固体物理中一些名词的解释.doc

声子声子就是“晶格振动的简正模能量量子。”英文是phonon。 在固体物理学的概念中，结晶态固体中的原子或分子是按一定的规律排列在晶格上的。在晶体中，原子间有相互作用，原子并非是静止的，它们总是围绕着其平衡位置在作不断的振动。另一方面，这些原子又通过其间的相互作用力而连系在一起，即它们各自的振动不是彼此独立的。原子之间的相互作用力一般可以很好地近似为弹性力。形象地讲，若把原子比作小球的话，整个晶体犹如由许多规则排列的小球构成，而小球之间又彼此由弹簧连接起来一般，从而每个原子的振动都要牵动周围的原子，使振动以弹性波的形式在晶体中传播。这种振动在理论上可以认为是一系列基本的振动（即简正振动）的叠加。当原子振动的振幅与原子间距的比值很小时（这在一般情况下总是固体中在定量上高度正确的原子运动图象），如果我们在原子振动的势能展开式中只取到平方项的话（这即所谓的简谐近似），那么，这些组成晶体中弹性波的各个基本的简正振动就是彼此独立的。换句话说，每一种简正振动模式实际上就是一种具有特定的频率、波长和一定传播方向的弹性波，整个系统也就相当于由一系列相互独立的谐振子构成。在经典理论中，这些谐振子的能量将是连续的，但按照量子力学，它们的能量则必须是量子化的，只能取h的整数倍，即En=（n+1/2）h（其中1/2h为零点能）。这样，相应的能态En就可以认为是由n个能量为h的“激发量子”相加而成。而这种量子化了的弹性波的最小单位就叫声子。声子是一种元激发。 因此，声子用来描述晶格的简谐振动，是固体理论中很重要的一个概念。声子是简谐近似下的产物，如果振动太剧烈，超过小振动的范围，那么晶格振动就要用非简谐振动理论描述。 声子并不是一个真正的粒子，声子可以产生和消灭，有相互作用的声子数不守恒，声子动量的守恒律也不同于一般的粒子，并且声子不能脱离固体存在。声子只是格波激发的量子，在多体理论中称为集体振荡的元激发或准粒子。 声子的化学势为零，属于玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计。声子本身并不具有物理动量，但是携带有准动量，并具有能量。1.单电子近似：假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其他电子的平均势场中运动。2.电子的共有化运动：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动，称为电子的共有化运动。3.电子在晶体内的共有化运动：电子可以从晶胞中某一点自由地运动到其他晶胞内的对应点，因而电子可以在整个晶体中运动，称为（电子在晶体各元胞对应点出现的几率相同）4.有效质量：并不代表真正的质量，而是代表能带中电子受外力时，外力与加速度的一个比例系数5.空穴是一种准粒子，代表半导体近满带（价带）中的少量空态，相当于具有正的电子电荷和正的有效质量的粒子，描述了近满带中大量电子的运动行为。6.回旋共振半导体中的电子在恒定磁场中受洛仑兹力作用将作回旋运动，此时在半导体上再加垂直于磁场的交变磁场，当交变磁场的频率等于电子的回旋频率时，发生强烈的共振吸收现象，称为回旋共振。7.直接带隙半导体导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。8.间接带隙半导体：导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。9.施主杂质：特点：未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心，称为离化态。作用：在纯净半导体中掺入施主杂质，杂质电离后，导带中的导电电子增多，增强了半导体的导电能力。N型V族。10.受主杂质：特点：未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为负电中心，称为受主离化态。作用：在纯净半导体中掺入受主杂质，杂质电离后，使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力。P型III族。11.深能级杂质：（重金属杂质）作用：主要是产生复合中心，减短非平衡（少数）载流子寿命；特点：一是不容易电离，对载流子浓度影响不大。二是一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。三是能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。四是深能级杂质电离后以为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减小，导电性能下降。12.浅能级杂质：（施主和受主杂质）作用：主要是提供载流子。这两种杂质都将散射载流子，可使迁移率下降。特点：由于它的电离能很小，在常温下就全部电离，所以在半导体中可利用杂质电离提供电子n型制成半导体或空穴制成p型半导体。电导率-描述材料导电性质的物理量。半导体中载流子遵从欧姆定律时，电流密度正比于电场强度，其比例系数即为电导率。电导率大小与载流子浓度，载流子的迁移率有关。从微观机制看，电导率与载流子的散射过程有关。电导率 (electric conductivity) 是表示物质传输电流能力强弱的一种测量值。当施加电压于导体的两端时，其电荷载子会呈现朝某方向流动的行为，因而产生电流。电导率 是以欧姆定律定义为电流密度 和电场强度 的比率：有些物质会有异向性 (anisotropic) 的电导率，必需用 3 X 3 矩阵来表达（使用数学术语，第二阶张量，通常是对称的）。电导率是电阻率 的倒数。在国际单位制中的单位是西门子/米 (Sm-1)：电导率仪 (electrical conductivity meter) 是一种是用来测量溶液电导率的仪器。1基本概念（1）英文：conductivity(orspecific conductance)电导率（2）定义：电阻率的倒数为电导率，用希腊字母表示，=1/。除非特别指明，电导率的测量温度是标准温度（ 25 C ）。（3）单位：在国际单位制中，电导率的单位称为西门子/米（S/m），其它单位有：MS/cm，S/cm，S/cm。1S/m=1000mS/m=1000000S/m=10mS/cm=10000S/cm。（4）说明：电导率的物理意义是表示物质导电的性能。电导率越大则导电性能越强，反之越小。另外，不少人将电导跟电导率混淆：电导是电阻的倒数，电导率是电阻率的倒数。2影响因素（1）温度：电导率与温度具有很大相关性。金属的电导率随着温度的增高而降低。半导体的电导率随着温度的增高而增高。在一段温度值域内，电导率可以被近似为与温度成正比。为了要比较物质在不同温度状况的电导率，必须设定一个共同的参考温度。电导率与温度的相关性，时常可以表达为，电导率对上温度线图的斜率。（2）掺杂程度：固态半导体的掺杂程度会造成电导率很大的变化。增加掺杂程度会造成高电导率。水溶液的电导率高低相依于其内含溶质盐的浓度，或其它会分解为电解质的化学杂质。水样本的电导率是测量水的含盐成分、含离子成分、含杂质成分等等的重要指标。水越纯净，电导率越低（电阻率越高）。水的电导率时常以电导系数来纪录；电导系数是水在 25C 温度的电导率。（3）各向异性：有些物质会有异向性 (anisotropic) 的电导率，必需用 3 X 3 矩阵来表达（使用数学术语，第二阶张量，通常是对称的）。从导电率的角度简述绝缘体,半导体,导体的导电或绝缘机制答:从电导率角度讲,由于金属的可自由移动电子较多,所以电导率很大,并且电导率随着温度的升高而降低.从电导率角度讲,由于绝缘体的可自由移动电子很少,所以电导率很小,并且电导率随着温度的升高而升高.简述石墨的结构特点,并说明其结构与性能的关系答:石墨晶体,是金刚石的同素异构体,组成石墨的一个碳原子以其最外层的三个价电子与其最近邻的三个原子组成共价键结合,这三个键几乎在同意平面上,使晶体呈层状;另一个价电子则较自由的在整个层中运动,具有金属键的性质,这是石墨具有较好导电本领的根源层与层之间又依靠分子晶体的瞬时偶极矩的互作用而结合,这又是石墨质地疏松的根源.简述离子晶体中缺陷对电导率有何影响?答:由于离子晶体是正负离子在库仑力的作用下结合而成的,因而使离子晶体中点缺陷带有一定的电荷,这就引起离子晶体的点缺陷具有一般点缺陷没有的特性,理想的离子晶体是典型的绝缘体,满价带与空带之间有很宽的禁带,热激发几乎不可能把电子由满价带激发到空带上去,但实际上离子晶体都有一定的导电性,其电阻明显地依赖于温度和晶体的纯度.因为温度升高和掺杂都可能在晶体中产生缺陷,所以可以断定离子晶体的导电性与缺陷有关.从能带理论可以这样理解离子晶体的导电性:离子晶体中带点的点缺陷可以是束缚电子或空穴,形成一种不同于布洛赫的局域态.这种局域态的能级处于满带和空带的能隙中,且离空带的带地或者满带的带顶较近,从而可能通过热激发向空带提供电子或接受满带电子,使离子晶体表现出类似于半导体的的导电特性.为什么组成晶体的粒子（分子，原子或离子）间的互作用力除吸引力还要排斥力？排斥力的来源是什么？答：电子云重叠泡利不相容原理排斥力的来源：相邻的原子靠的很近，以至于它们内层闭合壳层的电子云发生重叠时，相邻的原子间使产生巨大排斥力，也就是说，原子间的排斥作用来自相邻原子内层闭合壳层电子云的重叠。长光学支格波与长声学支格波本质上有何差异?答:长光学支格波的特征是每个元胞内的不同原子做相对振动,振动频率较高,它包含了晶格振动频率最高的振动模式,长声学支格波的特征是元胞内的不同原子没有相对位移,元胞做整体运动,振动频率较低,它包含了晶格振动频率最低的振动模式,波速是一常数,任何晶体都存在声学支格波,但简单晶格(非复式格子)晶体不存在光学支格波.晶体：是由离子，原子或分子（统称为粒子）有规律的排列而成的，具有周期性和对称性非晶体：有序度仅限于几个原子，不具有长程有序性和对称性点阵：格点的总体称为点阵晶格：晶体中微粒重心，周期性的排列所组成的骨架，称为晶格格点：微粒重心所处的位置称为晶格的格点（或结点）晶体的周期性和对称性：晶体中微粒的排列按照一定的方式不断的做周期性重复，这样的性质称为晶体结构的周期性。晶体的对称性指晶体经过某些对称操作后，仍能恢复原状的特性。（有轴对称，面对称，体心对称即点对称）密勒指数：某一晶面分别在三个晶轴上的截距的倒数的互质整数比称为此晶面的密勒指数配位数：可用一个微粒周围最近邻的微粒数来表示晶体中粒子排列的紧密程度，称为配位数致密度：晶胞内原子所占体积与晶胞总体积之比称为点阵内原子的致密度固体物理学元胞：选取体积最小的晶胞，称为元胞：格点只在顶角，内部和面上都不包含其他格点，整个元胞只含有一个格点：元胞的三边的平移矢量称为基本平移矢量（或者基矢）；突出反映晶体结构的周期性元胞:体积通常较固体物理学元胞大；格点不仅在顶角上，同时可以在体心或面心上；晶胞的棱