2019固体中的电子ppt课件.ppt

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1、固体中的电子第十六章16-1晶体的特征和描述固体分为：晶体、非晶体和准晶体一、晶体的特征基本特征：规则排列，表现出长程有序性.即晶体中的粒子有规律地在空间周期性排列的性质叫长程有序性晶体的共同宏观性质:均匀性,各向异性,自限性,对称性,解理性,固定的熔点和最小内能性.外观上：具有规则的几何形状微观上：晶体点阵（晶格）1、正晶体晶体中的重复单元称为晶胞二、晶体的描述立方体心立方面心立方晶胞电子伏特-1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-130能级图对单原子，电子能量是不连续的，这叫能量的量子化。用能级图表示：由泡利不相容原理：每个能级最多只能有两个自旋相

2、反的电子；能量越高，相邻能级间的的能量差越小；当电子从原子中挣脱时进入离子状态。这时能量已显示不出一级一级的差别，在能量图上形成能量连续的区域，这时电子可以自由运动，成为自由电子。一）电子的共有化对大量原子有规则地排列成晶体时：+++++原子相互影响，形成周期性电势---势垒由于原子离得很近，每个电子不仅受到本身原子核的作用，而且受到邻近原子核的影响,内层电子因受原子核的牢牢束缚而影响较小；价电子或外层电子却不同，它的轨道的大小与相邻原子间距离是同一数量级,使其势垒高度变得较小。在这种情况下由于存在隧道效应各原子中的电子便可从一个原子进入另一个原子；即电子不再分属各个

3、原子所有，而是属于整个原子所共有，这称电子的共有化，共有化电子能级内电子能级电子的共有化是一种量子效应。+++++二）能带的形成共有化电子能级电子的共有化，使原来的能级要发生变化，1928年布洛赫（F、Bloch）利用薛定谔方程解出了能级将分裂成能级等结果。+++++共有化电子能级以一维线性晶体点阵为例：设势场具有周期性，布洛赫指出其解的形式应为对应的薛定谔方程：为振幅函数只介绍一个重要的结论：能级将分裂成能带，能带间存在禁带禁带能带Ek0为什么会出现这样的能量状态呢？因为当有N个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能级，它们是N重简并的，当这N个原子逐渐

4、靠近时，原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则）从而只能分裂成N个非常靠近的能级（10-22ev），因为能量差甚小，可看成能量连续的区域，称为能带。1s2p2sEo原子间距禁带禁带能带1s2p2sEo原子间距禁带禁带能带能带存在的实验验证：1核磁共振磁致伸缩技术2晶体软X射线谱技术3用高能电子束射入晶体，晶体中的电子从晶体中打出来后，电子从高能级向下跃迁而产生的辐射能量范围在十几ev，这正是能带的宽度。三）导体、半导体、绝缘体、从导电性看晶体：导体：绝缘体：半导体：任何晶体都含有大量电子，但是导电性却有很大的差别，这一事实长时间得不到解释，

5、直到1933年英国的物理学家威尔逊依据能带理论，才对导体、绝缘体、半导体的导电性作出了说明。1）满带和空带精确地讲：电子填充能级遵从费米--狄拉克分布但在常温下遵守以下两个原则：泡利不相容原理；能量最不原理常温下电子填充能带有如下几种情况：E禁带禁带禁带禁带满带满带空带未满带满带满带E满带--各能级都被两个自旋相反的电子填满的能带空带--各能级都没有被电子填充的能带半满带--能级没有被电子填满的能带在电场作用下各能带的性质：满带半（不）满带当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电子必作相反的转移。没有额外的定向运动。满带中电子不能形成电流。半满带的电子可在外场作用

6、下跃迁到高一级的能级形成电流。故又称为导带。另外还有一种情况，某些碱金属，其价电子是偶数，价电子能带已有2N个电子，但仍能导电。2p满带禁带原子间距Eo1s2s空带满带这是因为这类金属结合成晶体时，能级分裂大，价电子能带与上空带发生重叠，共同组成不满带。共同组成不满带空带满带禁带-e-e-e-eIeIP在外场的激发下若有电子从满带跃进迁到上面的空能带，则产生电了电流Ie、空穴电流IP总之：满带无导电作用，半满带可以导电，若满带与上邻空带相联或重叠，或有满带中的电子被激发到上邻空带，均有导电性。2）导体、半导体、绝缘体的能带结构导体：具有半满带或

7、上空能带与满带相连或重叠的能带。半满带满带满带空带满带空带重叠相连满带空带绝缘体：只有满带和空带，且禁带宽度较大禁带满带空带禁带半导体：只有满带和空带，但禁带宽度较小总之：导体、半导体、绝缘体的不同是其能带结构的不同。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