第18章固體物理

第18章固體物理第一頁(yè)，共25頁(yè)。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第一頁(yè)第二頁(yè)，共25頁(yè)。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)。、、等第二頁(yè)第三頁(yè)，共25頁(yè)。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。第三頁(yè)第四頁(yè)，共25頁(yè)。§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(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。第四頁(yè)第五頁(yè)，共25頁(yè)。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。第五頁(yè)第六頁(yè)，共25頁(yè)。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。第六頁(yè)第七頁(yè)，共25頁(yè)。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。第七頁(yè)第八頁(yè)，共25頁(yè)。禁帶：相鄰兩個(gè)能帶之間的區(qū)域。空帶：價(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?？諑r(jià)帶（1）價(jià)帶未被電子填滿。（2）滿帶與上層空帶部分重疊。第八頁(yè)第九頁(yè)，共25頁(yè)。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)帶禁帶禁帶第九頁(yè)第十頁(yè)，共25頁(yè)。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。第十頁(yè)第十一頁(yè)，共25頁(yè)?！?8-3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：分立值第十一頁(yè)第十二頁(yè)，共25頁(yè)。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)。第十二頁(yè)第十三頁(yè)，共25頁(yè)。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。第十三頁(yè)第十四頁(yè)，共25頁(yè)。：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。第十四頁(yè)第十五頁(yè)，共25頁(yè)。能量區(qū)間dE內(nèi)的電子數(shù)：總電子數(shù)：費(fèi)米能電子濃度第十五頁(yè)第十六頁(yè)，共25頁(yè)。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。第十六頁(yè)第十七頁(yè)，共25頁(yè)。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。第十七頁(yè)第十八頁(yè)，共25頁(yè)。§18-4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。第十八頁(yè)第十九頁(yè)，共25頁(yè)。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：第十九頁(yè)第二十頁(yè)，共25頁(yè)。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。第二十頁(yè)第二十一頁(yè)，共25頁(yè)。18-4-2p-