大学物理-多媒体课件 -5 固体的能带结构.ppt

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1、（这是一个混合积分电路网络的的高倍放大图）固体的能带结构第四章1本章目录前言§4.2固体的能带（书4.4节）§3.3导体和绝缘体（书4.4节）§4.4半导体的导电机构（书4.5节）§4.5pn结（书4.6节）△§4.6半导体器件（书4.7节）§4.1晶体的结构和结合（补充）§4.7半导体激光器（补充）2前言固体物理既是一门综合性的理论学科又和▲固体物理是信息技术的物理基础1928-29建立能带理论并由实验证实1947.12发明晶体管1962制成集成电路实际应用紧密结合（材料、激光、半导体…）319828028613.

2、4万80486120万1993pentium320万1995pentiumMMX550万1997pentium2750万集成度每10年增加1000倍！1971intel4004微处理器芯片2300晶体管4集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻没有晶体管、超大规模集成电路，就没有计现在在一个面积比邮票还小的芯片上可以集其上可以集成109个元件，度只有0.12微米（深亚微米）。成一个系统，的研究分不开。算机的普遍应用和今天的信息处理技术。沟道长5量子尺度效应的研究纳米材料原子原子团固体材料，新材料的理论设计：▲固

3、体物理是新材料技术的物理基础晶格理论晶体的力学性质、热学性质、······量子阱、超晶格理论新型器件能带理论是固体理论和应用的基础。“能隙工程”：人工改变材料能隙去适应器件需要，去创造特殊能带结构的材料。人们可以通过控制电子波函数来制作器件，正所谓：“自己来实践量子力学”。6晶体非晶体结构：规则排列的对称性无一定规则排列宏观性质：多为各向异性各向同性熔点：确定逐渐软化二.晶体的结构晶体中原子规则排列形成晶格—具有周期性§4.1晶体的结构和结合（补充）一.晶体和非晶体的比较7初基晶胞－晶格的最小单元abca,b,

4、c－晶格常数晶格有多种类型：点阵间满足关系：点阵▲面心立方晶格Cu，Al▲简单立方晶格a=b=cAu，Ag，8▲体心立方晶格▲六角密排晶格组成晶格的原子（团）在平衡点附近作热运动（晶格振动）产生格波，Li，Na，K，Fe，CsClBe，Mg，Zn，Cd声子E＝(n+1/2)h9三.晶体的结合和类型▲离子晶体（IonicCrystal）▲共价晶体（CovalentCrystal）无自由电子导热导电性差离子间静电力强熔点高，硬度好正负离子交替排列形成离子键，共价键如NaCl晶体如：Si，Ge，金钢石传热导

5、电性不好强度高，坚硬，不易变形10原子贡献出价电子为整个晶体所共有带正电的原子实周期地排列形成晶体点阵▲金属晶体（MetallicCrystal）电子对原子实的排列要求不严，展延性好导热导电性好（有自由电子）11大部分有机化合物晶体是分子晶体原子间的作用力是范德瓦尔斯力吸引，能量低排斥，能量高▲分子晶体（MolecularCrystal）结合力小：熔点低，硬度小，易变形12当几个原子有相互作用构成一个体系时，§4.2固体的能带（书4.4节）本节研究大量原子有相互作用构成一个可以从两方面来分析：研究孤立原子的能

6、级如何形成固体的能带一.从原子能级到固体能带原子中的电子处于不同的能级。体系时，电子的能量（能级）状态。电子的能级如何？研究电子在周期势场中的运动13先看两个原子的情况.Mg.Mg根据泡利不相容原理，原来的能级已填满不能再填充电子—分裂为两条1s2s2p3s3p1s2s2p3s3p空带价带14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，能带的宽度记作EE～eV的量级若N~1023，则能带中两相邻能级的间距称为能带（energyband

7、）。约为10-23eV。15能级能带N条能隙，禁带E一般规律：1.越是外层电子，能带越宽，E越大；2.点阵间距越小，能带越宽，E越大；3.两个能带有可能重叠。16离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图17二.电子在周期势场中的运动，电子共有化孤立原子中电子的势阱-er+●●UWUWr●电子能级势阱旋转对称+势垒18固体（这里指晶体）具有由大量分子、电子受到周期性势场的作用：a原子或离子的规则排列而成的点阵结构。19解定态薛定谔方程，可以得出两点1.电子的能量是量子化的；2.电子的运动有隧道效应。原子的外层电子（

8、在高能级）势垒穿透原子的内层电子与原子核结合较紧，一般概率较大，电子可以在整个固体中运动，称为共有化电子。重要结论：不是共有化电子。20三.能带中电子的排布固体中的一个电子只能处在某个能带中1.排布原则：（1）服从泡里不相容原理（费米子）（2）服从能量最小原理对孤立原子的一个能级Enl，它最多能这一能级分裂成由N个能级组成的能带，