大学物理m固体中的电子.ppt
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1、1,第三章 固体中的电子(Electrons in Solids),2,3.1 固体的能带(Energy Bands in Solids),晶体结构点阵基元,能带的由来,3,晶体结构点阵基元,X射线衍射极大的方向,对应于X射线在一组晶面上反射后干涉相长的方向:,对实验结果的解释:,布拉格()公式,XRD of 001 textured PMN32PT,4,晶格衍射图样,5,周期性势场和电子的共有化,例:价电子在 Na+的电场中的势能特点,一维晶体点阵形成的周期性势能函数曲线,EP,r,+,+,+,+,+,r,E,+,d,E,电子能量 E 低,穿过势垒概率小,共有化程度低,电子能量 E 高,穿过
2、势垒概率大,共有化程度高,6,先看两个原子的情况,根据泡利不相容原理,原来的能级已填满不能再填充电子,1s,2s,2p,3s,3p,分裂为两条,7,各原子间的相互作用原来孤立原子的能级发生分裂,若有N个原子组成一体,对于原来孤立原子的一个能级,就分裂成 N条靠得很近的能级,称为能带(energy band),8,能带的宽度记作 E,E eV 的量级,若N1023,则能带中两相邻能级的间距约为1023eV。,9,原子间的相互作用 原子能级分裂成能带,e.g.,10,电子对能带的填充,服从泡利不相容原理和能量最低原理.,满带(filled band)所有量子态都被电子占据的能带.,空带(empty
3、 band)所有量子态都没有被电子占据的能带.,价带(valence band)由原子中价电子能级分裂成的能带.,价带可能是满带(例如金刚石),也可能不是满带(例如碱金属).,11,能带理论指出:若电子处于未被填满的能带中,则在外电场作用下,电子可以跃入能带中较高的空能级,从而参与导电.,通常,未被填满的价带是导带;位于满带上方的空带,在外界(光、热等)激发下,会有电子跃入,也称为导带.,导带(conduction band)具有能导电的电子的最高能带.,禁带(forbidden band)两相邻能带间,不能被电子占据的能量范围.,12,能带分布:,13,能带论对固体导电性的解释,导体电阻率
4、108 m,半导体108 m 108 m,绝缘体 108 m,能带论的解释:,导体中,或是价带未被填满,或是价带与上方的空带交叠 价电子都能参与导电 导体有良好的导电性能,14,1.导体、绝缘体、半导体,Na,K,Cu Mg、Be、Zn,15,半导体中,价带已满,但上面的禁带宽度较小(1eV),在常温下有一定数量的电子从价带跃入上方的空带,能参与导电。但导电电子数密度(1016/m3)远小于导体中的值(1028/m3)导电性能不及导体。,16,1.导体、绝缘体、半导体,Na,K,Cu Mg、Be、Zn,17,绝缘体中,价带已满,且上面的禁带宽度较大(5eV)。在常温下只有极少数电子能从价带跃入
5、上方的空带 导电电子数密度极小 导电性能很差。,18,1.导体、绝缘体、半导体,Na,K,Cu Mg、Be、Zn,19,3.2 半导体(Semiconductors),两种导电机制,在常温下,有部分价电子从满带跃入上方的空带,从而在满带中留下一些空的量子态空穴(hole).,跃入空带中的电子可参与导电电子导电;留在满带中的空穴也可参与导电,可用“带正电的空穴”的运动来描绘空穴导电.,纯净(本征)半导体:导带中的电子数等于满带中的空穴数.,20,2.电子、空穴半导体导电机理,电子,空穴,空穴的存在,满带中有了空位,可以导电,半导体导电与金属导电方式的不同?,半导体:空穴+自由电子,金属导体:自由
6、电子,电子导电:由于导带内电子引起电流,空穴导电:由于满带中缺少电子引起电流,只有电子运动,21,杂质的影响,杂质半导体(extrinsic semiconductors)分为两类:,电子型(N型)半导体,掺有施主杂质,以电子为多数载流子的半导体.(Nnegative),施主(donor)杂质:进入晶格,与周围基质原子形成晶体原有的电子结构后,尚有多余价电子.,e.g.,在四价元素半导体(Si,Ge)中掺入五价杂质(P,As)施主杂质.,22,掺入施主杂质后,在价带上面的禁带中靠近导带(E10-2eV)处,出现杂质能级施主能级.,23,常温下,施主能级上的电子很容易跃入导带,相对说来,从价带跃
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