半导体中的电子状态.ppt

Eg 电子能量 Ec Ev 能带图可简化成: 2.绝缘体和半导体的能带 第二十八页，共66页 导带 导带 半满带 禁带 价带 禁带 价带 满带 绝缘体、半导体和导体的能带示意图 第二十九页，共66页 常温下： Si：Eg=1.12ev Ge: Eg=0.67ev GaAs: Eg =1.43ev 第三十页，共66页 §1-3 半导体中电子的运动 有效质量 从粒子性出发,它具有一定的质量m0和运动速度V。 对自由空间的电子: 一、自由空间的电子: 从波动性出发,电子的运动看成频率为ν、 波矢为K的平面波在波矢方向的传输过程。 第三十一页，共66页 物理学中对外界作用力的处理 微观粒子的运动规律为什么用量子力学而不是牛顿定律？如何理解量子力学对粒子的运动状态分析时的处理方式？单个粒子或者多个粒子？ 处理物理粒子的各种作用时一般怎么处理？ 什么叫做“场”？ 第三十二页，共66页 自由电子E与k 的关系 E k 0 第三十三页，共66页 对E(k)微分,得到: 2.V(k) 3.加速度a 第三十四页，共66页 二、半导体中的电子 晶体中作共有化运动的电子平均速度: 1.速度V 第三十五页，共66页 以一维情况为例 设E(k)在k=0处取得极值，在极值附近按泰勒级数展开： 第三十六页，共66页 得到能带极值附近电子的速度为 第三十七页，共66页 (1)在整个布里渊区内，V~K不是线形关系 (2)正负K态电子的运动速度大小相等,符号相反. 第三十八页，共66页 (3)V(k)的大小与能带的宽窄有关 内层:能带窄,E(k)的变化比较慢, V(k)小. 外层:能带宽,E(k)的变化比较陡,V(k)大. 第三十九页，共66页 2.加速度 设E(k)在k=k0处取得极值 第四十页，共66页 令 第四十一页，共66页 第四十二页，共66页 称m*为电子的有效质量 F外 + F内 = m0a F外 = m*a 第四十三页，共66页 三.m*的特点 1.决定于材料 2.与电子的运动方向有关 3.与能带的宽窄有关 内层:带窄, 小,m*大: 外层:带宽, 大,m*小. 第四十四页，共66页 0, m*0。 0, m*0。 导带底 价带顶 4.m*有正负之分 当E(k)曲线开口向上时, 当E(k)曲线开口向下时, 电子的m*0; 电子的m*0; 第四十五页，共66页 5.对于带顶和带底的电子,有效质量恒定 第四十六页，共66页 §1-3半导体中载流子的产生及导电机构 一、载流子的产生 二、半导体的导电机构 第四十七页，共66页 第一页，共66页 § 1.2 半导体中电子的状态 与能带的形成 一.能带论的定性叙述 1.孤立原子中的电子状态 主量子数n:1,2,3,…… 第二页，共66页 自旋量子数ms：±1/2 磁量子数 ml：0，±1，±2，…±l 角量子数 l：0，1，2，…（n－1） 能量最小原理 不相容原理 第三页，共66页 角量子数：l 　　角动量 L=h/2π*√l(l+1) 　　角量子数决定电子空间运动的角动量，以及原子轨道或电子云的形状，在多电子原子中与主量子数n共同决定电子能量高低。对于一定的n值，l可取0，1，2，3，4… n-1等共n个值，用光谱学上的符号相应表示为s，p，d，f，g等。角量子数l表示电子的亚层或能级。一个n值可以有多个l值，如n=3表示第三电子层，l值可有0，1，2，分别表示3s，3p，3d亚层，相应的电子分别称为3s，3p，3d电子。它们的原子轨道和电子云的形状分别为球形对称，哑铃形和四瓣梅花形，对于多电子原子来说，这三个亚层能量为E3d＞E3p＞E3s，即n值一定时，l值越大，亚层能级越高。在描述多电子原子系统的能量状态时，需要用n和l两个量子数。 　　角量子数l确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。电子绕核运动，不仅具有一定的能量，而且也有一定的角动量M，它的大小同原子轨道的形状有密切关系。例如M=0时，即l=0时说明原子中电子运动情况同角度无关，即原子轨道的轨道是球形对称的；如l=1时，其原子轨道呈哑铃形分布；如l=2时，则呈花瓣形分布。 　　对于给定的n值，量子力学证明l只能取小于n的正整数：l=0,1,2,3……(n-1) 第四页，共66页 磁量子数m 　　同一亚层（l值相同）的几条