大學物理：第18章-固體物理

1、第十八章,固體物理,18-1 晶體的結(jié)構(gòu),18-1-1 晶格,晶體的基本特征：構(gòu)成晶體的離子、原子或分子按結(jié)構(gòu)單元，在空間作周期性的排列,基元：每個結(jié)構(gòu)單元,格點（結(jié)點）：代表基元位置的點,晶格：格點作周期性排列形成的“骨架”結(jié)構(gòu),18-1-2 幾種常見的晶體結(jié)構(gòu),七大晶系,立方晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、正交晶系、單斜晶系、三斜晶系,三斜晶系,單斜晶系,斜方晶系,四方晶系,六方晶系,三方晶系,立方晶系,立方晶系：簡單立方 體心立方 面心立方,體心立方結(jié)構(gòu),堿金屬: 、 、 等具有體心立方結(jié)構(gòu),面心立方結(jié)構(gòu),六方密積結(jié)構(gòu),金屬元素 、 、 、等屬于這 種結(jié)構(gòu),金剛石結(jié)構(gòu),在面心立方晶胞

2、內(nèi)有四個碳原子，分別位于四根對角線的1/4處,18-2 晶體的結(jié)合類型與能帶,18-2-1 結(jié)合力與晶體分類,1. 離子晶體,離子晶體：由正、負離子組成，依靠離子間的靜電作用結(jié)合成晶體,特點：熔點高、硬度大、電子導電性弱,2. 共價晶體,共價晶體：以共價鍵相結(jié)合的晶體,共價鍵的特征：“飽和性”和“方向性,金剛石結(jié)構(gòu)中一個碳原子貢獻出四個價電子與周圍四個碳原子形成共價鍵,共價晶體特點：結(jié)合力強，具有高熔點、高硬度和低電導率,3. 金屬晶體,金屬晶體：原子失去了它的價電子而成為離子實。這些價電子在整個晶體內(nèi)自由運動，為全體離子實所共有,特點：結(jié)合牢固，有很高的硬度和熔點，且具有良好的導電和導熱性能

3、,4. 分子晶體,分子晶體：分子之間由范德瓦耳斯鍵結(jié)合構(gòu)成,5. 氫鍵晶體,氫鍵：在一定條件下一個氫原子同時與兩個原子相結(jié)合的力,氫鍵晶體：以氫鍵結(jié)合的晶體,18-2-2 能帶,能帶：N個分裂能級密集排列而成,價帶：價電子能級分裂而形成的能帶,禁帶：相鄰兩個能帶之間的區(qū)域,空帶：價帶上面沒有被電子占據(jù)的能帶,能帶的性質(zhì)決定了晶體的導電特性,滿帶：填滿電子的能帶,滿帶不具備導電條件,導帶：未被電子占滿的能帶，具備導電條件,1） 價帶未被電子填滿,2） 滿帶與上層空帶部分重疊,例： 金屬鈉（Na,一個價電子,價帶可以容納2N個電子,N個價電子,導體,例 金屬鎂（Mg,兩個價電子,2N個價電子,3s

4、電子剛好填滿價帶,因為3s 能帶與上層的3p空帶部分重合,導體,絕緣體,絕緣體的能帶結(jié)構(gòu),價帶被電子充滿，價帶與上層空帶之間的禁帶寬度較大，因此不具有導電特性,半導體的能帶結(jié)構(gòu),能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相似，只是禁帶寬度與絕緣體相比較要小得多,特點：對溫度及其敏感，隨著溫度的升高，由于熱激發(fā)會使大量電子進入上層空帶，從而形成導電能帶,18-3 金屬的自由電子模型,自由電子模型：價電子在金屬中處于自由狀態(tài)，除了電子與離子可以發(fā)生碰撞之外，電子之間、電子與離子之間沒有相互作用,三維無限深方勢阱波函數(shù),能量,分立值,18-3-1 電子的態(tài)密度,三個量子數(shù)nx，ny，nz的每一種組合對應于一個能量量子態(tài),作球

5、面,能量小于等于E的量子態(tài)數(shù)等于球面和體內(nèi)的點數(shù),能態(tài)密度,18-3-2 費米-狄拉克分布,費米 狄拉克分布律,根據(jù)泡利不相容原理，在絕對零度時電子從最低能態(tài)開始逐一向上填滿各可能的能級，直至某個值 EF0,費米能,絕對零度時的費米能,金屬,T = 0 K 時,E EF,E EF,E = EF,結(jié)論：電子出現(xiàn)在費米能級的概率為1/2,定義費米能級：平均粒子數(shù)為1/2的量子態(tài)的能量,能量區(qū)間dE 內(nèi)的電子數(shù),總電子數(shù),費米能,電子濃度,時,電子的總能量,自由電子的平均能量,結(jié)論：絕對零度時，自由電子的能量不等于零,例1 在低溫下，金屬銅的自由電子濃度為n，試根據(jù)自由電子模型計算銅的費米能量,解,金屬,費米能以上幾乎沒有電子,18-4 半導體,18-4-1 半導體的結(jié)構(gòu)與特性,金屬電阻率： 10-8m,絕緣體電阻率： 1014 1020m,半導體電阻率： 10-4107m,空穴：價帶中電子被激發(fā)到導帶，同時在價帶中留出空位,載流子：電子和空穴,本征半導體：沒有雜質(zhì)和缺陷的純凈半導體,摻雜：在高純度的半導體中添加少量雜質(zhì),雜質(zhì)原子砷As參雜本征半導體Ge中,逾量電子：多余的價電子,五價雜質(zhì)的電離能,禁帶寬度,施主：雜質(zhì)原子,施主能級：雜質(zhì)能級,電子型半導體：主要靠雜質(zhì)電子導電的半導體,空穴型半導體：主要靠空穴導電的半導體