2021-2022學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：固體的能帶理論

1、固體的能帶理論固體的能帶理論 研究固體中電子運(yùn)動(dòng)的主要理論基礎(chǔ) 定性地闡明了晶體中電子運(yùn)動(dòng)的普遍性的特點(diǎn) 說明了導(dǎo)體、半導(dǎo)體及絕緣體的區(qū)別 晶體中電子的平均自由程為什么遠(yuǎn)大于原子的間距 提供了分析半導(dǎo)體理論問題的基礎(chǔ)，推動(dòng)了半導(dǎo)體 技術(shù)的發(fā)展 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，能帶理論的研究從定性的 普遍性規(guī)律發(fā)展到對(duì)具體材料復(fù)雜能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算 能帶理論是信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)1928-29 建立能帶理論并由實(shí)驗(yàn)證實(shí)1947.12 發(fā)明晶體管1962 制成集成電路1971 Intel 4004微處理器芯片 2300晶體管1982 80286 13.4萬1989 80486 120萬1993 pentium 3

2、20萬1995 pentium MMX 550萬第 四 章 固體的能帶理論集成度每 10 年增加 1000 倍 ！學(xué)好能帶理論，你可以回答以下問題第 四 章 固體的能帶理論金剛石為什么是絕緣體？硅為什么是半導(dǎo)體？金屬為什么導(dǎo)電性好？為什么能帶理論是信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)？第 四 章 固體的能帶大量原子有相互作用構(gòu)成一個(gè)體系時(shí)，電子的能量狀態(tài)（能級(jí)）如何？ 可以從兩方面來分析： 孤立原子的能級(jí)固體的能帶 研究電子在周期勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 從原子能級(jí)到固體能帶 原子中的電子處于不同的能級(jí)。 幾個(gè)原子有相互作用構(gòu)成一個(gè)體系時(shí)電子 的能級(jí)如何？第 四 章 固體的能帶先看兩個(gè)原子的情況。Mg。Mg1s2s2p3s

3、3p根據(jù)泡利不相容原理，原來的能級(jí)已填滿不能再填充電子分裂為兩條1s2s2p3s3p空帶價(jià)帶第 四 章 固體的能帶 各原子間的相互作用原來孤立原子的能級(jí)發(fā)生分裂 若有N個(gè)原子組成一體，對(duì)于原來孤立原子的 一個(gè)能級(jí)，就分裂成N條靠得很近的能級(jí)，稱 為能帶（energy band）。能帶的寬度記作 E，E eV 的量級(jí) 若N數(shù)量級(jí)為1023，則能帶中兩相鄰能級(jí)的間距約 10-23eV。第 四 章 固體的能帶能級(jí)能帶N條能隙，禁帶E一般規(guī)律： 越是外層電子，能帶越寬，E越大。 點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，E越大。 兩個(gè)能帶有可能重疊。第 四 章 固體的能帶能帶重疊示意圖金剛石的能帶鈉的能帶第 四 章 固

4、體的能帶電子在周期性晶格中的運(yùn)動(dòng)，電子共有化，受到周期性勢(shì)場(chǎng)的作用。孤立原子中電子的勢(shì)阱電子能級(jí)+勢(shì)壘第 四 章 固體的能帶解定態(tài)薛定諤方程， 可以得出兩點(diǎn)重要結(jié)論：電子的能量是量子化的電子的運(yùn)動(dòng)有隧道效應(yīng)# 原子的外層電子（在高能級(jí)） 勢(shì)壘穿透概率較大，電子可以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)，稱為共有化電子。原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊，一般不是共有化電子，稱為離子實(shí)。第 四 章 固體的能帶三 . 能帶中電子的排布 固體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的 某一能級(jí)上。1. 排布原則：（1） 服從泡里不相容原理（費(fèi)米子） （2） 服從能量最小原理 對(duì)孤立原子的一個(gè)能級(jí) Enl ，它最多能容納 2 (2l +1)個(gè)電子。 這一能級(jí)分裂成由 N個(gè)能級(jí)組成的能帶，一個(gè)能帶最多能容納 2 (2l+1) N 個(gè)電子。第 四 章 固體的能帶2p、3p能帶，最多容納 6個(gè)電子。例如，1s、2s能帶，最多容納 2個(gè)電子