固体的能带结构第 4章
2005年秋季学期目 录
§ 4.1 固体的能带
§ 3.2 导体和绝缘体
§ 4.3 半导体的导电机构
§ 4.4 p? n 结
△ § 4.5 半导体器件
§ 4.6 半导体激光器 （补充）
固体物理既是一门 综合性 的 理论学科 又和固体物理是 信息技术 的物理基础
1928-29 建立能带理论并由实验证实
1947 发明晶体管
1962 制成集成电路实际应用 紧密结合（材料、激光、半导体 … ）
1982 80286 13.4万
1989 80486 120万
1993 pentium 320万
1995 pentium MMX 550万
1997 pentium2 750万集成度每 10 年增加 1000 倍 ！
1971 intel 4004 微处理器芯片 2300晶体管集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻没有晶体管和超大规模集成电路，就没有计现在在一个面积比邮票还小的芯片上可以集其上可以集成 10 9个元件，
度只有 0.12微米 。
成一个系统，
的研究分不开。
算机的普遍应用和今天的信息处理技术。
沟道长先看两个原子的情况
.
Mg
Mg
根据泡利不相容原理，
原来的能级已填满不能再填充电子
1s
2s
2p
3s
3p
1s
2s
2p
3s
3p
§ 4.1 固体的能带
— 分裂为两条各原子间的相互作用
原来孤立原子的能级发生分裂若有 N个原子组成一体，对于原来孤立原子的一个能级，就分裂成 N条靠得很近的能级，
能带的宽度记作?E
E ～ eV 的量级若 N~1023，则能带中两相邻能级的间距称为 能带（ energy band）。
约为 10-23eV。
能级 能带
N条能隙，禁带
E
一般规律：
1,越是外层电子，能带越宽,?E越大；
2,点阵间距越小，能带越宽,?E越大；
3,两个能带有可能重叠。
离子间距a
2P
2S
1S
E
0
能带重叠示意图一,电子在周期势场中的运动 电子共有化孤立原子中电子的势阱电子能级
+
势垒固体（这里指晶体）具有由大量分子、
电子受到周期性势场的作用：
a
原子或离子的规则排列而成的点阵结构。
解 定态薛定谔方程,可以得出 两点
1.电子的能量是量子化的；
2.电子的运动有隧道效应。
原子的 外层电子 （在高能级） 势垒穿透原子的内层电子与原子核结合较紧，一般概率较大,电子 可以在整个固体中运动，
称为 共有化电子。
重要结论：
不是 共有化电子。
二,能带中电子的排布固体中的一个电子只能处在某个能带中
1,排布原则：
（ 1） 服从泡里不相容原理（费米子）
（ 2） 服从能量最小原理对孤立原子的一个能级 Enl,它 最多能这一能级分裂成由 N个能级组成的能带，
的某一能级上。
容纳 2 (2l +1)个电子。
一个能带最多能容纳 2 (2l+1) N 个电子。
2p,3p能带，最多容纳 6Ｎ 个电子。
例如,1s,2s能带，最多容纳 2Ｎ 个电子。
每个能带最多容纳 2Ｎ 个电子每个能带最多容纳 6Ｎ 个电子单个 Mg
原子
1s
2s
2p
3s
3p
晶体 Mg
（ N个原子）
电子排布应从最低的能级排起。
满带,填满电子的能带。
空带,没有电子占据的能带。
不满带,未填满电子的能带。
禁带,不能填充电子的能区。
价带,和价电子能级相应的能带，
对半导体，价带通常是满带。
即最高的充有电子的能带。
2,几个概念满带
E
不满带禁带禁带价带空带不满带或满带以上最低的空带,
称为导带 。
3,能带中电子的导电性满带不导电：
… 电子交换能态 并不改变能量状态,所以满带不导电 。
电子在电场作用下作定向运动,
得到附加能量,电子能量发生变化 。
导带导电：
导带中电子 才 能 改变能量。
导电性,
E
p
价带 (满带 )
空带 (导带 )
不满带 (导带 )
E
E
p
m
pE
2
2
导带导电：
§ 4.2 导体和绝缘体它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。
固体按导电性能的高低可以分为导体
m10 8
半导体
m1010 74
绝缘体
m10 8
一,导体的能带结构空带导带
E
某些一价金属,
如,Li …
满带空带
E
某些二价金属,
如,Be,Ca,Mg,
Zn,Ba …
导带空带
E
如,Na,K,Cu,
Al,Ag…
导体 在外电场的作用下，大量共有化电子从能级图上来看,是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。
E
很易获得能量，集体定向流动形成电流。
二,绝缘体的能带结构
E
空带 空带满带禁带 ΔEg=3～ 6eV 从能级图来看,是因为满带绝缘体 在外电场的作用下，
当 外电场足够强 时，共有化电子还是能越过共有化电子很难从低能级
（满带）跃迁到高能级（空带）上去。
的能量,所以形不成电流。
（?Eg,3～ 6 eV），
与空带间有一个 较宽 的禁带禁带跃迁到上面的空带中，使 绝缘体被击穿 。
共有化电子很难接受外电场
§ 4.3 半导体的导电机构一,本征半导体 （ semiconductor）
本征半导体是指 纯净的 半导体。
本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。
1.本征 半导体 的能带结构
Eg=0.1?2eV
E
空带（导带）
满带禁带本征半导体所以加热、光照、加电场都能把电子从满带激到发空带中去，同时在满带中形成,空穴” （ hole）。
半导体 的 禁带宽度 Δ Eg
很 窄 （ 0.1 ～ 2eV），
例如半导体 Cd S：
满 带空 带
h?
Eg=2.42eV
满带上的一个电子跃迁到空带后，
满带中出现一个 带正电的 空位，称为
“空穴”。
电子和空穴总是成对出现的。
电子和空穴叫 本征载流子,它们形成半导体的 本征导电性。 当光照 h? >Δ Eg 时,可发 生 本征吸收,形成 本征光电导。
2,两种导电机构
（ 1）电子导电 — 半导体的主要载流子是电子解
m a x
m i n
hchE
g
nm5 1 4
106.142.2
1031063.6
19
834
m a x
gE
hc?
【 例 】 要使半导体 Cd S产生 本征光电导,求激发电子的光波的波长最大多长？
在外电场作用下，电子可以跃迁到空穴上来，
这相当于 空穴反向跃迁。
空穴跃迁也形成电流,这称为空穴导电。
空带满带
Eg
（ 2） 空穴导电 — 半导体的主要载流子是空穴当 外电场足够强时,共有化电子还是能越
【 思考 】 为什么导体的电阻随温度升高而升高,而半导体的电阻却随温度升高而降低？
半导体 导体击穿过禁带跃迁到上面的空带中，使 半导体击穿。
二,杂质 （ impurity） 半导体
1,n型半导体又称 n 型半导体。
量子力学表明,这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处,?ED～ 10-2eV，极易形成电子导电。
本征半导体 Si,Ge等的四个价电子，与另四个原子形成共价结合,当掺入少量五价的 杂质元素（如 P,As等）时,就形成了 电子型半导体，
n 型半导体空 带满 带施主能级
ED
Eg
Si Si Si Si
Si
Si
Si
P
这种靠近空带的附加能级称为 施主 （ donor）
能级。 如下图示：
则 P 原子浓度～ 1018 cm?3
np=1,5× 1010 cm? 3
+ 1018 = 1018 cm?3
室温下,本征激发 杂质激发导带中电子浓度 nn = 1.5× 1010
满带中空穴浓度设 Si中 P的含量为 10?4
电子是多数载流子,空穴是少数载流子。
在 n型半导体中：
电子浓度 nn ～ 施主杂质浓度 nd
Si 原子浓度～ 1022 cm?3
2,p型半导体四价的本征半导体 Si、Ｇ e等掺入少量三价的 杂质 元素（如Ｂ,Ga,In等）时，就形成 空穴型半导体,又称 p 型半导体。
量子力学表明,这种掺杂后多余的空穴能级在禁带中紧靠满带处,?EA < 10 -1eV，极易产生空穴导电。
空 带
EA满 带受主能级
P型半导体
Si Si Si Si
Si
Si
Si
+
B
Eg
这种靠近满带的附加能级称为 受主 （ acceptor）
能级。 如下图示：
则 B 原子浓度～ 1018 cm? 3
np= 1.5× 1010
室温下,本征激发 杂质激发导带中电子浓度 nn=1.5× 1010cm? 3
满带中空穴浓度设 Si中 B的含量为 10－ 4
+ 1018 = 1018 cm? 3
空穴是多数载流子,电子是少数载流子。
空穴浓度 np ～ 受主杂质浓度 na
在 p型半导体中：
Si 原子浓度～ 1022 cm? 3
3,n型化合物半导体例如，化合物 GaAs中掺 Te，六价的 Te替代五价的 As可形成施主能级,成为 n型 GaAs杂质半导体。
4,p型化合物半导体例如，化合物 GaAs中掺 Zn，二价的 Zn替代三价的 Ga可形成受主能级,成为 p型 GaAs
杂质半导体。
三,杂质的补偿作用实际的半导体中既有施主杂质（浓度 nd），
又有受主杂质（浓度 na），两种杂质有补偿作用：
若 nd? na—— 为 n型（施主）
若 nd? na—— 为 p型（受主）
利用杂质的补偿作用，可以制成 p-n 结。
§ 4.4 p -n 结一,p - n 结的形成在 n 型 半导体基片的一侧 掺入较高浓度的面附近 产生了一个 内建内E
。内E?
阻止电子和空穴进一步扩散。
内E
电子和空穴的扩散，
在 p型和 n型半导体 交界
p型半导体 (补偿作用 )。
受主杂质,
（电）场该区就成为
n型p型内建场大到一定程度，不再有净电荷的流动，达到了新的平衡。
在 p型和 n型交界面附近形成的这种特殊结构称为 p-n结（阻挡层，耗尽层），其厚度约为 0.1?m。
p-n结内E
p型 n型
U0
0eU?
电势电子电势能
p-n结
np
由于 p-n结的存在,电子 的能量应考虑进势这使电子能带出现弯曲：
空带空带
p-n结
0eU?
施主能级受主能级满带满带垒带来的 附加势能 。
二,p - n结的单向导电性
1,正向偏压
p-n结的 p型区接电源正极，叫 正向偏压。
向 p区运动，
阻挡层势垒 降低,变窄，
有利于 空穴向 n区运动，
也有利于 电子外E
内E
和 反向，
这些都形成 正向电流（ mＡ级）。
外E
p型 n型I
内E
+?
外加正向电压越大，
形成的正向电流也越大，
且呈 非线性的伏安特性。U（伏）
30
20
10
（毫安）
正向
0
0.2
1.0
I
锗管的伏安特性曲线
2,反向偏压
p-n结的 p型区接电源负极，叫 反向偏压。
也不利于电阻挡层势垒升高、变宽，
不利于空穴向 n
区运动，
外E
内E
和 同向，
会形成很弱的反向电流,称漏电流（?Ａ级）。
I
无正向电流外E
p型 n型内E
+?
子向 p区运动。 但是由于少数载流子的存在，
当外电场很强，反向电压超过某一数值后，
反向电流会急剧增大 — 反向击穿。
V (伏 )
I
-10
-20
-30
（微安）
反向
-20-30
用 p? n结的 单向导电性，
击穿电压用 p? n结的 光生伏特效应,可制成光 电池。
p - n结的应用：
做 整流、开关 用。
加反向偏压时，
p? n结的伏安特性曲线如左图。
可制成 晶体二极管 （ diode），
△§ 4.5 半导体器件 （自学书第 4.7节）
p-n结的适当组合可以作成具有放大作用的晶体 三极管 （ trasistor） 和其他一些半导体器件。
集成电路大规模集成电路超大规模集成电路晶体管
（ 1947 ）
（ 1962 ）
（ 80年代 ）
103
105
甚大规模集成电路巨大规模集成电路
107
109
（ 70年代 ）
（ 90年代 ）
（现在）
晶体管的发明 1947年 12月 23日，美国贝尔实验室的半导体小组做出世界上第一只具有放大作用的 点接触型 晶体三极管 。
1956年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。
巴丁
J.Bardeen
布拉顿
W.H.Brattain
肖克利
W.Shockley
每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲大小，它有 300多万个三极管。
INMOS T900 微处理器同质结激光器 — 由同种材料制成的 p-n结半导体激光器分两类：
异质结激光器 — 由两种不同材料制成的 p-I-n
§ 4.6 半导体激光器 （补充）
半导体激光器是光纤通讯中的重要光源,在创建信息高速公路的工程中起着极重要的作用 。
（重掺杂）
结（ I为本征半导体）
重掺杂
p n
满 带空 带
p n
满 带空 带普通掺杂
1,同质结激光器加正向偏压 V? 粒子数反转。
p n
阻挡层
E内
- +
+
-
+
-
+-
+
-
Ｅ 外 E内
p n
阻挡层
+
--
--
- +
++
+
p n
满 带空 带 eU0
p n
满 带空 带 e(U0-V)
电子空穴复合发光，
由自发辐射引起 受激辐射。,
解理面
p-n结
p-n结它的两个端面就相当于两个反射镜,
光振荡 并利于 选频。,
的反射系数，
激励能源就 是外接电源（电泵）。
使电子空穴的复合不断进行，维持激光的输出。
p-n结本身就形成一个 光学谐振腔，
它提供正向电流，
适当镀膜达到所要求可形成解理面
p-n结核心部分：
p型 GaAs
n型 GaAs
典型尺寸 （?m）,
长 L= 250 - 500
宽 W = 5 - 10
厚 d = 0.1- 0.2
GaAs同质结半导体激光器
2,异 质结激光器作为概念上的过渡，先介绍 同质 p-I-n结。
同质结的缺点是需要重掺杂，且光损耗大。
加正向偏压实现粒子数反转。 需要电压较高。
导带禁带价带p I n
p I n
--
--
--
++
++
++
E内
U0
导带禁带价带三块半导体 紧密接触，形成 p-I-n 结
I np
（本征）
+ -
p I n
E内E外异质 p-I-n结激光器：
Ga1-x Alx As GaAs Ga1-x Alx As
加正向偏压后,很容易实现粒子数反转。
GaAs和 GaAlAs,晶格常数基本相同，
禁带宽度不同，折射率不同紧密接触,形成 p-I-n 结导带禁带价带p I n
导带禁带价带
U0
I np p I n-----
-
++
++
++
E内
+ -
p I n
E内E外
（ 2） GaAs的折射率比两侧高 5%，可形成全实际使用的都是 异质结激光器。
异质结激光器的优点：
（ 1）无须重掺杂；
（ 3）阈值电流密度低，可在室温下连续工作。
反射，把激光束限制在激活区内；
半导体激光器的特点：
功率可达 102 mW
效率高制造方便 成本低所需电压低（对 GaAs只需 1.5V ）
体积小 极易与光纤接合电能直接变成光能寿命长 可达百万小时用于激光通讯、信息储存、处理和显示器件、测距、
制导、夜视等。
2005年秋季学期目 录
§ 4.1 固体的能带
§ 3.2 导体和绝缘体
§ 4.3 半导体的导电机构
§ 4.4 p? n 结
△ § 4.5 半导体器件
§ 4.6 半导体激光器 （补充）
固体物理既是一门 综合性 的 理论学科 又和固体物理是 信息技术 的物理基础
1928-29 建立能带理论并由实验证实
1947 发明晶体管
1962 制成集成电路实际应用 紧密结合（材料、激光、半导体 … ）
1982 80286 13.4万
1989 80486 120万
1993 pentium 320万
1995 pentium MMX 550万
1997 pentium2 750万集成度每 10 年增加 1000 倍 ！
1971 intel 4004 微处理器芯片 2300晶体管集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻没有晶体管和超大规模集成电路，就没有计现在在一个面积比邮票还小的芯片上可以集其上可以集成 10 9个元件，
度只有 0.12微米 。
成一个系统，
的研究分不开。
算机的普遍应用和今天的信息处理技术。
沟道长先看两个原子的情况
.
Mg
Mg
根据泡利不相容原理，
原来的能级已填满不能再填充电子
1s
2s
2p
3s
3p
1s
2s
2p
3s
3p
§ 4.1 固体的能带
— 分裂为两条各原子间的相互作用
原来孤立原子的能级发生分裂若有 N个原子组成一体，对于原来孤立原子的一个能级，就分裂成 N条靠得很近的能级，
能带的宽度记作?E
E ～ eV 的量级若 N~1023，则能带中两相邻能级的间距称为 能带（ energy band）。
约为 10-23eV。
能级 能带
N条能隙，禁带
E
一般规律：
1,越是外层电子，能带越宽,?E越大；
2,点阵间距越小，能带越宽,?E越大；
3,两个能带有可能重叠。
离子间距a
2P
2S
1S
E
0
能带重叠示意图一,电子在周期势场中的运动 电子共有化孤立原子中电子的势阱电子能级
+
势垒固体（这里指晶体）具有由大量分子、
电子受到周期性势场的作用：
a
原子或离子的规则排列而成的点阵结构。
解 定态薛定谔方程,可以得出 两点
1.电子的能量是量子化的；
2.电子的运动有隧道效应。
原子的 外层电子 （在高能级） 势垒穿透原子的内层电子与原子核结合较紧，一般概率较大,电子 可以在整个固体中运动，
称为 共有化电子。
重要结论：
不是 共有化电子。
二,能带中电子的排布固体中的一个电子只能处在某个能带中
1,排布原则：
（ 1） 服从泡里不相容原理（费米子）
（ 2） 服从能量最小原理对孤立原子的一个能级 Enl,它 最多能这一能级分裂成由 N个能级组成的能带，
的某一能级上。
容纳 2 (2l +1)个电子。
一个能带最多能容纳 2 (2l+1) N 个电子。
2p,3p能带，最多容纳 6Ｎ 个电子。
例如,1s,2s能带，最多容纳 2Ｎ 个电子。
每个能带最多容纳 2Ｎ 个电子每个能带最多容纳 6Ｎ 个电子单个 Mg
原子
1s
2s
2p
3s
3p
晶体 Mg
（ N个原子）
电子排布应从最低的能级排起。
满带,填满电子的能带。
空带,没有电子占据的能带。
不满带,未填满电子的能带。
禁带,不能填充电子的能区。
价带,和价电子能级相应的能带，
对半导体，价带通常是满带。
即最高的充有电子的能带。
2,几个概念满带
E
不满带禁带禁带价带空带不满带或满带以上最低的空带,
称为导带 。
3,能带中电子的导电性满带不导电：
… 电子交换能态 并不改变能量状态,所以满带不导电 。
电子在电场作用下作定向运动,
得到附加能量,电子能量发生变化 。
导带导电：
导带中电子 才 能 改变能量。
导电性,
E
p
价带 (满带 )
空带 (导带 )
不满带 (导带 )
E
E
p
m
pE
2
2
导带导电：
§ 4.2 导体和绝缘体它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。
固体按导电性能的高低可以分为导体
m10 8
半导体
m1010 74
绝缘体
m10 8
一,导体的能带结构空带导带
E
某些一价金属,
如,Li …
满带空带
E
某些二价金属,
如,Be,Ca,Mg,
Zn,Ba …
导带空带
E
如,Na,K,Cu,
Al,Ag…
导体 在外电场的作用下，大量共有化电子从能级图上来看,是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。
E
很易获得能量，集体定向流动形成电流。
二,绝缘体的能带结构
E
空带 空带满带禁带 ΔEg=3～ 6eV 从能级图来看,是因为满带绝缘体 在外电场的作用下，
当 外电场足够强 时，共有化电子还是能越过共有化电子很难从低能级
（满带）跃迁到高能级（空带）上去。
的能量,所以形不成电流。
（?Eg,3～ 6 eV），
与空带间有一个 较宽 的禁带禁带跃迁到上面的空带中，使 绝缘体被击穿 。
共有化电子很难接受外电场
§ 4.3 半导体的导电机构一,本征半导体 （ semiconductor）
本征半导体是指 纯净的 半导体。
本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。
1.本征 半导体 的能带结构
Eg=0.1?2eV
E
空带（导带）
满带禁带本征半导体所以加热、光照、加电场都能把电子从满带激到发空带中去，同时在满带中形成,空穴” （ hole）。
半导体 的 禁带宽度 Δ Eg
很 窄 （ 0.1 ～ 2eV），
例如半导体 Cd S：
满 带空 带
h?
Eg=2.42eV
满带上的一个电子跃迁到空带后，
满带中出现一个 带正电的 空位，称为
“空穴”。
电子和空穴总是成对出现的。
电子和空穴叫 本征载流子,它们形成半导体的 本征导电性。 当光照 h? >Δ Eg 时,可发 生 本征吸收,形成 本征光电导。
2,两种导电机构
（ 1）电子导电 — 半导体的主要载流子是电子解
m a x
m i n
hchE
g
nm5 1 4
106.142.2
1031063.6
19
834
m a x
gE
hc?
【 例 】 要使半导体 Cd S产生 本征光电导,求激发电子的光波的波长最大多长？
在外电场作用下，电子可以跃迁到空穴上来，
这相当于 空穴反向跃迁。
空穴跃迁也形成电流,这称为空穴导电。
空带满带
Eg
（ 2） 空穴导电 — 半导体的主要载流子是空穴当 外电场足够强时,共有化电子还是能越
【 思考 】 为什么导体的电阻随温度升高而升高,而半导体的电阻却随温度升高而降低？
半导体 导体击穿过禁带跃迁到上面的空带中，使 半导体击穿。
二,杂质 （ impurity） 半导体
1,n型半导体又称 n 型半导体。
量子力学表明,这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处,?ED～ 10-2eV，极易形成电子导电。
本征半导体 Si,Ge等的四个价电子，与另四个原子形成共价结合,当掺入少量五价的 杂质元素（如 P,As等）时,就形成了 电子型半导体，
n 型半导体空 带满 带施主能级
ED
Eg
Si Si Si Si
Si
Si
Si
P
这种靠近空带的附加能级称为 施主 （ donor）
能级。 如下图示：
则 P 原子浓度～ 1018 cm?3
np=1,5× 1010 cm? 3
+ 1018 = 1018 cm?3
室温下,本征激发 杂质激发导带中电子浓度 nn = 1.5× 1010
满带中空穴浓度设 Si中 P的含量为 10?4
电子是多数载流子,空穴是少数载流子。
在 n型半导体中：
电子浓度 nn ～ 施主杂质浓度 nd
Si 原子浓度～ 1022 cm?3
2,p型半导体四价的本征半导体 Si、Ｇ e等掺入少量三价的 杂质 元素（如Ｂ,Ga,In等）时，就形成 空穴型半导体,又称 p 型半导体。
量子力学表明,这种掺杂后多余的空穴能级在禁带中紧靠满带处,?EA < 10 -1eV，极易产生空穴导电。
空 带
EA满 带受主能级
P型半导体
Si Si Si Si
Si
Si
Si
+
B
Eg
这种靠近满带的附加能级称为 受主 （ acceptor）
能级。 如下图示：
则 B 原子浓度～ 1018 cm? 3
np= 1.5× 1010
室温下,本征激发 杂质激发导带中电子浓度 nn=1.5× 1010cm? 3
满带中空穴浓度设 Si中 B的含量为 10－ 4
+ 1018 = 1018 cm? 3
空穴是多数载流子,电子是少数载流子。
空穴浓度 np ～ 受主杂质浓度 na
在 p型半导体中：
Si 原子浓度～ 1022 cm? 3
3,n型化合物半导体例如，化合物 GaAs中掺 Te，六价的 Te替代五价的 As可形成施主能级,成为 n型 GaAs杂质半导体。
4,p型化合物半导体例如，化合物 GaAs中掺 Zn，二价的 Zn替代三价的 Ga可形成受主能级,成为 p型 GaAs
杂质半导体。
三,杂质的补偿作用实际的半导体中既有施主杂质（浓度 nd），
又有受主杂质（浓度 na），两种杂质有补偿作用：
若 nd? na—— 为 n型（施主）
若 nd? na—— 为 p型（受主）
利用杂质的补偿作用，可以制成 p-n 结。
§ 4.4 p -n 结一,p - n 结的形成在 n 型 半导体基片的一侧 掺入较高浓度的面附近 产生了一个 内建内E
。内E?
阻止电子和空穴进一步扩散。
内E
电子和空穴的扩散，
在 p型和 n型半导体 交界
p型半导体 (补偿作用 )。
受主杂质,
（电）场该区就成为
n型p型内建场大到一定程度，不再有净电荷的流动，达到了新的平衡。
在 p型和 n型交界面附近形成的这种特殊结构称为 p-n结（阻挡层，耗尽层），其厚度约为 0.1?m。
p-n结内E
p型 n型
U0
0eU?
电势电子电势能
p-n结
np
由于 p-n结的存在,电子 的能量应考虑进势这使电子能带出现弯曲：
空带空带
p-n结
0eU?
施主能级受主能级满带满带垒带来的 附加势能 。
二,p - n结的单向导电性
1,正向偏压
p-n结的 p型区接电源正极，叫 正向偏压。
向 p区运动，
阻挡层势垒 降低,变窄，
有利于 空穴向 n区运动，
也有利于 电子外E
内E
和 反向，
这些都形成 正向电流（ mＡ级）。
外E
p型 n型I
内E
+?
外加正向电压越大，
形成的正向电流也越大，
且呈 非线性的伏安特性。U（伏）
30
20
10
（毫安）
正向
0
0.2
1.0
I
锗管的伏安特性曲线
2,反向偏压
p-n结的 p型区接电源负极，叫 反向偏压。
也不利于电阻挡层势垒升高、变宽，
不利于空穴向 n
区运动，
外E
内E
和 同向，
会形成很弱的反向电流,称漏电流（?Ａ级）。
I
无正向电流外E
p型 n型内E
+?
子向 p区运动。 但是由于少数载流子的存在，
当外电场很强，反向电压超过某一数值后，
反向电流会急剧增大 — 反向击穿。
V (伏 )
I
-10
-20
-30
（微安）
反向
-20-30
用 p? n结的 单向导电性，
击穿电压用 p? n结的 光生伏特效应,可制成光 电池。
p - n结的应用：
做 整流、开关 用。
加反向偏压时，
p? n结的伏安特性曲线如左图。
可制成 晶体二极管 （ diode），
△§ 4.5 半导体器件 （自学书第 4.7节）
p-n结的适当组合可以作成具有放大作用的晶体 三极管 （ trasistor） 和其他一些半导体器件。
集成电路大规模集成电路超大规模集成电路晶体管
（ 1947 ）
（ 1962 ）
（ 80年代 ）
103
105
甚大规模集成电路巨大规模集成电路
107
109
（ 70年代 ）
（ 90年代 ）
（现在）
晶体管的发明 1947年 12月 23日，美国贝尔实验室的半导体小组做出世界上第一只具有放大作用的 点接触型 晶体三极管 。
1956年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。
巴丁
J.Bardeen
布拉顿
W.H.Brattain
肖克利
W.Shockley
每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲大小，它有 300多万个三极管。
INMOS T900 微处理器同质结激光器 — 由同种材料制成的 p-n结半导体激光器分两类：
异质结激光器 — 由两种不同材料制成的 p-I-n
§ 4.6 半导体激光器 （补充）
半导体激光器是光纤通讯中的重要光源,在创建信息高速公路的工程中起着极重要的作用 。
（重掺杂）
结（ I为本征半导体）
重掺杂
p n
满 带空 带
p n
满 带空 带普通掺杂
1,同质结激光器加正向偏压 V? 粒子数反转。
p n
阻挡层
E内
- +
+
-
+
-
+-
+
-
Ｅ 外 E内
p n
阻挡层
+
--
--
- +
++
+
p n
满 带空 带 eU0
p n
满 带空 带 e(U0-V)
电子空穴复合发光，
由自发辐射引起 受激辐射。,
解理面
p-n结
p-n结它的两个端面就相当于两个反射镜,
光振荡 并利于 选频。,
的反射系数，
激励能源就 是外接电源（电泵）。
使电子空穴的复合不断进行，维持激光的输出。
p-n结本身就形成一个 光学谐振腔，
它提供正向电流，
适当镀膜达到所要求可形成解理面
p-n结核心部分：
p型 GaAs
n型 GaAs
典型尺寸 （?m）,
长 L= 250 - 500
宽 W = 5 - 10
厚 d = 0.1- 0.2
GaAs同质结半导体激光器
2,异 质结激光器作为概念上的过渡，先介绍 同质 p-I-n结。
同质结的缺点是需要重掺杂，且光损耗大。
加正向偏压实现粒子数反转。 需要电压较高。
导带禁带价带p I n
p I n
--
--
--
++
++
++
E内
U0
导带禁带价带三块半导体 紧密接触，形成 p-I-n 结
I np
（本征）
+ -
p I n
E内E外异质 p-I-n结激光器：
Ga1-x Alx As GaAs Ga1-x Alx As
加正向偏压后,很容易实现粒子数反转。
GaAs和 GaAlAs,晶格常数基本相同，
禁带宽度不同，折射率不同紧密接触,形成 p-I-n 结导带禁带价带p I n
导带禁带价带
U0
I np p I n-----
-
++
++
++
E内
+ -
p I n
E内E外
（ 2） GaAs的折射率比两侧高 5%，可形成全实际使用的都是 异质结激光器。
异质结激光器的优点：
（ 1）无须重掺杂；
（ 3）阈值电流密度低，可在室温下连续工作。
反射，把激光束限制在激活区内；
半导体激光器的特点：
功率可达 102 mW
效率高制造方便 成本低所需电压低（对 GaAs只需 1.5V ）
体积小 极易与光纤接合电能直接变成光能寿命长 可达百万小时用于激光通讯、信息储存、处理和显示器件、测距、
制导、夜视等。
