《電子輸運(yùn)》PPT課件

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1、1第五章電子的輸運(yùn)性質(zhì)絕緣體(~10-8一10-20?-1cm-1)、材料半導(dǎo)體(~105一l0-7?-1cm-1)導(dǎo)體(~106一108?-1cm-1)金屬鍵結(jié)合的導(dǎo)體，其電導(dǎo)率隨溫度的升高而減小。離子鍵、共價(jià)鍵組成的混合鍵結(jié)合的材料，其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。一些離子晶體導(dǎo)電率和液體電介質(zhì)相當(dāng)，被稱作快離子導(dǎo)體。2§5.1能帶理論“自由電子”理論：金屬原子半徑較大，價(jià)電子較少→部分電子脫落，成“自由電子”→自由電子與陽離子互相吸引→所有金屬原子、陽離子膠合為“晶體”?！白杂呻娮印崩碚摻忉屃私饘俚奈锢硇再|(zhì)，如光澤、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱

2、性、延伸性，都與“自由電子”有關(guān)；但不能解釋導(dǎo)電的差異性以及導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別等。3單一原子中1.電子的能量是分立的能級(jí);2.電子的運(yùn)動(dòng)有隧道效應(yīng)。原子的外層電子(高能級(jí))，勢壘穿透概率較大，電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng),稱為共有化電子。原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊,一般不是共有化電子。4晶體的能帶晶體具有大量分子、原子或離子有規(guī)則排列的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。a。晶體中的勢場對電子的能態(tài)有影響，電子受到周期性勢場的作用。晶體中電子的能態(tài)不是分立的能級(jí)，而是連續(xù)的能帶5一、原子、分子、晶體的能譜原子之間作用越強(qiáng)，能級(jí)分裂越大，能級(jí)越高，能

3、級(jí)分裂越大6二.能帶中電子的排布晶體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的某一能級(jí)上。排布原則：1.服從泡里不相容原理（費(fèi)米子）2.服從能量最小原理設(shè)孤立原子的一個(gè)能級(jí)Enl，它最多能容納2(2+1)個(gè)電子。這一能級(jí)分裂成由N條能級(jí)組成的能帶后，能帶最多能容納2N(2l+1)個(gè)電子。7電子排布時(shí)，應(yīng)從最低的能級(jí)排起。有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞：1．滿帶（排滿電子）2．價(jià)帶（能帶中一部分能級(jí)排滿電子）?亦稱導(dǎo)帶3．空帶（未排電子）?亦稱導(dǎo)帶4．禁帶（不能排電子）2ｐ、3ｐ能帶，最多容納6N個(gè)電子。例如，1ｓ、2ｓ能帶，最多容納2N個(gè)電子

4、。2N(2l+1)8在允許取的E值（暫且稱為能級(jí)）之間，有一些不允許取的E值（暫且稱為能隙）。圖5f(E)函數(shù)圖f(E)E9孤立原子的最外層電子能級(jí)可能填滿了電子也可能未填滿了電子。在形成固體時(shí)，其相應(yīng)的能帶也填滿了電子或未填滿電子。若孤立原子中較高的電子能級(jí)上沒有電子，在形成固體時(shí)，其相應(yīng)的能帶上也沒有電子。孤立原子的內(nèi)層電子能級(jí)一般都是填滿的，在形成固體時(shí)，其相應(yīng)的能帶也填滿了電子。10§5.2導(dǎo)體和絕緣體它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。晶體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體11導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體?E

5、g?Eg?Eg12在外電場的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。從能帶圖上來看，是因?yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍芗?jí)躍遷到高能級(jí)上去。E導(dǎo)體13從能級(jí)圖上來看，是因?yàn)闈M帶與空帶之間有一個(gè)較寬的禁帶（?Eg約3～6eV），共有化電子很難從低能級(jí)（滿帶）躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。在外電場的作用下，共有化電子很難接受外電場的能量，所以形不成電流。能帶結(jié)構(gòu)，滿帶與空帶之間也有禁帶，但是禁帶很窄（?Eg約0.1～2eV)。絕緣體半導(dǎo)體14絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿當(dāng)外電場非常強(qiáng)時(shí)，它們的共有化電子還是能越過禁帶躍遷到上面的空帶中。

6、絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體15§5.3半導(dǎo)體半導(dǎo)體中能量最高的滿帶又叫做價(jià)帶，能量最低的空帶又叫做導(dǎo)帶，按材料成分不同，半導(dǎo)體材料可以分成單元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。161.單質(zhì)半導(dǎo)體單質(zhì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)都是金剛石型結(jié)構(gòu)。隨原子序數(shù)的增加，金剛石→Si→Ge→α—Sn，共價(jià)鍵成分逐漸減弱，禁帶寬度下降，同時(shí)金屬鍵的成分增加，Si、Ge、α—Sn是帶有不同程度金屬鍵成分的共價(jià)鍵晶體。17IIIA—vA族，GaAs、InSb、GaP、InAs、GaSb；ⅡB一ⅥA族，CdS、ZnS等。這些化合物為閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，GaAs組成fcc點(diǎn)陣基元由一個(gè)

7、Ga原子和一個(gè)As原子組成，每個(gè)原子被4個(gè)異種原子包圍，其鍵合特征仍以共價(jià)鍵為主?；衔锇雽?dǎo)體電子沿鍵軸分布不對稱，構(gòu)成極性鍵，使GaAs既有共價(jià)鍵的成分，又有離子鍵的成分。2.化合物半導(dǎo)體18純元素半導(dǎo)體的電學(xué)性能由元素本身的電子結(jié)構(gòu)所決定，叫做本征半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電學(xué)性能是結(jié)構(gòu)敏感的性能，材料中極微量雜質(zhì)就會(huì)引起電學(xué)性能的改變。在純元素半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)元素，取代晶格中的部分原子，就可改變晶體的能帶結(jié)構(gòu)，從而在本征半導(dǎo)體的禁帶中出現(xiàn)與雜質(zhì)元素有關(guān)的能級(jí)，形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。按摻雜元素的價(jià)電子數(shù)，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分成N型和P型兩類。1

8、920213.非晶半導(dǎo)體非晶半導(dǎo)體短程有序、長程無序。原子相對旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生兩種情形：鍵長和鍵角相對于晶態(tài)有適當(dāng)偏離，非晶態(tài)材料中少量共價(jià)鍵被破壞，成為懸鍵。光照使非晶硅結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，懸鍵數(shù)目增加。雜質(zhì)對非晶半導(dǎo)體的電導(dǎo)率影響不明顯。22§5.4磁阻