固體材料的結構-電子結構

第2章固體材料的結構昆明理工大學材料科學與工程學院/材料學系孟彬材料科學基礎/FundamentalsofMaterialsScienceChapter2StructureofSolidMaterials2/6/20231講授提綱2.1孤立原子的結構2.2結合鍵概述2.3共價分子的結構2.4晶體的電子結構2.5元素的晶體結構和性質2.6離子化合物2.7硅酸鹽結構2.8合金相及其影響因素2.9固溶體2.10金屬間化合物2/6/202322.4晶體的電子結構1.能級展寬形成能帶：①兩個原子趨近：孤立原子的每個能級分裂成兩個能級（成鍵能級和反鍵能級)，該兩能級相對原子能級E0的差值取決于原子間距；2/6/202332.4晶體的電子結構1.能級展寬形成能帶：①兩個原子趨近：孤立原子的每個能級分裂成兩個能級（成鍵能級和反鍵能級)，該兩能級相對原子能級E0的差值取決于原子間距；②N個原子趨近：每個非簡并的原子能級相應地分裂成N個能級，最高和最低能級相對于原子能級E0的差值也僅取決于原子間距，與原子數無關；③實際晶體材料：N極其大，相鄰能級間的距離非常小，幾乎是連續(xù)的；即原子的能級展寬形成能帶，帶的寬度決定于原子間的距離。2/6/202342.4晶體的電子結構2/6/202352.4晶體的電子結構1.能級展寬形成能帶：④能級分裂是相鄰原子的各軌道（電子云）相互作用的結果，因而當原子結合成固體時，只有外層的電子能級有顯著地相互作用而展寬成帶，內層電子仍處于分立的能級上。⑤原子的外層電子一般稱為價電子，其性質決定了元素的性質；2/6/202362/6/202372.4晶體的電子結構1.能級展寬形成能帶：④只有外層(和次外層)的電子能級有顯著的相互作用而展寬成帶，內層電子仍處于分立的原子能級上（因為能級分裂是相鄰原子的各軌道相互作用的結果）。2、價帶、導帶、禁帶：

價帶(Valenceband)：由價電子(參與化學鍵合的電子)的原子能級展寬而形成的能帶；

導帶(Conductionband)：由價電子以上的空能級展寬而形成的能帶；

禁帶(Forbiddenband)：彼此分開的兩個能帶之間的能量間隔ΔEg稱為禁帶（或能隙）；固體中的電子能量不允許在此范圍內；2/6/202382.4晶體的電子結構3、導體、絕緣體、半導體：A）導體(Conductor)

：a）固體中價電子濃度比較低，沒有填滿價帶(例如金屬鋰)；b）價帶和導帶交疊，電子在外電場作用下能進入導帶(例如2價金屬鈹)；B）絕緣體(Insulator)

：價帶和導帶之間存在較大的能隙，且價帶被電子填滿，一般情況下外電場不能改變電子的速度和能量分布，使其進入導帶；C）半導體(Semi-conductor)

：能帶結構與絕緣體類似，只是能隙ΔEg比較小(一般小于2eV)，分為三種類型：本征、N型、P型①本征半導體(Intrinsicsemiconductor)：能隙ΔEg非常小，熱激活足以使價帶中費米能級上的電子躍遷到導帶底，同時在價帶頂留下“電子空穴”；

2/6/202392.4晶體的電子結構2/6/2023102.4晶體的電子結構

②N型半導體(Negative)

：能隙ΔEg比較小，能隙中存在著由高價雜質元素產生的靠近導帶底部的新能級；熱激活使電子從雜質能級躍遷到導帶底部；雜質原子為“施主”，載流子為帶負電的電子；③P型半導體(Positive)

：能隙ΔEg比較小，能隙中存在著由低價雜質元素產生的靠近價帶頂部的新能級；熱激活使價帶中費米能級上的電子躍遷到雜質能級，在價帶中留下“電子空穴”；雜質原子為“受主”，導電機制為帶正電的空穴導電；2/6/2023112.4晶體的電子結構

②N型半導體：也稱為電子型半導體。N型半導體即自由電子濃度遠大于空穴濃度的雜質半導體。

在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導體。在N型半導體中，自由電子為多子，空穴為少子，主要靠自由電子導電。自由電子主要由雜質原子提供，空穴由熱激發(fā)形成。摻入的雜質越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導電性能就越強。2/6/2023122.4晶體的電子結構③P型半導體：也稱為空穴型半導體。P型半導體即空穴濃度遠大于自由電子濃度的雜質半導體。

在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半導體。在P型半導體中，空穴為多子，自由電子為少子，主要靠空穴導電?？昭ㄖ饕呻s質原子提供，自由電子由熱激發(fā)形成。摻入的雜質越多，多子（空穴）的濃度就越高，導電性能就越強。2/6/2023132.4晶體的電子結構本征半導體

不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本征半導體。在極低溫度下，半導體的價帶是滿帶，受到熱激發(fā)后，價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導帶，價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位，稱為空穴。導帶中的電子和價帶中的空穴合稱電子-空穴對，均能自由移動，即載流子，它們在外電場作用下產生定向運動而形成宏觀電流，分別稱為電子導電和空穴導電。這種由于電子-空穴對的產生而形成的混合型導電稱為本征導電。導帶中的電子會落入空穴，電子-空穴對消失，稱為復合。復合時釋放出的能量變成電磁輻射（發(fā)光）或晶格的熱振動能量（發(fā)熱）。在一定溫度下，電子-空穴對的產生和復合同時存在并達到動態(tài)平衡，此時半導體具有一定的載流子密度，從而具有一定的電阻率。溫度升高時，將產生更多的電子-空穴對，載流子密度增加，電阻率減小。無晶格缺陷的純凈半導體的電阻率較大，實際應用不多。2/6/2023142.4晶體的電子結構3、半導體的應用；A）由P型半導體或N型半導體單體構成的產品有熱敏電阻器、壓敏電阻器，P、N結的組合還可生產出二極管、晶體管等；B）LED（LightEmittingDiode）在20世紀60年代誕生后就被認定是熒光燈管、燈泡等照明設備的終結者，甚至有人認為LED將會開創(chuàng)一個新的照明時代，最終出現在所有需要照明的場合。LED的工作原理和我們常見的白熾燈、熒光燈完全不同，LED從本質上來說是一種半導體器件。LED的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型半導體和N型半導體的交界面就會出現一個具有特殊導電性能的薄層，也就是常說的PN結(PNJunctionTransistors)。PN結可以對P型半導體和N型半導體中多數載