《技术的物理基础》PPT课件

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1、新技术的物理基础第十八章18-1固体的能带理论固体指具有确定形状和体积的物体。分为：晶体、非晶体和准晶体一、晶体结构和晶体分类1、晶体结构外观上：具有规则的几何形状微观上：晶体点阵（晶格）基本特征：规则排列，表现出长程有序性晶体中的重复单元称为晶胞立方体心立方面心立方晶胞晶体组成结合力结合力特性晶体特性离子晶体正、负离子库仑吸引力（离子键）无方向性无饱和性硬度高、熔点高、性脆、电子导电性弱共价晶体原子共价键有方向性有饱和性硬度高、熔点高、沸点高、不溶于所有寻常液体晶体组成结合力结合力特性晶体特性金属晶体原子实、价电子金属键有明显方向性有饱和

2、性具有导电性、导热性、金属光泽分子晶体电中性的无极分子范德瓦耳斯力（范德瓦耳斯键）无方向性无饱和性熔点低、硬度低、导电性差二、固体的能带1、电子共有化单个原子两个原子由于晶体中原子的周期性排列而使价电子不再为单个原子所有的现象，称为电子的共有化。晶体中周期性势场2、能带的形成电子的共有化使原先每个原子中具有相同能级的电子能级，因各原子间的相互影响而分裂成一系列和原来能级很接近的新能级，形成能带。氢原子的能级分裂原子中的能级晶体中的能带能带的一般规律：2.越是外层电子，能带越宽，E越大。1.原子间距越小，能带越宽，E越大。3.两个能带有可

3、能重叠。禁带：两个相邻能带间可能有一个不被允许的能量间隔。离子间距r02p2s1sEO能带重叠示意图电子在能带中的分布：1、每个能带可以容纳的电子数等于与该能带相应的原子能级所能容纳的电子数的N倍（N是组成晶体的原子个数）。2、正常情况下，总是优先填能量较低的能级。满带：各能级都被电子填满的能带。满带中电子不参与导电过程。价带：由价电子能级分裂而形成的能带。价带能量最高，可能被填满，也可不满。空带：与各原子的激发态能级相应的能带。正常情况下没有电子填入。禁带空带（导带）满带导带满带三、导体和绝缘体当温度接近热力学温度零度时，半导体和绝缘体都

4、具有满带和隔离满带与空带的禁带。禁带空带满带半导体能带禁带空带满带绝缘体能带禁带价带满带空带满带空带价带满带一个好的金属导体，它最上面的能带或是未被电子填满，或虽被填满但填满的能带却与空带相重叠。四、半导体本征半导体是指纯净的半导体。杂质半导体是指掺有杂质半导体。电子导电——半导体的载流子是电子空穴导电——半导体的载流子是空穴（满带上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现的空位）SiSiSiSiSiSiSiP1、n型半导体在四价元素中掺入少量五价元素，形成n型半导体。导带施主能级满带SiSiSiSiSiSiSi2、p型半导体在四价元素中掺入少量

5、三价元素，形成p型半导体。B导带受主能级满带3、p-n结的形成由于n区的电子向p区扩散，p区的空穴向p区扩散，在p型半导体和n型半导体的交界面附近产生了一个电场,称为内电场。p-n结n型p型导带禁带满带p-n结的单向导电性在p-n结的p型区接电源正极，n区接负极阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向n区运动，电子向p区运动，形成正向电流。p型n型IU（伏）I（毫安）O在p-n结的p型区接电源负极，n区接正极。阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向n区运动，也不利于电子向p区运动。U(伏)I（微安）p型n型4、半导体的其他特征和应用热敏电阻半导体的

6、电阻随温度的升高而指数下降，导电性能随变化十分灵敏。热敏电阻体积小、热惯性小、寿命长光敏电阻在可见光照射下，半导体硒的电阻随光强增加而急剧减小，但要求照射光的频率大于红限频率。温差电偶将两种不同的半导体组成回路，两个接头处于不同温度，回路中将产生温差电动势。n型p型热端冷端负载电流电流电势差增加，半导体内电场也增强，阻止载流子扩散，最后达到平衡。18-2激光原理LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLaser——受激辐射光放大一、激光的基本原理1、自发辐射与受激辐射光与原子体系相互

7、作用，同时存在吸收、自发辐射和受激辐射三种过程。自发辐射在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。满足条件：h=E2-E1随机过程，用概率描述N2——t时刻处于能级E2上的原子数——单位时间内从高能级自发跃迁到低能级的原子数A21——自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个原子在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位、偏振状态、传播方向等彼此独立，因而自发辐射的光是非相干光。受激辐射处于高能级E2上的原子，受到能量为h=E2-E1的外来光子的激励，由高能级E2受迫跃迁

8、到低能级E1，同时辐射出一个与激励光子全同的光子。频率、相位、偏振态、传播方向等均同随机过程，用概率描述——单位时间内从高能级E2受激跃迁到低能级E1的原子数B21——受激辐射系