光辐射hv
导带
能隙 （禁带）
会发生对光的吸收。导带中
的电子在电场作用下可参与 导电。 38
价带
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杂质半导体中，缺陷的能级在价 带和导带之间的能隙之中。当材
导带
杂质能级
料受到光照时，缺陷能级上的电
子空穴发生跃迁。从而使导带中
光辐射
出现电子，来参与导电。
价带
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2 半导体的光致发光： 是指在外来激发光作用下，物体将吸收的能量以光 子形式再发射而产生发光的现象。 在半导体的光致发光现象中，存在着三个过程，
非晶、
多晶
单晶
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多晶
单晶
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非晶半导体材料
与晶态半导体材料相比，非晶态材料的原子在空间排
列上失去了长程有序性，但其组成原子也不是杂乱无
章排布的，由于受到化学键，特别是共价键的约束， 有几个原子在为小范围内小区域内有着与晶体相似的 结构特征。 所以对非晶材料的结构描述：长程无序，短程有序。
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导体
导带
Eg
价带
导带 价带
导带
价带
导带部分填满
没有禁带
导带价带重叠
导体能带结构
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导体
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。
E
从能带图上来看，是因为其共有化电子很易从低 能级跃迁到高能级上去。
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绝缘体
① 电子完全占满价带。导带是空的。
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1.1ev
1.42ev
砷化镓价带极大值位于k=0处，导带极小值也在k=0处，
为直接带系型。和硅的间接带系相比光电转换效率更高。 砷化镓的禁带宽度比硅大，晶体管的工作温度上限与Eg有关，
因此砷化镓工作温度上限比硅高，而且大的禁带宽度是晶体管击
穿电压大。
25Βιβλιοθήκη 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，分别用Ev和Ec表示它们的能量， 带隙宽度Eg＝Ec-Ev。
超导体：σ→∞
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本章内容
3.1 能带理论 3.2 半导体 3.3 超导体 3.4 快离子导体
5
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3.1能带理论
自由电子
不受任何电 荷作用（势场为零）
孤立原子中的电子
本身原子核及其他 电子的作用
晶体中的电子
严格周期性势场 （周期排列的原子核势场及大 量电子的平均势场）
单电子近似理论：为了研究晶体中电子的运动状态，首先假定 固体中的原子实固定不动，并按一定规律作周期性排列，然后 进一步认为每个电子都是在固定的原子实周期势场及其他电子 的平均势场中运动，这就把整个问题简化成单电子问题。
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第三章
材料的输运性质
1
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电导的基本概念
1.电导率和电阻率
欧姆定律 :
V R I
R: 电阻 ρ: 电阻率，单位长度，单位面积 上导电体的电阻值
L R S
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电阻率ρ与材料的几何尺寸无关，是材料的本质参数
I Sj
V LE
V I R
j :电流密度
E :电场强度
导带
② 满带与空带之间有一个较宽的禁带
热能或外加电场，不足以使共有化 电子从低能级（满带）跃迁到高能 级导带上去。所以不能形成电流。。 价带
Eg
绝缘体能带结构
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半导体
① T=0K，电子完全占满价带。导带是空 的。具有绝缘体的特征。 ② 禁带宽度很窄，当外界条件变化时（ 导带
Eg
价带
如光照、温度变化），价带中的电子
四
非晶半导体
长期以来将固体分为：晶体和非晶体。 晶体的基本特点： 具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子 （或离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是 按一定的方式有规则的排列而成——长程有序。
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晶体又可分为：单晶和多晶
单晶：指整个晶体主要由原子(或离子)的一种规则
排列方式 所贯穿。常用的半导体材料锗
LE SJ R
L J E SR
L R S
J
1

E
J E

1

σ :电导率，
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电阻率ρ、电导率σ是评价材料导电性的基本参数
半导体 绝缘体
10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105
导体
106
电导率σ S/m
4.内壳层电子处于低能级，电子共有化运动弱，分裂成的能级窄；外壳
层电子处于高能级，共有化运动显著，能级分裂的能带很宽；
5.能带的宽度由晶体性质决定，与晶体大小（晶体包含的原子数N）无 关，N越 大，能带中的能级数增加，但能带宽度不会增加，只是能级的
密集程度增加；
6.能带的交叠程度与原子间距有关，原子间越小，交叠程度越大； 7. 在平衡间距处，能带没有交叠。
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在非晶硅材料中包含大量的悬挂键、空位键等缺陷， 因而又很高的缺陷态密度，他们提供了电子和空穴的 复合场所，所以一般非晶硅是不适合作电子器件的。 47
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1975年斯皮尔等人用 硅烷分解沉积法制得非
晶态硅薄膜。由于在该
膜中含有大量的氢，使 许多悬挂键被氢化。致 使缺陷态密度降低。并 且成功地实现对非晶硅
3.3.1超导研究历史
材料的n型和p型掺杂
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超导现象的发现：
1911年，荷兰科学家昂纳斯在 研究极低温度下金属导电性时发现 ，当温度降到4.2K时，汞的电阻率 突然降低到接近于零。这种现象称 为汞的超导现象。
昂纳斯, 1913年获诺贝尔物理奖
超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并 最终出现零电阻的现象。 超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。
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一些重要半导体的晶体结构
半导体
IV III-V Si Ge GaN GaP GaAs GaSb ZnSe ZnTe CdSe
晶体结构
D D W Z Z Z Z Z Z
II-VI
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二、半导体的分类
1 本征半导体 本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体 器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%
(Ge)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)都是单晶。
多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成
的整块材料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。
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非晶：无规则的外形和固定的熔点，内部结构也
不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范
围内存在结构上的有序排列——短程有序 （如
非晶硅：a-Si）
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原子彼此接近时的能级图并说明
1.原子间距较大时，原子中的电子处于分立的能级；
2.随着原子间距变小，每个分立的能级分裂成N个彼此 相 隔小的能级，形成能带；
3.随着原子间距变小,能级分裂首先从外壳层电子开始（高能级）， 内壳层电子只有 原子非常接近时才发生 能级分裂；
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EC
EF Ev
导带
价带
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2 杂质半导体
n型半导体——本征半导体中加入施主杂质
p型半导体——本征半导体中加入施主杂质
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
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三 半导体的性能
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，那么就
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1 晶体的能谱
+
+
+
原子的能级（电子壳层）
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+
+
+
+
+
+
+
原子结合成晶体时晶体中电子的共有化运动
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共有化运动——在晶体结构中，大量的原子按一定的周
期有规则的排列在空间构成一定形式的晶格。如果原子是
紧密堆积的，原子间间距很小。晶体中原子能级上的电子 不完全局限在某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的
导带 Eg 价带
EC
EV
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3.2 半导体


半导体：导电性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）
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半导体材料的 构成元素 (元素、化合物半导体）
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一、半导体的晶体结构
1. 金刚石型结构 2. 闪锌矿型结构 3. 纤锌矿型结构
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电子具有波粒二象性，运动的电子看做物质波，就是电子波 电子运动遵循电子的的波动方程——是薛定谔方程。
定态薛定谔方程的一般式：
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)
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有关能带被占据情况的几个名词： 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 是自由的，在外电场作用下可以导电。
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