2021/3/20
13
2.4 晶体的电子结构
本征半导体 ➢不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。 ➢在极低温度下，半导体的价带是满带，受到热激发后，价带中的部分 电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价 带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。 ➢导带中的电子和价带中的空穴合称电子 - 空穴对，均能自由移动，即 载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为 电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导 电称为本征导电。 ➢导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放 出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定 温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半 导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将 产生更多的电子 - 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷 的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。
2021/3/20
14
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败 也是伟大的，所以不要放弃，坚持 就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
材料科学基础/Fundamentals of Materials Science
第2章 固体材料的结构
Chapter 2 Structure of Solid Materials
2021/3/20
1
讲授提纲
2.1 孤立原子的结构 2.2 结合键概述 2.3 共价分子的结构 2.4 晶体的电子结构 2.5 元素的晶体结构和性质 2.6 离子化合物 2.7 硅酸盐结构 2.8 合金相及其影响因素 2.9 固溶体 2.10 金属间化合物
2021/3/20
11
2.4 晶体的电子结构
② N型半导体：也称为电子型半导体。N型半导体即自由电子浓度远
大于空穴浓度的杂质半导体。 在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位 置，就形成了N型半导体。在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为 少子，主要靠自由电子导电。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热 激发形成。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性 能就越强。
2021/3/20
6
2021/3/20
7
2.4 晶体的电子结构
1. 能级展宽形成能带： ④只有外层(和次外层)的电子能级有显著的相互作用而展宽成带， 内层电子仍处于分立的原子能级上（因为能级分裂是相邻原子的 各轨道相互作用的结果）。
2、价带、导带、禁带： 价带(Valence band)：由价电子(参与化学键合的电子)的原子能级 展宽而形成的能带； 导带(Conduction band) ：由价电子以上的空能级展宽而形成的 能带； 禁带(Forbidden band) ：彼此分开的两个能带之间的能量间隔 ΔEg称为禁带（或能隙）；固体中的电子能量不允许在此范围内；
①本征半导体(Intrinsic semiconductor)： 能隙Δ Eg非常小，热激活足以使价带中费米能级上的电子跃迁 到导带底，同时在价带顶留下“电子空穴”；
2021/3/20

10
2.4 晶体的电子结构
② N型半导体(Negative) ：能隙ΔEg比较小，能隙中存在着由高 价杂质元素产生的靠近导带底部的新能级；热激活使电子从杂质 能级跃迁到导带底部；杂质原子为“施主”，载流子为带负电的 电子； ③ P型半导体(Positive) ：能隙ΔEg比较小，能隙中存在着由低价 杂质元素产生的靠近价带顶部的新能级；热激活使价带中费米能 级上的电子跃迁到杂质能级，在价带中留下“电子空穴”；杂质 原子为“受主”，导电机制为带正电的空穴导电；
2021/3/20
12
2.4 晶体的电子结构
③ P型半导体：也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远 大于自由电子浓度的杂质半导体。
在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位 子，就形成P型半导体。在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少 子，主要靠空穴导电。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形 成。掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。
2021/3/20
8
2.4 晶体的电子结构
3、导体、绝缘体、半导体：
A）导体(Conductor) ： a）固体中价电子浓度比较低，没有填满价带(例如金属锂)； b）价带和导带交叠，电子在外电场作用下能进入导带(例如2价金 属铍)； B）绝缘体(Insulator) ：价带和导带之间存在较大的能隙，且价 带被电子填满，一般情况下外电场不能改变电子的速度和能量分 布，使其进入导带； C）半导体(Semi-conductor) ：能带结构与绝缘体类似，只是能隙 ΔEg比较小(一般小于2eV)，分为三种类型：本征、N型、P型
2021/3/20
2
2.4 晶体的电子结构
1. 能级展宽形成能带： ①两个原子趋近：孤立原子的每个能级分裂成两个能级（成键能 级和反键能级)，该两能级相对原子能级E0的差值取决于原子间距；
2021/3/20
3
2.4 晶体的电子结构
1. 能级展宽形成能带： ①两个原子趋近：孤立原子的每个能级分裂成两个能级（成键能 级和反键能级)，该两能级相对原子能级E0的差值取决于原子间距； ② N个原子趋近：每个非简并的原子能级相应地分裂成N个能级， 最高和最低能级相对于原子能级E0的差值也仅取决于原子间距， 与原子数无关； ③实际晶体材料：N极其大，相邻能级间的距离非常小，几乎是 连续的；即原子的能级展宽形成能带，带的宽度决定于原子间的 距离。
2021/3/20
4
2.4 晶体的电子结构
2021/3/20
5
2.4 晶体的电子结构
1. 能级展宽形成能带： ④能级分裂是相邻原子的各轨道（电子云）相互作用的结果，因 而当原子结合成固体时，只有外层的电子能级有显著地相互作用 而展宽成带，内层电子仍处于分立的能级上。 ⑤原子的外层电子一般称为价电子，其性质决定了元素的性质；