第18章-固體物理

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(gè)結(jié)構(gòu)單元。格點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）：代表基元位置的點(diǎn)。晶格：格點(diǎn)作周期性排列形成的“骨架”結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)=晶格+基元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(jiǎn)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)等具有面心立方結(jié)構(gòu)。、、等六方密積結(jié)構(gòu)金屬元素、、、等屬于這種結(jié)構(gòu)。

金剛石結(jié)構(gòu)在面心立方晶胞內(nèi)有四個(gè)碳原子，分別位于四根對(duì)角線的1/4處?！?8-2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(fù)離子組成，依靠離子間的靜電作用結(jié)合成晶體。特點(diǎn)：熔點(diǎn)高、硬度大、電子導(dǎo)電性弱。2.共價(jià)晶體共價(jià)晶體：以共價(jià)鍵相結(jié)合的晶體。共價(jià)鍵的特征：“飽和性”和“方向性”。金剛石結(jié)構(gòu)中一個(gè)碳原子貢獻(xiàn)出四個(gè)價(jià)電子與周圍四個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵。共價(jià)晶體特點(diǎn)：結(jié)合力強(qiáng)，具有高熔點(diǎn)、高硬度和低電導(dǎo)率。3.金屬晶體金屬晶體：原子失去了它的價(jià)電子而成為離子實(shí)。這些價(jià)電子在整個(gè)晶體內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，為全體離子實(shí)所共有。特點(diǎn)：結(jié)合牢固，有很高的硬度和熔點(diǎn)，且具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。++++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(gè)氫原子同時(shí)與兩個(gè)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(gè)分裂能級(jí)密集排列而成。價(jià)帶：價(jià)電子能級(jí)分裂而形成的能帶。禁帶：相鄰兩個(gè)能帶之間的區(qū)域?？諑В簝r(jià)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(dǎo)電特性！滿帶：填滿電子的能帶。滿帶不具備導(dǎo)電條件。導(dǎo)帶：未被電子占滿的能帶，具備導(dǎo)電條件。空帶價(jià)帶（1）價(jià)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(gè)價(jià)電子價(jià)帶可以容納2N個(gè)電子N個(gè)價(jià)電子導(dǎo)體！例金屬鎂（Mg）兩個(gè)價(jià)電子2N個(gè)價(jià)電子3s電子剛好填滿價(jià)帶因?yàn)?s能帶與上層的3p空帶部分重合。導(dǎo)體！絕緣體？絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)：價(jià)帶被電子充滿，價(jià)帶與上層空帶之間的禁帶寬度較大，因此不具有導(dǎo)電特性?？諑r(jià)帶禁帶禁帶半導(dǎo)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。空帶價(jià)帶禁帶禁帶特點(diǎn)：對(duì)溫度及其敏感，隨著溫度的升高，由于熱激發(fā)會(huì)使大量電子進(jìn)入上層空帶，從而形成導(dǎo)電能帶。§18-3金屬的自由電子模型自由電子模型：價(jià)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(shì)阱波函數(shù)：能量：分立值18-3-1電子的態(tài)密度三個(gè)量子數(shù)nx，ny，nz的每一種組合對(duì)應(yīng)于一個(gè)能量量子態(tài)。作球面：能量小于等于E的量子態(tài)數(shù)等于球面和體內(nèi)的點(diǎn)數(shù)。能態(tài)密度：18-3-2費(fèi)米-狄拉克分布費(fèi)米－狄拉克分布律根據(jù)泡利不相容原理，在絕對(duì)零度時(shí)電子從最低能態(tài)開始逐一向上填滿各可能的能級(jí)，直至某個(gè)值EF0。：費(fèi)米能

：絕對(duì)零度時(shí)的費(fèi)米能金屬：T=0K時(shí)：E<EFE>EFE=EF結(jié)論：電子出現(xiàn)在費(fèi)米能級(jí)的概率為1/2。定義費(fèi)米能級(jí)：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(fèi)米能電子濃度時(shí)電子的總能量：自由電子的平均能量：結(jié)論：絕對(duì)零度時(shí)，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(jì)算銅的費(fèi)米能量。解：

金屬：費(fèi)米能以上幾乎沒有電子?！?8-4半導(dǎo)體18-4-1半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與特性金屬電阻率：10-8Ω·m

絕緣體電阻率：1014~1020Ω·m半導(dǎo)體電阻率：10-4~107Ω·m----------禁帶價(jià)帶導(dǎo)帶空穴：價(jià)帶中電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留出空位。載流子：電子和空穴。本征半導(dǎo)體：沒有雜質(zhì)和缺陷的純凈半導(dǎo)體。摻雜：在高純度的半導(dǎo)體中添加少量雜質(zhì)。GeAs雜質(zhì)原子砷As參雜本征半導(dǎo)體Ge中。逾量電子：多余的價(jià)電子五價(jià)雜質(zhì)的電離能：禁帶寬度：導(dǎo)帶施主能級(jí)0.01eV價(jià)帶施主：雜質(zhì)原子。施主能級(jí)：雜質(zhì)能級(jí)。電子型半導(dǎo)體：主要靠雜質(zhì)電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體。GeB受主能級(jí)0.01eV價(jià)帶導(dǎo)帶空穴型半導(dǎo)體：主要靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。18-4