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大学物理
第9章固体物理与新材料
第9章固体物理与新材料
固体是一种重要的物质结构形态。
在通常温度和压强条件下的许多物体都是固体,因此,固体的结构和性质成为物理学的重要研究对象之一。
固体物理是研究固体结构和组成粒子(原子、分子、离子、电子等)之间相互作用与运动规律,从而阐明其特性与用途的学科。
固体物理包括金属、半导体、电介质、磁性材料、发光材料、超导材料等。
固体物理研究的对象可分为晶体和非晶体两大类。
由于固体是由大量原子紧密结合而成的,所以它的结构和性质既决定了原子间的相互作用,又与原子中外层电子的运动有关。
目前只对于晶体才有较为成熟的理论,而且固体的许多性质无法用经典理论来解释,需要用量子理论方可予以说明,大量实验结果证实了这一点。
从历史上看,固体物理的研究导致了晶体管、激光器等多项重大发明,并由此产生了微电子技术、激光技术、计算机技术、光通信技术、遥感技术等一系列高新技术。
所谓材料,是指人类能用来制作有用物体的物质,它与人类的衣食住行息息相关。
一般来说,材料可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。
按材料使用的性能来看,可分为结构材料和功能材料两大类,结构材料主要是发挥材料的力学性能,功能材料主要是发挥材料的光、电、磁、热、声等功能。
所谓新材料,主要是指正在发展中的比传统材料的性能更为优异的一类材料。
由于物理学从理论和实验两个方面对固体进行了相当广泛而有成效的研究,从而推动了新材料的迅速发展。
近些年来在高温超导材料、新型金属、新型陶瓷、纳米材料以及C60分子材料等研究上取得了一系列的突破性进展。
新材料的发展,有力地促进了社会生产力的发展,加速社会发展的进程。
因此,材料与能源、信息技术一样,成为新技术革命的重要支柱之一。
本章将首先介绍关于固体的结构、性能的基础知识。
在此基础上,介绍固体的能带理论和在信息技术中至关重要的半导体材料。
然后介绍近代正在迅速发展的、具有重要应用价值的一些新材料及其应用。
最后介绍近代发明的能直接观察和操纵原子的新型显微镜——扫描隧道显微镜以及液晶。
9.1晶体的基本结构
固体可以分为两类:
一类称为晶态固体,简称晶体,如食盐、云母、金刚石等;另一类称为非晶态固体,又简称非晶体,如玻璃、松香、塑料等。
绝大多数固体都是晶体结构。
从微观上看,原子在结合成晶体时,相邻原子的间距只有零点几个纳米的数量级,因此在晶体中原子核与原子核、原子核与电子以及电子与电子之间都将发生静电相互作用。
由于不同原子的核外电子分布是周期性的,所以单晶体中的分子、原子或离子在空间的排列也都呈现为有规则的、具有空间周期性的图91典型的晶格阵列,即形成所谓晶体网格,又称为晶格,如图91所示。
这些粒子能够排列起来结合为晶体的原因,一方面是由于粒子之间存在有电磁相互作用,另一方面是由于相邻原子的电子间具有“量子键合作用”。
正是这种电子之间作用形式上的差异导致了原子在空间作不同的排列,从而产生不同结构的晶体。
晶体中那种原子或离子隔一定距离,相同原子或离子及其周围环境重复出现,周而复始的长程有序性,与非晶体有本质上的区别。
对于非晶体来说,虽然组成非晶体的微观粒子也紧密地结合在一起,但却没有一定的排列规则,尽管有时在邻近的少数微粒范围内也呈现出规则排列,这仅仅是一种短程有序,并不像晶体那样具有长程有序性。
由于晶体的基本特征就是周期性平移不变性和对称性,所以晶体按照它们点阵的几何形状和对称性可分为7个晶系,共14种类型。
其中立方晶系的晶胞(指周期性点阵的最基本单元)就有简立方、体心立方和面心立方三种类型,如图92所示。
从图中可以看出,简立方的原子(或离子)都在立方体的顶角上;体心立方除了8个顶角上有原子外,在立方体中心处还有一个原子;面心立方除了8个顶角上有原子外,在每个面的中心都有一个原子。
图92立方晶体的原胞
(a)简立方;(b)体心立方;(c)面心立方
在一般情况下,晶体按结合力的性质可分为以下4种类型。
1.离子晶体
离子晶体是外层价电子从一种原子转移到另一种原子,形成正负离子,再结合起来的一种晶体。
这种晶体中相邻原子的结合力主要是正、负离子间的库仑力(也称为离子键),因此一种离子最邻近的离子必为异性离子。
正负离子中的电子各自构成闭合壳层并呈球形分布,因此原子的排列就像大量的小圆球紧密地有规则地堆积起来一样。
常见的离子晶体有NaCl,KCl,AgBr,MgO,PbS等。
离子晶体结构稳固,这种结合的稳定性导致了离子晶体具有导电性能差、熔点高、硬度高和膨胀系数小等特性。
图9.3表示了NaCl晶体的结晶原胞结构图。
图中实心和空心圆点分别表示Na+离子和Cl-离子的中心位置,其中Na+和Cl-这两类离子各自都是面心立方结构,只是位置上沿晶轴平行移动了12间距,NaCl晶体的不同离子之间都是以离子键相连,形成空间点阵。
图9.4表示了氯化铯(CsCl)晶体的结构图,它的晶胞结构是一种体心立方结构,CsCl晶体离子之间也是以离子键相连。
在立方体八个角上是带负电的Cl-,在体心处是带正电的Cs+,反之也是成立的。
图94CsCl晶体结构
图93NaCl点阵
2.共价晶体
共价晶体的结构是同类的相邻原子各贡献几个外层价电子,这些电子有相反方向的自旋,经常出现在两原子之间,从而使两原子结合起来。
这种结合力称为共价键。
例如两个氢原子所构成的氢分子,其中每个原子都贡献一个电子,但不是电子转移,而是两个原子共有这两个电子。
量子理论和实验表明,这两个共价电子具有更大的概率处于核间区域,形成稳定的氢分子。
图95金刚石的点阵
图95表示了金刚石的晶格结构,每个原子与周围四个原子相互作用,相互作用的两个原子各出一个电子,形成共价键。
金刚石结构是一个正四面体,任意两个共价键之间的夹角都是109°28′。
由于共价晶体具有刚性的电子结构,因此它们非常硬而不易变形,并具有熔点高、导电性能差、对于可见光透明(即不吸收可见光)等特点。
硅、锗等半导体材料都属于这一类晶体。
3.分子晶体
分子晶体是由惰性原子或无极分子结合而成的,其结合力本质上与范德瓦尔斯气体分子的引力相同,是由于分子在相互靠近时感应出瞬时电偶极矩而产生的引力。
因此,该结合力称为分子键或范德瓦尔斯键。
大部分有机化合物的晶体和由氯(Cl2)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)气体以及惰性气体,如氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)等在低温下形成的晶体都是分子晶体。
由于惰性元素具有球对称性,所以惰性气体形成的晶体都是面心立方结构。
范德瓦尔斯力很弱,故分子晶体的结合力很小,因此分子晶体的硬度小,熔点低,很容易压缩和变形,不是热和电的导体。
4.金属晶体
金属是一类具有重要实用价值的晶体,它与共价晶体比较相似。
在金属晶体中,原子失去它的部分或全部价电子而成为离子实。
那些离开原子的价电子,不属于某一个离子实所有,而为全体离子实所共有,并可在离子实构成的点阵之间运动,这就形成了价电子的“共有化”。
因此在金属晶体中好像“弥漫”着自由电子“气体”,也正是这种负电子气的存在,才使得湮没于电子气中的正离子形成了稳定的点阵。
通常把在金属晶体中各点阵粒子之间起结合作用的静电库仑力称为金属键,它是由共有化电子和带正电的离子实之间相互作用而形成的。
多数金属晶体是面心立方结构,如Cu,Ag,Au,Al,Ce,Ni,Ca,Sc等。
少数金属晶体是体心立方结构,如Li,K,Na,W,Mo等。
金属晶体最显著的物理性质是具有良好的导电性。
金属晶体还具有良好的导热性。
这都是因为自由电子很容易从电磁辐射或点阵振动中吸收能量,从而增加它们的动能和迁移程度。
由于自由电子可吸收可见光范围的光子,故金属晶体是不透明的。
5.晶体的特性
一般来说,晶体具有以下3个方面的特性:
(1)晶体结构的周期性和对称性我们可选取最小的重复单元即晶胞来反映晶体的周期性。
晶体的外形、结构和性质在不同方向和位置有规律地重复出现的现象称为晶体的对称性。
例如NaCl晶体在绕其中心轴每转90°,晶体自身可重合。
又例如具有六面柱体形状的石英晶体,绕其中心轴每转120°,晶体自身也可重合。
(2)晶体的各向异性和晶格振动晶体的物理性质,常随方向不同而发生量的差异,这种性质称为各向异性。
例如,在不同方向上,晶体有不同的弹性性质、不同的波的传播速度。
它是由晶体内部不同方向上排列方式的差异所引起的。
晶体中的原子,并不是在各自平衡位置上固定不动,而是围绕其平衡位置作振动,并且由于晶体内原子间存在相互作用力,各个原子振动也不是孤立的,而是相互关联的。
这种晶体原子的集体振动,称为晶格振动。
晶格振动直接关系到晶体的一些物理性质(例如,热传导、热膨胀、光波传播等)。
(3)晶体的最小内能性在相同的热力学条件下,具有同样化学物质成分的气体、液体、非晶体和晶体状态中,以晶体的内能为最小。
因此,非晶体有自发地向晶体转化的趋势,而晶体不可能自发地转变为其他状态。
值得指出的是,实际晶体中由于多种多样的原因总是存在着大量晶格结构缺陷。
晶格缺陷不仅关系到晶体结构的完整性和材料的力学性质,而且还影响到晶体的电磁学性质和光学性质。
所谓的晶格缺陷有时可能是消极的,但有时可能是积极的。
例如通过人为地往晶体中“掺杂”,控制其中杂质的种类及其浓度分布等,可使具有这种“缺陷”的晶体有某些特定的电磁学和光学功能,形成特定的器件。
9.2半导体材料
1947年在美国新泽西州的贝尔实验室,物理学家肖克莱、巴丁和布拉顿利用半导体材料锗制成了世界上第一个晶体三极管。
这一发明,具有划时代的历史意义,引起了现代电子学的革命。
他们三人也由此而获得了1956年度诺贝尔物理学奖。
1958年半导体硅集成电路的诞生,开创了以集成电路为核心的微电子技术发展的新局面。
那么什么是半导体呢?
为了清晰地认识为什么某些材料能够导电,而另一些材料不能导电,我们则首先应对自由电子模型以及晶格对电子能级的影响有比较清楚的认识。
9.2.1电子的共有化
在单个原子中,某一电子只受到原子核和同一原子中其他电子的相互作用,处于这种束缚态的电子所具有的能量(E1,E2,E3,…,En)是不连续的,即电子能量是量子化的。
这些不连续的能量可以借助于能量图中一系列分立能级来表示。
根据泡利不相容原理,每一能级上至多只能容纳两个自旋方向相反的电子。
因此在一般正常状况下,原子中的电子并不都是处于最低能级上。
能级越高,相邻能级间的间隙就越小,相应的电子也就越容易从较低能级过渡到较高能级。
图96晶体内一个电子的一维势场
当大量原子组成晶体后,在晶体内部形成周期性势场。
这是由于晶体中的原子有规则地排列,相邻原子的电荷相互影响所致。
图96是晶格常数(相邻格点的距离)为a的一维无限长离子点阵所形成的周期性电场示意图,a为它的空间周期。
当然,实际的晶体是三维晶体点阵,这时电子的电场具有三维周期性。
这时每个电子不仅要受到本身原子核的作用,还要受到相邻原子核的作用。
这种作用对于内层电子和外层价电子的影响是不一样的。
内层电子被本身原子核牢牢束缚着,所以,受到相邻原子核的影响较小,而价电子由于其运动轨道的大小和相邻原子间的距离基本上皆为10-10m数量级,所以受到相邻原子核的影响比较显著,从而使势垒的高度和宽度均变小。
由量子力学原理可知,电子在势垒宽度变小的情况下,通过隧道效应可以从一个原子中进入到另一个原子中,而不被特定离子所束缚。
由图96所示可知,电子的能量越高,电子穿过势垒的概率越大。
这样价电子就不再只局限于某一个原子,而为整个晶体中的所有原子所共有,电子将在这些原子的共同作用下运动。
其基本运动特点和自由电子的运动十分相似。
通常称这种现象为电子的共有化。
因此,电子共有化是一种量子效应,属于非经典的范畴。
9.2.2能带的形成
价电子实现共有化后,在晶体的周期性势场中,电子的能量状态由孤立原子中的一系列能级,分裂成为许多和原来能级很接近的子能级。
由于这些新的子能级十分集密,基本上连成一片,形成具有一定宽度的能量带,故称为能带。
对N个原子所组成的晶体,每个能带将由N个能量差非常小的能级所组成。
也就是说,每个能带中包含的子能级数等于晶体所包含的原子总结合成晶体时形成能带数N。
对于实际晶体来说,一般原子数总是十分巨大的(约1023),所以能带中分布的大量子能级几乎可以看成是连续的。
能带的宽度与晶体的类型、元素的类别、能量的高低都是相关的,其数量级大约为几十个eV。
图97为N个原子结合成晶体时形成能带的示意图。
图97N个原子
由于在孤立原子中每个能级上只能容纳有限个电子,在第一个能带上的电子数,虽然要增加N倍,但仍只能容纳有限个电子。
在基态时,总是低能量的能带先被占据,然后逐步向上填充。
由价电子填充的能带称为价带。
若价带中所有状态(子能级)被价电子占满,称为满带。
未被占满的价带,称为导带。
没有被电子占据的能带,称为空带。
图98是由孤立钠原子结合成钠晶体后的能带图。
从图中可以看到电子能量由能级转变为能带,钠的价带是3s能带,价带上方的激发态能带3p,4s,3d等由于没有电子填充,因此,都是空带。
图98钠晶体的能带
在两个相邻能带之间,有一个不存在电子稳定状态的能量区域,这个区域称为禁带。
随着电子能量的升高,禁带变窄。
若晶体中两个相邻能带互相重叠,这时禁带消失。
大量实验证明了晶体中能带的存在。
例如用高能电子束射入晶体,可把其中某些电子打出来,而晶体中的另一些电子便由高能级,跃迁到低能级,发出一系列辐射。
由这些辐射谱就可以了解晶体中的能带状况,进而获得能带的有关数据。
X射线光电子谱、光吸收谱、回旋共振等磁光测量都是研究晶体能带结构的常用实验方法。
9.2.3能带上电子的分布
由原子壳层结构中能量最小原理可知,每个s支壳层(l=0)只能容纳一对自旋相反的电子,所以由N个原子组成的晶体,其s能带上,不论是1s,2s,还是ns都有N个子能级。
每个子能级可以容纳两个自旋相反的电子,因此总共可容纳2N个电子。
对于原子的p能级,不论是2p,3p,还是np,因l=1,相应的ml=0,±1三个子能级,每个子能级可容纳一对自旋相反的电子,故总共可容纳6个电子。
因此由N个原子组成的晶体,其p能带上总共可容纳6N个电子。
依次类推,对d或f能带,最多可容纳10N或14N个电子。
总起来说,由N个原子组成的晶体,其l一定的一条能带中的能态数或最多可容纳的电子数为2(2l+1)N个。
9.2.4导体、绝缘体和半导体
一般来说,晶体按其导电性能可划分为导体、绝缘体和半导体。
电阻率大约在10-8~10-6Ω·m的物体称为导体,它善于传导电流;电阻率处在108~1020Ω·m的物体称为绝缘体(也称为电介质);半导体的电阻率大约为10-5~107Ω·m,它的导电能力介于导体和绝缘体之间。
根据上述晶体的能带理论,可以很好地说明晶体导电性能的各种差别。
一般情况下,原子内层能级在正常状态下都已被电子填满,当结合成晶体时,与此能级相应的能带如果不和其它能带重叠的话,内层能带一般都是满带。
由于满带中所有可能的能态都已被电子占满,因此不论有无外电场作用,当满带中任一电子自其原占有的能态向这一能带中的其它任一能态转移时,就必然会有另外的一个电子沿相反方向转移与之相补偿,如图9.9所示,其总效果与没有电子转移一样。
所以,满带中的电子没有导电作用。
但对于价带来说,由于晶体的价带中的能级没有全部被电子占满,在外电场作用下,电子将可以进入能带中未被占满的高能级,而没有反向电子的转移与之相补偿,如图910所示,因而形成电流。
这种未填满电子的能带也称为导带,主要是因为其中的电子能够起到导电的作用。
如果有电子在外界作用下,进入空带,在外电场作用下,电子就可由原空带中的低能级向高能级转移,表现出具有一定的导电性,因此从这个意义上讲,空带有时也称为导带。
综上所述,晶体中的满带对导电性是没有贡献的,只有在导带中的电子(称为自由电子)才对晶体的导电性有贡献,这些电子来源于原子结构中外层轨道上的价电子。
据此,我们来分析导体、绝缘体和半导体的能带结构。
图9.9满带图9.10导带图9.11导体能带
(1)导体导体的能带结构如图9.11所示。
这种能带的特点是其价带只填充了部分电子,或者价带虽已填满,但与另一相邻的空带紧密相连或部分重叠。
在这两种情况中,外电场的作用使未满的能带中能量较大的电子获得能量,可以进入到同一能带中较高的空能级中,或由满带中能量较大的电子获得能量,进入到与之重叠的空带之中,形成电流。
以金属晶体来说,它们多数是一价的,故晶体中N个电子不能填满一个能带而形成导带,所以金属是导体。
在外电场作用下,金属导带中的自由电子从外电场中吸取能量,跃迁到较高能级上,形成了电流。
以钠晶体为例,钠原子的电子组态为1s22s22p63s1,钠晶体的1s,2s和2p能带都是满带,能带3s上共有2N个能态,但仅有N个电子,所以3s能带是半满的,是导带。
因此钠晶体是一种良导体。
又例如镁原子的电子组态为1s22s22p63s2,当组成晶体后,3s能带上的N个能级被2N个价电子所填满,似乎镁是不能导电的。
但是由于镁晶体中3s能带与3p能带是相互重叠的,价电子仅填满了其中的一部分,在外电场作用下,镁晶体中仍有电子转移发生,所以镁晶体也是良导体。
图9.12绝缘体
(2)绝缘体绝缘体的能带结构与导体能带结构的不同之处在于电子恰好填满了能量低的能带,能量高的能带都是空的,也就是说,绝缘体中不存在导带,只有满带和空带,中间为禁带,如图912所示。
绝缘体的基本特征是满带与空带之间的禁带宽度ΔEg很大,约为3~6eV。
当采用一般的热激发、光照或施加不太强的电场时,满带中的电子很难获得足够的能量从满带被激发到空带中形成自由电子,所以绝缘体的导电性能很差。
如果绝缘体满带中的电子能够获得足够能量跃进空带,则该绝缘体就变成导体,这时意味着绝缘体被击穿。
图913金钢石能带结构
以碳原子组成的金刚石晶体为例,它的孤立原子电子组态为1s22s22p2,初看似乎2p能带未被填满应为导体,但是当N个碳原子相互靠近结合成金刚石时,2s和2p两能带发生重叠,并再度分成两个分立的能带,如图913所示。
每个能带各具有4N个量子态,下面的能态正好被填满,上方为一个空带,在这两个能带之间的禁带宽度ΔEg为533eV,这可以看作是一个相当大的能量差。
因此,金刚石的导电性能很差,是一种很好的绝缘体。
大多数共价晶体都是绝缘体。
(3)半导体半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间,其能带结构与绝缘体类似。
在绝对零度时,只存在满带和空带。
但是半导体的能带特点是,上方的空带和下方的满带之间的禁带宽度ΔEg比较小,一般约为01~2eV。
图914是半导体的能带结构示意图。
由于半导体中的ΔEg较小,所以用不太大的能量(热、光或电场的能量)就可以把满带中的电子激发到空带中,使空带变为导带。
这时有两种情况:
一是在上面的导带中,少数电子所起的作用和它们在金属中所起的作用相同,在外电场作用下,电子作定向运动,形成电流,起导电作用,这种导电称为电子导电;二是在满带中留下的空位(也称空穴)可看成是带正电荷的准粒子,在外电场作用下,空穴又可被其它能态的电子填充,同时,又产生新的空穴。
这种电子填补空穴的运动,也是电子的定向运动,形成电流。
不过这种电子填充运动与电子运动方向相反,相当于带正电的准粒子的运动,这种导电称为空穴导电。
因此,半导体具有来自导带中的受激电子和来自满带中的空穴的导电性。
由于导带中自由电子的导电和满带中的空穴导电是同时存在的,而且满带中的空穴数和导带中的电子数正好相等,都是参与导电的载流子,所以宏观电流由两部分组成,一个是电子电流,一个是空穴电流。
这正是半导体导电和导体导电的差别,在导体中只有自由电子参与导电,而在半导体中有自由电子和空穴共同参与导电,也称半导体的本征导电性。
图914半导体
半导体的电阻率随温度不同有明显变化。
这是由于当温度升高时,有更多的电子被激发到空
带中去,使满带中的空穴数和导带中的电子数急剧增加,从而使导电性能大大提高,电阻率相应地大大降低。
例如在半导体硅中,当温度从250K增加到400K时,受激电子的数目增加了106倍,同时出现等量的空穴数,这就足以说明温度变化对半导体导电性能的直接影响。
值得指出的是,由于半导体中自由电子数目较少,这就有可能通过外部电场作用来控制电子的运动,进而控制半导体的导电性。
表91列出了几种绝缘体和半导体的禁带宽度ΔEg值,可供读者参考。
表91几种晶体的禁带宽度ΔEg
绝缘体ΔEg(eV)半导体ΔEg(eV)
金刚石(C)533硅(Si)114
氧化锌(ZnO)32锗(Ge)067
氯化银(AgCl)32碲(Te)033
硫化钙(CaS)242砷化镓(GaAs)143
9.2.5本征半导体和杂质半导体
半导体材料和器件在近代科技发展中得到了相当广泛的应用。
因此,深入研究半导体的结构和性能已成为固体物理学中的一项重要任务。
通常半导体可分为纯净的半导体和掺入一定杂质的半导体,前面介绍的半导体都是不含杂质的纯净半导体。
但是在实际应用中,纯净半导体并不适宜应用要求,因此人们又设计出了掺有杂质的杂质半导体。
1.本征半导体
我们已知半导体的禁带宽度较窄,满带的电子易于受激而进入空带,使之形成导带。
在外电场作用下,导带中电子和满带中的空穴都参与导电,这类半导体称为本征半导体,其中参与导电的电子和空穴称为本征载流子,相应的导电性称为本征导电性。
一般只有高纯度的半导体在较高温度时,才具有本征导电性。
2.杂质半导体
如果在纯净的半导体中,用扩散方法掺入少量其他元素的原子,改变其组分,这些少量原子对纯净半导体来说就是杂质,掺入杂质的半导体称为杂质半导体。
实验结果证明,如果采用杂质半导体,它的导电性能将有显著的变化。
这是由于半导体的性能对杂质很敏感,即使是掺入极其微量的杂质,也能对半导体的物理和化学性质产生极其明显的影响。
这是半导体材料的一个显著特点。
例如,若在硅中按原子数量掺入十万分之一的硼,其导电性能可提高一万倍。
同时,在半导体中掺入不同种类的杂质,可制成各种类型的半导体。
也就是说,掺入杂质既可提高半导体的导电能力,还可改变半导体的导电机理。
杂质半导体一般可分为两类:
一类是以电子导电为主的n型(电子型)半导体;另一类是以空穴导电为主的p型(空穴型)半导体。
以硅或锗半导体为例,硅或锗都是四价元素,都有四个价电子,因此在每个共价键中有两个价电子。
若在其中掺入少量的五价元素(V族杂质),如磷(P)或砷(As)等杂质,由于磷或砷原子都有五个价电子,如果一个硅原子被一个磷原子所取代,则磷原子中有四个价电子参与金刚石结构的硅晶体中的共价键,但却多余了一个电子,这个电子好像是在杂质原子的净电荷为+e的电场中运动,如图9.15所示。
理论计算表明,这些多余的价电子的实际能级处在禁带中而且靠近空带的底部,如图9.16所示,这种能级称为局域能级。
在受到热激发时,处于局域能级上的多余价电子极易进入空带,这就使杂质半导体比本征状态时的电子浓度大为增加,因此这种半导体是以电子导电为主的n型半导体。
例如,在n型硅的导带中电子浓度可达到5×1017l/cm3,比纯净硅导电时的电子浓度10101/cm3要大得多。
由于在n型半导体中,局域能级上的电子可跃迁进入空带,所以这个局域能级又称为施主能级。
实验测得施主能级与空带底部的能量差约为10-2eV。
图916n型半导体的能带
图915硅中的施主杂质
若在硅或锗半导体中掺入三价元素(Ⅲ族杂质),如硼(B)或镓Ga)等杂质时,则会出现另一种情况。
这种杂质原子在替代晶体中硅(或锗)原子而构成共价结构时,将缺少一个电子,于是在热运动的激发下,易把邻近的硅共价键中的电子俘获过来组成共价键,这样就在硅半导体中产生出一个空穴。
这个空穴带正电荷e,如图917所示。
理论计算表明,在禁带中也将出现一些空着的局域能级,这些局域能级靠近下面满带的顶部,在热激发影响下,满带中的电子极容
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