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    A-level考情分析丨物理-考點半導體背后的故事:能帶

    關鍵詞:      瀏覽:      發布日期:2019-08-02 10:58

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           在Edexcel物理AS的教材里,有這樣一張意義不明的圖片:

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      許許多多學生看到這張圖片后表示似懂又非懂。懂的是“這不就是導體、絕緣體和半導體嘛!”不懂的是“為嘛這么畫?什么是energy band?”。書上是這么解釋的:

    圖片1.png

      簡單說成兩句話:固體有能帶(energy band),能帶上有電子(electrons),其余地方不能有電子;價帶(valence band)上的電子得到能量躍遷到導帶(conduction band)開始定向流動形成電流。

      是不是還是很懵?到底什么是能帶?到底什么是價帶?到底什么是導帶?為啥價帶上不能形成電流而導帶可以?今天,就讓我們走進固體物理的世界,打開半導體物理的大門。

      首先我們先來復習下能級的概念:

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      如圖所示,是一個典型的氫原子能級圖。總所周知,一個原子是由原子核和核外電子組成的。核外的電子圍繞著原子核運動。對應到我們的能級圖上,可以看成越遠離原子核,電子的能級就越高,也就意味著越容易掙脫原子核的束縛,形成自由電子。電子就像一個頑皮的小孩子,原子核就像一位嚴厲的媽媽,在媽媽身邊時孩子總是聽話地跟著媽媽;而不在媽媽身邊,孩子很容易受到外界的誘惑然后跑出去玩耍。

      值得注意的是,這種模型只適用于單原子模型,也就是說其余的原子對我該研究的原子的作用可以忽略。這種模型我們常常用來描述氣體,因為氣體原子或分子之間距離很遠,相互作用很弱。但是面對固體這種原子、分子之間距離很小的物質,顯然這種單原子模型是不理想的。這時,能帶的概念就產生了。

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      能帶產生的誘因是公有化運動:當原子間距很小時,原子間的電子軌道將相遇而交疊,固體中的每個原子的電子同時受到多個原子核和電子的作用。電子不僅可以圍繞自身原子核旋轉,而且可以轉到另一個原子周圍,即同一個電子可以被多個原子共有,電子不再完全局限在某一個原子上,可以由一個院子轉到相鄰原子,將可以在整個固體中運動。(這個運動大概長這樣↓)

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      首先考慮兩個相同原子,當彼此距離很遠時,其能級為雙重簡并,即兩個原子具有相同的能量。

      當兩個原子接近時,由于兩原子間的相互作用,會使得雙重簡并能級一分為二。如果有N個原子形成一個固體,不同源自外層電子的軌道重疊且相互作用,這將造成能記得移動。當N很大時,將形成一連續的能帶。此N個能級可延伸幾個電子伏特,視晶體內原子的間距而定。下圖就給大家描述了此效應,其中a參數代表平衡狀態下固體原子的間距。

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      看到這里各位是不是就明白了,所謂能級其實就是固體里原子之間相互作用最后導致能級分裂產生的產物。它是一系列能量的狀態,是一個能量的區間,在這個能量區間內,電子能夠存在。

      進一步,科學家給了如下的定義:

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      價帶:0K條件下被電子充滿的電子的能帶;此處的電子為價電子;

      導帶:0K條件下未被電子充滿的電子的能帶;此處只要存在價電子就能參與導電;

      帶隙:導帶底與價帶頂之間的能量差。

      在這樣的能帶結構下,電子能存在于價帶和導帶,但是其間的帶隙不能夠存在電子。所以當電子吸收足夠多的能量,能從價帶躍遷到導帶,電子才能參與定向移動進行導電,但凡不能足夠多的能量,從價帶到導帶,電子也只能乖乖在價帶,這個固體不能導電。

      最后我們再回來看Edexcel教材上的這一張圖片,在我們學習了能帶理論后是不是變得很好理解了?對于絕緣體(insulator)而言,它的帶隙非常寬,也就意味著如果不給予其足夠大的能量,電子很難從價帶躍遷到導帶,然后導電,這也就是為什么絕緣體在通常情況下不導電。而對于半導體(semiconductor)而言,其帶隙相對于絕緣體而言較小,因此比絕緣體更容易躍遷到導帶進行導電。但是導體而言,其帶隙為0!也就意味著電子能輕松地從價帶運動到導帶進行導電。所以導體導電能力最強!

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    我要日.我要搞