为排了电子但未排满的称为未未(不不)满带满带未排电子的称为未排电子的称为空带空带。两个能带之间的两个能带之间的禁带禁带是不能排电子的。是不能排电子的。1满带不导电满带不导电2不满不满能能带才有导电性带才有导电性4第4页，此课件共19页哦6.7.2 电子与空穴电子与空穴 只有不满的能带才有导电的功能，其电流只有不满的能带才有导电的
3、功能，其电流的载流子自然是电子。的载流子自然是电子。但当一个能带只含但当一个能带只含有少量的空状态而大部分状态被电子占据有少量的空状态而大部分状态被电子占据时，我们时，我们称这些空状态为称这些空状态为空穴空穴。为描述这为描述这种近满能带的导电性，通常不用其中的大种近满能带的导电性，通常不用其中的大量电子而用少量的空穴，可以使问题大为量电子而用少量的空穴，可以使问题大为简化也更为直观简化也更为直观。5第5页，此课件共19页哦可以证明，缺少一个电子的能带所产生的电流与一可以证明，缺少一个电子的能带所产生的电流与一个带正电荷的载流子以速度个带正电荷的载流子以速度 运动时所产生的电运动时所产生的电流相
4、同。这样，缺少一个电子的能带其所有流相同。这样，缺少一个电子的能带其所有2N-1个电子对电流的贡献便可以归结为一个带正电荷个电子对电流的贡献便可以归结为一个带正电荷e的的空穴的贡献。空穴的贡献。可以把空穴看成具有正有效质量可以把空穴看成具有正有效质量 的准粒子的准粒子。因此，因此，晶体中的载流子除晶体中的载流子除电子电子外还可以有外还可以有空穴空穴，既可以，既可以单独存在单独存在也可以也可以同时存在同时存在。6第6页，此课件共19页哦6.7.3导体、半导体与绝缘体的区分导体、半导体与绝缘体的区分既然满带电子不导电只有不满带电子才有既然满带电子不导电只有不满带电子才有导电性，所以根据能带结构及其
5、填充情况导电性，所以根据能带结构及其填充情况就可以判断晶体是否为导体。当原子结合就可以判断晶体是否为导体。当原子结合成晶体后，原子的内层满壳层电子将填满成晶体后，原子的内层满壳层电子将填满相应的一系列能带，这些电子的数量虽然相应的一系列能带，这些电子的数量虽然很大，但不参与导电，很大，但不参与导电，只须考虑外层价电只须考虑外层价电子的能带填充情况就可以判断晶体的导子的能带填充情况就可以判断晶体的导电性电性。7第7页，此课件共19页哦1 能量最高的满带与最低的空带有重叠，能量最高的满带与最低的空带有重叠，结果两个能带都不满，晶体仍是结果两个能带都不满，晶体仍是导体导体。2 能量最高的满带与最低的
6、空带没有重能量最高的满带与最低的空带没有重叠，被禁带分开，这种晶体是叠，被禁带分开，这种晶体是绝缘体绝缘体或或半半导体导体。8第8页，此课件共19页哦导体导体，在外电场的作用下，大量共有化电子很易获，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。得能量，集体定向流动形成电流。绝缘体绝缘体：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。从能级图上来看，是因为场的能量，所以形不成电流。从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（满带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg 约约36 eV），共有化电子很难从低能级
7、（满带）跃迁到高能级（空），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。带）上去。半导体半导体：的能带结构：的能带结构,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3 eV以下以下 )。9第9页，此课件共19页哦称最高的满带为称最高的满带为价带价带，最低的空带为最低的空带为导带导带。电子可以从价带激发到导带，价带中产生电子可以从价带激发到导带，价带中产生空穴，导带中出现电子，空穴和电子都参空穴，导带中出现电子，空穴和电子都参与导电成为与导电成为载流子载流子。10第10页，此课件共19页哦P127图图6.12导体、半导体与绝缘体的能带模型导
8、体、半导体与绝缘体的能带模型 导体导体A 半导体半导体B 绝缘体绝缘体C EF EF Eg 价带价带导带导带最高的满带最高的满带最低的空带最低的空带导带导带价带价带满带满带部分部分填充填充能带能带11第11页，此课件共19页哦导体与半导体的区别导体与半导体的区别在金属导体中在金属导体中，载流子一般为电子，载流子一般为电子，一般一般载流子的浓度载流子的浓度n是确定的是确定的与温度无关与温度无关。而在半导体中而在半导体中，在绝对零度下没有载流子，在绝对零度下没有载流子，只有在只有在T0时，由于热激发，导带中才有时，由于热激发，导带中才有电子，同时价带中出现空穴，电子，同时价带中出现空穴，所以载流子
9、所以载流子的浓度的浓度n与温度密切相关与温度密切相关，一般随，一般随T按指数按指数规律变化规律变化12第12页，此课件共19页哦金属金属电阻率电阻率随随T上升而增大上升而增大 总总的的说说来，来，导导体与半体与半导导体的区体的区别别最关最关键键的因素是能的因素是能带结带结构不同。构不同。T金属金属半导体半导体电阻率电阻率半导体的电阻率即温度上升半导体的电阻率即温度上升而而下降下降13第13页，此课件共19页哦6.8 能带理论的能带理论的主要成就主要成就 一一 能带理论的主要成就：能带理论的主要成就：1指出晶体中电子的能谱分成许多能带。晶体的性质决指出晶体中电子的能谱分成许多能带。晶体的性质决定
10、于其能带结构及电子的填充情况，这就为理解晶体的各定于其能带结构及电子的填充情况，这就为理解晶体的各种物理性质提供理论基础。种物理性质提供理论基础。2根据能带结构及电子的填充情况可区分晶体的根据能带结构及电子的填充情况可区分晶体的导电性质，说明为什么可以区分导体、半导体与绝导电性质，说明为什么可以区分导体、半导体与绝缘体。缘体。3现有的半导体材料与器件是在能带理论的基础现有的半导体材料与器件是在能带理论的基础上建立与发展的，所取得上建立与发展的，所取得的成就有目共睹的成就有目共睹 14第14页，此课件共19页哦二二 能带理论的局限性能带理论的局限性 不能解释超导，铁磁性等，即使在判断晶体是否是导
11、体时，也不是所不能解释超导，铁磁性等，即使在判断晶体是否是导体时，也不是所有情况下都是正确的，在一些过渡金属的氧化物，如有情况下都是正确的，在一些过渡金属的氧化物，如Mn2+O2-,Fe2+O2-,Co2+O2-,Ni2+O2-其中：其中：Mn2+，3d5;Fe2+,3d6;Co2+3d7;Ni2+,3d8;O2-,2p6它们的晶体结构都是它们的晶体结构都是NaCl结构，过渡金属离子的结构，过渡金属离子的3d能带是不满能带是不满的，的，O2-的的2p能带是填满的，按能带理论，这些氧化物应该是导体，但能带是填满的，按能带理论，这些氧化物应该是导体，但实验发现它们是绝缘体（或半导体），但对于实验发
12、现它们是绝缘体（或半导体），但对于Ti2+O2-和和V2+O2-，Ti2+（3d2），），V2+（3d3），），3d带不满，实验发现是导体，与能带带不满，实验发现是导体，与能带理论的结论一致。可见，根据能带是否填满不足以正确判断这类氧化物理论的结论一致。可见，根据能带是否填满不足以正确判断这类氧化物的导电性，对于更复杂的过渡金属氧化物和其它化合物也有类似的情况，的导电性，对于更复杂的过渡金属氧化物和其它化合物也有类似的情况，这说明能带理论是有局限性的。这说明能带理论是有局限性的。15第15页，此课件共19页哦局限性的原因局限性的原因能带理论是在单电子近似的基础上建立的，能带理论是在单电子近似的
13、基础上建立的，只考虑电子受晶格周期场的作用，忽略了只考虑电子受晶格周期场的作用，忽略了电子间的相互作用，由于电子间存在相互电子间的相互作用，由于电子间存在相互作用，即使考虑屏蔽效应，亦不能完全认作用，即使考虑屏蔽效应，亦不能完全认为是互相独立的，实际上是互相关联的，为是互相独立的，实际上是互相关联的，即一个电子的状态必然受到其它电子的影即一个电子的状态必然受到其它电子的影响。这种效应称为关联作用（实际上指电响。这种效应称为关联作用（实际上指电子间存在相互作用）子间存在相互作用），能带理论局限性是能带理论局限性是由于由于忽略了忽略了电子间关联作用所造成的电子间关联作用所造成的 16第16页，此课
14、件共19页哦一、能带的填充类型一、能带的填充类型能带中的量子态能带中的量子态完全不被占据而为空时完全不被占据而为空时完全被占据时完全被占据时部分被占据时部分被占据时不满带或不满带或未满带未满带空带空带满带满带最高的满带最高的满带称称价带价带最低的空带或未满最低的空带或未满带称带称导带导带17第17页，此课件共19页哦5画图说明导体、半导体和绝缘体画图说明导体、半导体和绝缘体能带能带结构结构的基本特征的基本特征解：在导体中，除去完全充满的一系列能带外，还有只是部分地被电解：在导体中，除去完全充满的一系列能带外，还有只是部分地被电子填充的能带，后者可以起导电作用，称为导带。子填充的能带，后者可以起
15、导电作用，称为导带。在半导体中，由于在半导体中，由于能量最高的满带与上面的空带没有重叠能量最高的满带与上面的空带没有重叠,但禁带宽但禁带宽度度Eg小小,存在一定的杂质，或由于热激发使导带中存有少数电存在一定的杂质，或由于热激发使导带中存有少数电子，或满带中缺了少数电子，从而导致一定的导电性。子，或满带中缺了少数电子，从而导致一定的导电性。在绝缘体中，电子恰好填满了最低的一系列能带，再高的各带全在绝缘体中，电子恰好填满了最低的一系列能带，再高的各带全部都是空的，部都是空的，所有被电子填充的能带都是满带，能量最高的满带所有被电子填充的能带都是满带，能量最高的满带与上面的空带没有重叠与上面的空带没有重叠,禁带宽度禁带宽度Eg较宽较宽 3 eV 以上以上.由于满由于满带不产生电流，所以尽管存在很多电子，并不导电。带不产生电流，所以尽管存在很多电子，并不导电。18第18页，此课件共19页哦P127图图6.12导体、半导体与绝缘体的能带模型导体、半导体与绝缘体的能带模型导体导体A 半导体半导体B 绝缘体绝缘体C EF EF Eg 19第19页，此课件共19页哦