第18章固体物理

第18章固体物理第一页，共25页。三方晶系立方晶系立方晶系：简单立方体心立方面心立方第一页第二页，共25页。体心立方结构碱金属:、、等具有体心立方结构。面心立方结构等具有面心立方结构。、、等第二页第三页，共25页。六方密积结构金属元素、、、等属于这种结构。

金刚石结构在面心立方晶胞内有四个碳原子，分别位于四根对角线的1/4处。第三页第四页，共25页。§18-2晶体的结合类型与能带18-2-1结合力与晶体分类1.离子晶体离子晶体：由正、负离子组成，依靠离子间的静电作用结合成晶体。特点：熔点高、硬度大、电子导电性弱。2.共价晶体共价晶体：以共价键相结合的晶体。第四页第五页，共25页。共价键的特征：“饱和性”和“方向性”。金刚石结构中一个碳原子贡献出四个价电子与周围四个碳原子形成共价键。共价晶体特点：结合力强，具有高熔点、高硬度和低电导率。3.金属晶体金属晶体：原子失去了它的价电子而成为离子实。这些价电子在整个晶体内自由运动，为全体离子实所共有。第五页第六页，共25页。特点：结合牢固，有很高的硬度和熔点，且具有良好的导电和导热性能。++++4.分子晶体分子晶体：分子之间由范德瓦耳斯键结合构成。5.氢键晶体氢键：在一定条件下一个氢原子同时与两个原子相结合的力。氢键晶体：以氢键结合的晶体。第六页第七页，共25页。18-2-2能带能带：N个分裂能级密集排列而成。价带：价电子能级分裂而形成的能带。第七页第八页，共25页。禁带：相邻两个能带之间的区域。空带：价带上面没有被电子占据的能带。能带的性质决定了晶体的导电特性！满带：填满电子的能带。满带不具备导电条件。导带：未被电子占满的能带，具备导电条件。空带价带（1）价带未被电子填满。（2）满带与上层空带部分重叠。第八页第九页，共25页。例：金属钠（Na）一个价电子价带可以容纳2N个电子N个价电子导体！例金属镁（Mg）两个价电子2N个价电子3s电子刚好填满价带因为3s能带与上层的3p空带部分重合。导体！绝缘体？绝缘体的能带结构：价带被电子充满，价带与上层空带之间的禁带宽度较大，因此不具有导电特性。空带价带禁带禁带第九页第十页，共25页。半导体的能带结构：能带结构与绝缘体相似，只是禁带宽度与绝缘体相比较要小得多。空带价带禁带禁带特点：对温度及其敏感，随着温度的升高，由于热激发会使大量电子进入上层空带，从而形成导电能带。第十页第十一页，共25页。§18-3金属的自由电子模型自由电子模型：价电子在金属中处于自由状态，除了电子与离子可以发生碰撞之外，电子之间、电子与离子之间没有相互作用。三维无限深方势阱波函数：能量：分立值第十一页第十二页，共25页。18-3-1电子的态密度三个量子数nx，ny，nz的每一种组合对应于一个能量量子态。作球面：能量小于等于E的量子态数等于球面和体内的点数。第十二页第十三页，共25页。能态密度：18-3-2费米-狄拉克分布费米－狄拉克分布律根据泡利不相容原理，在绝对零度时电子从最低能态开始逐一向上填满各可能的能级，直至某个值EF0。第十三页第十四页，共25页。：费米能

：绝对零度时的费米能金属：T=0K时：E<EFE>EFE=EF结论：电子出现在费米能级的概率为1/2。定义费米能级：平均粒子数为1/2的量子态的能量。第十四页第十五页，共25页。能量区间dE内的电子数：总电子数：费米能电子浓度第十五页第十六页，共25页。时电子的总能量：自由电子的平均能量：结论：绝对零度时，自由电子的能量不等于零。第十六页第十七页，共25页。例1

在低温下，金属铜的自由电子浓度为n，试根据自由电子模型计算铜的费米能量。解：

金属：费米能以上几乎没有电子。第十七页第十八页，共25页。§18-4半导体18-4-1半导体的结构与特性金属电阻率：10-8Ω·m

绝缘体电阻率：1014~1020Ω·m半导体电阻率：10-4~107Ω·m----------禁带价带导带空穴：价带中电子被激发到导带，同时在价带中留出空位。载流子：电子和空穴。第十八页第十九页，共25页。本征半导体：没有杂质和缺陷的纯净半导体。掺杂：在高纯度的半导体中添加少量杂质。GeAs杂质原子砷As参杂本征半导体Ge中。逾量电子：多余的价电子五价杂质的电离能：禁带宽度：第十九页第二十页，共25页。导带施主能级0.01eV价带施主：杂质原子。施主能级：杂质能级。电子型半导体：主要靠杂质电子导电的半导体。GeB受主能级0.01eV价带导带空穴型半导体：主要靠空穴导电的半导体。第二十页第二十一页，共25页。18-4-2p-