大学物理量子力学.ppt

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1、三.原子壳层结构1.决定原子中电子状态的四个量子数n决定电子能量的主要部分0,1,….n-1可取n个值决定电子“轨道”角动量对电子能量有影响决定“轨道”角动量在外场中的取向决定电子“自旋”角动量在外场中的取向“轨道”运动“自旋”运动名称符号取值物理意义对应的经典模型主量子数角量子数磁量子数自旋磁量子数2.电子分布遵循的两个基本原理同一壳层n相同，最多,最多同一次壳层2)能量最小原理正常情况下，原子中电子趋向于占有最低能级，原子系统能量最小时最稳定1)泡利不相容原理一个原子中不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数

2、泡利（奥地利）（1900-1958）§21.3晶体的能带结构与半导体电子云重叠：相邻原子的电子云重叠，重叠区域中出现的电子不能简单归属于某一特定母核，属于相邻原子或整个晶体共有。——电子共有化1）晶体中电子的状态一.形成能带的原因隧道效应：一个原子中的电子有可能穿越势垒进入另一个原子，出现一批不受特定原子束缚的共有化电子。外层电子共有化趋向比内层电子更显著。E1E2E3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1s2s2p3s3p1s2s2p3s3p—分裂为两条2)泡利不相容原理各原子间

3、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。约为10-23eV。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。离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图二.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）服从泡利不相容原理（2）服从能量最小原理对孤立原子的一个能级

4、Enl，它最多能这一能级分裂成由N个能级组成的能带，的某一能级上。容纳2(2l+1)个电子。一个能带最多能容纳2(2l+1)N个电子。2p、3p能带，最多容纳6Ｎ个电子。例如，1s、2s能带，最多容纳2Ｎ个电子。每个能带最多容纳2Ｎ个电子每个能带最多容纳6Ｎ个电子单个Mg原子1s2s2p3s3p晶体Mg（N个原子）电子排布应从最低的能级排起。满带：填满电子的能带。空带：没有电子占据的能带。导带：未填满电子的能带。禁带：不能填充电子的能区。价带：价电子所处的能带2.几个概念满带E导带禁带禁带空带可为满带可为导带导带中的电子运动

5、可以形成电流电子运动,分布变化满带中的电子运动不产生电流电子运动,分布不变以，即每个子能级至多容纳2个电子为例：3.能带中电子的导电性三.导体和绝缘体它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。固体按导电性能的高低可以分为导体半导体绝缘体1.导体的能带结构空带导带E某些一价金属，如:Li…价带为导带满带空带E某些二价金属，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…价带为满带，与相邻空带紧密衔接或部分重叠导带空带E如:Na,K,Cu,Al,Ag…价带为导带，又与空带部分重叠2.绝缘体的能带结构E空带空带满带禁带ΔEg=3～6eV从能

6、级图来看，价带为满带，当外电场足够强时，共有化电子还是能越过共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。（Eg：3～6eV），且与空带间有一个较宽的禁带禁带跃迁到上面的空带中，使绝缘体被击穿。绝缘体在外电场的作用下，的能量，所以形不成电流。共有化电子很难接受外电场半导体一.本征半导体本征半导体是指纯净的半导体。本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。1.本征半导体的能带结构Eg=0.12eVE空带（导带）满带禁带本征半导体所以加热、光照、加电场都能把电子从满带激发到空带中去，同时在满带中形成“空穴”（hol

7、e）。半导体的禁带宽度ΔEg很窄（0.1～2eV），例如半导体CdS：满带空带hEg=2.42eV满带上的一个电子跃迁到空带后，满带中出现一个带正电的空位，称为“空穴”。电子和空穴总是成对出现的。电子和空穴叫本征载流子，它们形成半导体的本征导电性。在外电场作用下，电子可以跃迁到空穴上来，这相当于空穴反向跃迁。空穴跃迁也形成电流，这称为空穴导电。空带满带Eg（2）空穴导电—半导体的主要载流子是空穴2.两种导电机制（1）电子导电—半导体的主要载流子是电子二.杂质半导体1.n型半导体又称n型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多

8、余的电子的能级在禁带中紧靠空带处，ED～10-2eV，极易形成电子导电。本征半导体Si、Ge等的四个价电子，与另四个原子形成共价结合，当掺入少量五价的杂质元素（如P、As等）时，就形成了电子型半导体，n型半导体空带满带施主能级EDEgSiSiSiSiSiSiSiP这种靠近空带的附加能级称