高二物理竞赛：固体的能带结构课件

1根据固体的结构,固体材料分为:18.1.1晶体结构和晶体分类晶体非晶体准晶体（1984年发现）食盐、云母、金刚石玻璃、松香、沥青Ti--Ni—V急冷合金中发现的五次对称现象AI—Mn准晶体2理想晶体的基本特征是：原子排列有规则，具有周期性，长程有序。非晶体结构不规则，是短程有序。1、晶体是由大量分子、原子或离子组成。晶体的结构和分类2、晶体的分类按照结合力的性质晶体可分为四类

大量分子、原子或离子在三维空间的周期性规则排列方式称为固体的点阵结构（晶体点阵）。3（1）离子晶体以离子间的库仑力为结合力，如NaCl（2）共价晶体以共价鍵为结合力，如H2（3）分子晶体以范德瓦耳斯鍵（无极分子相互接近时诱发的瞬时电偶极矩）为结合力，如大部分有机物（4）金属晶体以共有化价电子与离子实间的库仑力为结合力41.电子共有化在固体中，原子众多，相邻原子排列紧密，因此各能级壳层有不同程度的重叠，而最外层的能级壳层重叠部分最多。此时每个电子既要受到自己的离子实的作用，又要受到其它离子实的作用，所以电子不再束缚于一定的原子，电子将可以在整个固体中运动，这种现象称为电子的共有化。18.1.2固体的能带52.能带的形成1）能级的分裂但是，当原先是各自孤立的原子结合成分子时，使得各原子的能级也出现不同程度的交叠，结果会使得原子中原先的各个能级发生不同程度的分裂。对于一个孤立的原子，其能量主要的取决于主量子数n和角子数，并形成一系列分立的能级，每一能级上有 个量子态(n,给定），每一个量子态上只能有一个电子占据，。例如n=1.=0的1s能级上可以有两个自旋量子态不同的电子占据。6２）能带的形成计算表明，当原子结合成固体时，原先的一个能级分裂成Ｎ个子能级，其最高子能级与最低子能级的能量间隔Ｅ一般在几个eV的数量级，且与Ｎ的增减无显著关系。若N~1023,则能带中两能级的间距约~10-22eV.这样小的能级间隔在实验上完全可以忽略不计，而认为能量值是连续变化的。这种Ｎ个子能级的能量值可视为连续变化的能量带即称之为能带。7一般规律：（１）越是外层电子，能带越宽.（２）点阵间距越小，能带越宽．

(3)两个能带有可能重叠.结论：一个孤立的原子的能量分布是一系列由量子数n,l决定的分立的能级。当Ｎ个原子结合成固体时，整个固体的能量分布则是一系列的由量子数n,l决定的能量连续分布的能带。818.1.3导体和绝缘体它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。固体按导电性能的高低可以分为导体半导体绝缘体918.1.4半导体本征半导体：纯净的无杂质的半导体导带禁带满带空穴电子锗晶体中的正常键电子被激发，晶体中出现空穴GeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGe101.n型半导体价带导带施主能级施主能级五价原子砷掺入四价硅中，多余的价电子环绕

离子运动112.p型半导体价带导带受主能级受主能级空穴GeGeGeGeGeGeGeGeGeGe

三价原子硼掺入四价锗晶体中，空穴环绕离子运动12pnpnP-n结的伏安特性曲线反向电压正向电压3.p-n结13pnp偶电层n----------++++++++++空穴电子动平衡时p

型与n

型接触区域的电势变化一、粒子特征四种相互作用和粒子分类正电子的发现1932年安德孙在记录宇宙射线(宇宙中的高能粒子流)的云雾室中发现了正电子.它与电子有相同的质量，但却带正电荷.已知原子中的电子都带负电荷，因此正电子不是宏观物体的组元，它的性质表明它与电子同样基本。

中微子的发现原子核在β衰变时观测到的是从原子核中放出的电子.1930年泡利根据衰变前后应遵守角动量守恒和能量守恒而提出核在发射β粒子的同时应发射一个质量几乎为零的中性粒子，称为中微子.

介子的发现1936年在宇宙射线的观测中发现了一种粒子，质量是电子的207倍，但又比质子小，物理上称它为“μ介子”(后改称μ子)，μ子是不稳定的，平均寿命是2.2×10－6s.粒子的特征可用几个物理量来描述：①质量.常用能量表示.②电量.常以电子电量e为单位.③自旋.④平均寿命.多数粒子是不稳定的，它的衰变特征用平均寿命表示.二、强子的夸克结构

到目前为止，轻子类有六种.它们是电子、μ子、τ子和分别与之对应的三种中微子.

按当今人类的认识水平，轻子类也只有这六种了，还未发现轻子有内部结构.但是强子情况却相反，越来越大的加速器使人们不断看到有新的强子出现，至今已发现强子有八百多种.这是使人们想到强子不是基本粒子的重要原因.三、相互作用的统一

粒子间有四种相互作用，它们各自是独立的.质子和中子靠强相互作用结合成原子核；原子核和电子靠电磁