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网投平台大全第三章 材料的输运性质 -能带理论
来源:admin 时间:2020-05-15

  第三章 资料的输运性子 -能带外面._小儿读物_小儿教导_教导专区。第三章 资料的输运性子 -能带外面.

  天津理工大学 第三章 资料的输运性子 1 天津理工大学 本章实质 3.1 能带外面 3.2 半导体 3.3 超导体 3.4 速离子导体 2 天津理工大学 3.1能带外面 1 共有化运动: + + + 原子的能级(电子壳层) 3 天津理工大学 + + + + + + + 原子联结成晶体时晶体中电子的 共有化运动 4 天津理工大学 ? 共有化运动——正在晶体组织中,洪量的原子按必然的周 期有条例的陈列正在空间组成必然局面的晶格。倘使原子是 严密堆集的,原子间间距很小。晶体中邦子能级上的电子 不十足限定正在某一原子上,能够由一个原子蜕变到相邻的 原子上去,结果电子能够正在悉数晶体中运动。 ? 电子共有化的道理:电子壳层有必然的交叠,相邻原子最 外层交叠最众,内壳层交叠较少。 5 天津理工大学 + N个原子慢慢亲切 能带(允带)——固体中若有N个原子,每个原子内的电子 有肖似的分立的能级,当这N个原子慢慢亲切时,原先拘束 正在单原子中的电子,不行正在一个能级上存正在,从而只可星散 成N个出格亲切的能级,由于能量差甚小,可当作能量一连 的区域,称为能带。 禁带——允带之间没有能级的带。 6 天津理工大学 原子相互挨近时的能级图并注明 1.原子间距较大时,原子中的电子处于分立的能级; 2.跟着原子间距变小,每个分立的能级星散成N个相互 相 隔小的能级,造成能带; 3.跟着原子间距变小,能级星散最初从外壳层电子起先 (高能级),内壳层电子惟有 原子出格挨近时才产生 能级星散; 7 天津理工大学 4.内壳层电子处于低能级,电子共有化运动弱,星散成的能级窄;外壳 层电子处于高能级,共有化运动明显,能级星散的能带很宽; 5.能带的宽度由晶体性子定夺,与晶体巨细(晶体蕴涵的原子数N)无 闭,N越 大,能带中的能级数填补,但能带宽度不会填补,只是能级的 辘集水平填补; 6.能带的交叠水平与原子间距相闭,原子间越小,交叠水平越大; 7. 正在平均间距处,能带没有交叠。 8 天津理工大学 2 半导体中的电子与空穴 自正在电子 不受任何电 荷效率(势场为零) 寂寞原子中的电子 自身原子核及其他 电子的效率 晶体中的电子 厉酷周期性势场 (周期陈列的原子核势场及大 量电子的均匀势场) 单电子近似外面:为了探讨晶体中电子的运动形态,最初假定 固体中的原子实固定不动,并按必然次序作周期性陈列,然后 进一步以为每个电子都是正在固定的原子实周期势场及其他电子 的均匀势场中运动,这就把悉数题目简化成单电子题目。 9 天津理工大学 电子具有波粒二象性,运动的电子看做物质波,即是电子波 电子运动用命电子的的震荡方程——是薛定谔方程。 定态薛定谔方程的大凡式: ? 2 ? ? ? ( x, y, z ) ? U? ( x, y, z ) ? E? ( x, y, z ) 2m 动能 势能 电子运动的波函数 ? ( x, y, z) 10 一维晶格 ? ?2 d 2 ? 天津理工大学 ? V ( x)?? ( x ) ? E (k ) ? ( x) 求解薛定谔方程: ?? 2 ? 2m dx ? i 2πk x 个中: E V( x ) = V( x + n a ) ? ( x) ? e u ( x) u ( x) ? u ( x ? na) 允带 禁带 n=2 允带 允带 允带 ? n=1 n=0 ? 3? 2? ? ? ? a a a ? 2? 0 a a 3? a ? a 0 E与k的相闭 能带 11 简约布里渊区 ? a 天津理工大学 k 的取值鸿沟都是 n? a (n=整数) 第一布里渊区:以原点为中央的第一能带所处的 k 值鸿沟。 第二、第三能带所处的 k值鸿沟称为第二、第三布 里渊区,并以此类推。 12 天津理工大学 相闭能带被吞噬情景的几个名词: 价带(满带): 填满电子的最高允带。 导带:价带以上能量最低的允带。导带中的电子 是自正在的,正在外电场效率下能够导电。 13 天津理工大学 3 实践能带组织 0.66ev 1.1ev 硅和锗沿[100]和[111]宗旨的能带组织 Γ 点:布里渊区中央 X点:[100]轴与该宗旨布里渊区边境的交点 L点:[111]轴与该宗旨布里渊区边境的交点 Eg: 禁带宽度 14 天津理工大学 ?硅和锗价带极大值位于k=0处,三维晶体中为一球形等能面 ?硅和锗导带众能谷组织,三维晶体平分别存6和8个能量最小值 ?硅和锗导带底和价带顶正在k空间处于分别的k值,为间接带系半 导体 15 天津理工大学 砷化镓[100]和[111]宗旨的能带 1.42ev Γ 点:布里渊区中央 X点:[100]轴与该宗旨布里渊区边境的交点 L点:[111]轴与该宗旨布里渊区边境的交点 Eg: 禁带宽度 16 天津理工大学 1.1ev 1.42ev ?砷化镓价带极大值位于k=0处,导带极小值也正在k=0处, 为直接带系型。和硅的间接带系比拟光电转换作用更高。 ?砷化镓的禁带宽度比硅大,晶体管的事情温度上限与Eg相闭, 是以砷化镓事情温度上限比硅高,况且大的禁带宽度是晶体管击 穿电压大。 17 天津理工大学 画能带时只需画能量最高的价带和能量最低的导带。价带 顶和导带底都称为带边,永别用Ev和Ec透露它们的能量, 带隙宽度Eg=Ec-Ev。 导带 Eg 价带 EC EV 18 天津理工大学 3.2 半导体 ? ? 半导体:导电职能介于金属和绝缘体 之间;(σ=10-7~104) 具有负的电阻温度系数。(导体具有 正的电阻温度系数) 19 半导体资料的 组成元素 (元素、化合物半导体) 20 天津理工大学 一、半导体的晶体组织 1. 金刚石型组织 2. 闪锌矿型组织 3. 纤锌矿型组织 21 1. 金刚石型组织(D) 类型: IV族元素C(金刚石)、Si、 Ge、Sn(灰锡)的晶体。 联结力:共价键力。 特性:立方对称晶胞。 面心立方 共价四面体 22 天津理工大学 ?面心立方组织的八个顶角和六个面心各有一个原子,内 部四条空间对角线对角线长度处各有一个 原子,金刚石组织晶胞中共有8个原子。 ?金刚石组织晶胞也能够看作是两个面心立方沿空间对角 线对角线长度套构而成的。 ?悉数Si、Ge晶体即是由如许的晶胞周期性反复陈列而成 。 23 2. ?-ZnS(闪锌矿)型组织 (Z) 类型: III-V和II-VI族形 成的化合物 GaAs。 联结力:共价键力部星散子 键力因素。 特性:立方对称晶胞。 24 天津理工大学 共价四面体 GaAs的闪锌矿组织 ?GaAs晶体中每个Ga原子和As原子共有一对价电子, 造成四个共价键,构成共价四面体。 ?闪锌矿组织和金刚石组织的分别之处正在于套组成晶 胞的两个面心立方永别是由两种分别原子构成的。 25 3. ?-ZnS(纤锌矿)型组织 (W) 类型: III-V和II-VI族形 成的化合物 GaN。 联结力:共价键力部星散子 键力因素。 特性:六方对称晶胞。 26 天津理工大学 极少首要半导体的晶体组织 半导体 IV III-V Si Ge GaN GaP GaAs GaSb ZnSe ZnTe CdSe 晶体组织 D D W Z Z Z Z Z Z II-VI 27 天津理工大学 二、半导体的分类 1 本征半导体 本征半导体——化学因素纯净的半导体。创制半导体 器件的半导体资料的纯度要到达99.9999999% EC EF Ev 导带 价带 28 天津理工大学 2 杂质半导体 n型半导体——本征半导体中参加施主杂质 p型半导体——本征半导体中参加施主杂质 导带 施主能级 EC ED Eg EV 导带 EC Eg EV 受主能级 价带 EA 价带 n型半导体 p型半导体 29 天津理工大学 三 半导体的职能 1 半导体光导电性 半导体受到光辐射时,如 果辐射光子的能量足以使 电子由价带跃迁至导带, 光辐射hv 导带 能隙 (禁带) 那么就会产生对光的吸取。网投平台大全 导带中的电子正在电场效率 下可插手导电。 30 价带 天津理工大学 杂质半导体中,缺陷的能级正在 价带和导带之间的能隙之中。 导带 杂质能级 当资料受到光照时,缺陷能级 上的电子空穴产生跃迁。从而 光辐射 使导带中呈现电子,来插手导 电。 价带 31 天津理工大学 2 半导体的光致发光: 是指正在外来引发光效率下,物体将吸取的能量以光 子局面再发射而发生发光的形势。 正在半导体的光致发光形势中,存正在着三个流程, 1 光吸取,半导体中的电子吸取必然能量的光子后,由基态 跃迁至引发态,从而正在必然能级上发生非平均载流子; 2 能量转达流程,既上述非平均载流子通过晶格弛豫的体例 抵达较低能级举办电子一空穴对复合; 3 发光,通过复合辐射的光子一一面从样品外观辐射出来, 发出必然颜色的光。 32 天津理工大学 33 天津理工大学 四 非晶半导体 永远今后将固体分为:晶体和非晶体。 晶体的根基特质: 具有必然的外形和固定的熔点,构成晶体的原子 (或离子)正在较大的鸿沟内(起码是微米量级)是 按必然的体例有条例的陈列而成——长程有序。 34 天津理工大学 晶体又可分为:单晶和众晶 单晶:指悉数晶体重要由原子(或离子)的一种条例 陈列体例 所贯穿。常用的半导体资料锗 (Ge)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)都是单晶。 众晶:是由洪量的轻细单晶体(晶粒)随机堆集成 的整块资料,如种种金属资料和电子陶瓷资料。 35 天津理工大学 非晶:无条例的外形和固定的熔点,内部组织也 不存正在长程有序,但正在若干原子间距内的较小范 围内存正在组织上的有序陈列——短程有序 (如非晶硅:a-Si) 非晶、 众晶 单晶 36 天津理工大学 众晶 单晶 37 天津理工大学 非晶半导体资料 与晶态半导体资料比拟,非晶态资料的原子正在空间 陈列上失落了长程有序性,但其构成原子也不是杂 乱无章排布的,因为受到化学键,特地是共价键的 抑制,有几个原子正在为小鸿沟内小区域内有着与晶 体相仿的组织特性。 是以对非晶资料的组织刻画:长程无序,短程有序。 38 天津理工大学 ? 正在非晶硅资料中蕴涵洪量的吊挂键、空隙键等缺陷, 于是又很高的缺陷态密度,他们供给了电子和空穴的 复合处所,是以大凡非晶硅是不适配合电子器件的。 39 天津理工大学 ? 1975年斯皮尔等人用 硅烷阐明重积法制得非 晶态硅薄膜。因为正在该 膜中含有洪量的氢,使 很众吊挂键被氢化。致 使缺陷态密度下降。并 且得胜地告终对非晶硅 资料的n型和p型掺杂 40