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1、第18章固体物理第1页，共26页，编辑于2022年，星期日18-1 18-1 晶体的结构晶体的结构 18-1-1 晶格 晶体的基本特征：晶体的基本特征：构成晶体的离子、原子或分子按结构单元，构成晶体的离子、原子或分子按结构单元，在空间作周期性的排列。在空间作周期性的排列。基元：基元：每个结构单元。每个结构单元。格点（结点）：格点（结点）：代表基元位置的点。代表基元位置的点。晶格：晶格：格点作周期性排列形成的格点作周期性排列形成的“骨架骨架”结构。结构。晶体结构晶体结构=晶格晶格+基元基元第2页，共26页，编辑于2022年，星期日18-1-2 几种常见的晶体结构 七大晶系：七大晶系：立方晶系、六
2、方晶系、四方晶系、三方晶系、正交晶立方晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系。系、单斜晶系、三斜晶系。三斜晶系三斜晶系单斜晶系单斜晶系第3页，共26页，编辑于2022年，星期日斜方晶系斜方晶系四方晶系四方晶系六方晶系六方晶系第4页，共26页，编辑于2022年，星期日三方晶系三方晶系立方晶系立方晶系立方晶系：立方晶系：简单立方简单立方 体心立方体心立方 面心立方面心立方第5页，共26页，编辑于2022年，星期日体心立方结构体心立方结构碱金属碱金属:、等具有体心立方结构。等具有体心立方结构。面心立方结构面心立方结构等具有面心立方结构。等具有面心立方结构。、等等第6页，共2
3、6页，编辑于2022年，星期日六方密积结构六方密积结构 金属元素金属元素 、等属于这、等属于这种结构。种结构。金刚石结构金刚石结构 在面心立方晶胞内有四个在面心立方晶胞内有四个碳原子，分别位于四根对角线碳原子，分别位于四根对角线的的1/4处。处。第7页，共26页，编辑于2022年，星期日18-2 18-2 晶体的结合类型与能带晶体的结合类型与能带 18-2-1 结合力与晶体分类 1.离子晶体离子晶体离子晶体：离子晶体：由正、负离子组成，依靠离子间的静电由正、负离子组成，依靠离子间的静电作用结合成晶体。作用结合成晶体。特点：特点：熔点高、硬度大、电子导电性弱。熔点高、硬度大、电子导电性弱。2.共
4、价晶体共价晶体共价晶体：共价晶体：以共价键相结合的晶体。以共价键相结合的晶体。第8页，共26页，编辑于2022年，星期日共价键的特征：共价键的特征：“饱和性饱和性”和和“方向性方向性”。金刚石结构中一个碳原子贡献出金刚石结构中一个碳原子贡献出四个价电子与周围四个碳原子形成共四个价电子与周围四个碳原子形成共价键。价键。共价晶体特点：共价晶体特点：结合力强，具有高熔点、高硬度和低电导结合力强，具有高熔点、高硬度和低电导率。率。3.金属晶体金属晶体 金属晶体：金属晶体：原子失去了它的价电子而成为离子实。原子失去了它的价电子而成为离子实。这些价电子在整个晶体内自由运动，为全体离子实所这些价电子在整个晶
5、体内自由运动，为全体离子实所共有。共有。第9页，共26页，编辑于2022年，星期日特点：特点：结合牢固，有很高的硬度和结合牢固，有很高的硬度和熔点，且具有良好的导电和导热性熔点，且具有良好的导电和导热性能。能。+4.分子晶体分子晶体分子晶体：分子晶体：分子之间由范德瓦耳斯键结合构成。分子之间由范德瓦耳斯键结合构成。5.氢键晶体氢键晶体 氢键：氢键：在一定条件下一个氢原子同时与两个原子相在一定条件下一个氢原子同时与两个原子相结合的力。结合的力。氢键晶体：氢键晶体：以氢键结合的晶体。以氢键结合的晶体。第10页，共26页，编辑于2022年，星期日18-2-2 能带 能带：能带：N个分裂能级密集排列而
6、成。个分裂能级密集排列而成。价带：价带：价电子能级分裂而形成的能带。价电子能级分裂而形成的能带。第11页，共26页，编辑于2022年，星期日禁带：禁带：相邻两个能带之间的区域。相邻两个能带之间的区域。空带：空带：价带上面没有被电子占据的能带。价带上面没有被电子占据的能带。能带的性质决定了晶体的导电特性！能带的性质决定了晶体的导电特性！满带：满带：填满电子的能带。填满电子的能带。满带不具备导电条件。满带不具备导电条件。导带：导带：未被电子占满的能带，未被电子占满的能带，具备导电条件。具备导电条件。空带价带（1）价带未被电子填满。价带未被电子填满。（2）满带与上层空带部分重叠。满带与上层空带部分重
7、叠。第12页，共26页，编辑于2022年，星期日例：例：金属钠（金属钠（NaNa）一个价电子一个价电子价带可以容纳价带可以容纳2N个电子个电子 N个价电子个价电子导体！导体！例例 金属镁（金属镁（Mg）两个价电子两个价电子2N个价电子个价电子3s电子刚好填满价带电子刚好填满价带 因为因为3s 能带与上层的能带与上层的3p空带部分重合。空带部分重合。导体！导体！绝缘体？绝缘体？绝缘体的能带结构：绝缘体的能带结构：价带被电子充满，价带与上层空价带被电子充满，价带与上层空带之间的禁带宽度较大，因此不具有带之间的禁带宽度较大，因此不具有导电特性。导电特性。空带空带价带价带禁带禁带禁带禁带第13页，共2
8、6页，编辑于2022年，星期日半导体的能带结构：半导体的能带结构：能带结构与绝缘体相似，只能带结构与绝缘体相似，只是禁带宽度与绝缘体相比较要小得是禁带宽度与绝缘体相比较要小得多多。空带空带价带价带禁带禁带禁带禁带特点：特点：对温度及其敏感，随着温度的升高，由于热激发对温度及其敏感，随着温度的升高，由于热激发会使大量电子进入上层空带，从而形成导电能带。会使大量电子进入上层空带，从而形成导电能带。第14页，共26页，编辑于2022年，星期日18-3 18-3 金属的自由电子模型金属的自由电子模型 自由电子模型：自由电子模型：价电子在金属中处于自价电子在金属中处于自由状态，除了电子与离子可以发生碰撞
9、由状态，除了电子与离子可以发生碰撞之外，电子之间、电子与离子之间没有之外，电子之间、电子与离子之间没有相互作用。相互作用。三维无限深方势阱波函数：三维无限深方势阱波函数：能量：能量：分立值分立值第15页，共26页，编辑于2022年，星期日18-3-1 电子的态密度 三个量子数三个量子数nx，ny，nz的每一种组合对应于一个的每一种组合对应于一个能量量子态。能量量子态。作球面：作球面：能量小于等于能量小于等于E的量子态数等的量子态数等于球面和体内的点数。于球面和体内的点数。第16页，共26页，编辑于2022年，星期日能态密度：能态密度：18-3-2 费米-狄拉克分布 费米费米 狄拉克分布律狄拉克
10、分布律 根据泡利不相容原理，在绝对零度时电子从最低能根据泡利不相容原理，在绝对零度时电子从最低能态开始逐一向上填满各可能的能级，直至某个值态开始逐一向上填满各可能的能级，直至某个值 EF0。第17页，共26页，编辑于2022年，星期日：费米能费米能：绝对零度时的费米能：绝对零度时的费米能金属：金属：T=0 K 时：时：E EFE=EF结论：结论：电子出现在费米能级的概率为电子出现在费米能级的概率为1/2。定义定义费米能级费米能级：平均粒子数为：平均粒子数为1/2的量子态的能量。的量子态的能量。第18页，共26页，编辑于2022年，星期日能量区间能量区间dE 内的电子数：内的电子数：总电子数：总
11、电子数：费米能费米能 电子浓度电子浓度 第19页，共26页，编辑于2022年，星期日时时电子的总能量：电子的总能量：自由电子的平均能量自由电子的平均能量 ：结论：结论：绝对零度时，自由电绝对零度时，自由电子的能量不等于零。子的能量不等于零。第20页，共26页，编辑于2022年，星期日例例1 在低温下，金属铜的自由电子浓度为在低温下，金属铜的自由电子浓度为n，试根据自，试根据自由电子模型计算铜的费米能量。由电子模型计算铜的费米能量。解：解：金属金属：费米能以上几乎没有电子。费米能以上几乎没有电子。第21页，共26页，编辑于2022年，星期日18-4 18-4 半导体半导体18-4-1 半导体的结
12、构与特性 金属电阻率：金属电阻率：10-8m 绝缘体电阻率：绝缘体电阻率：1014 1020m 半导体电阻率：半导体电阻率：10-4107m-禁带禁带价带价带导带导带空穴：空穴：价带中电子被激发到导带，价带中电子被激发到导带，同时在价带中留出空位。同时在价带中留出空位。载流子：载流子：电子和空穴。电子和空穴。第22页，共26页，编辑于2022年，星期日本征半导体：本征半导体：没有杂质和缺陷的纯净半导体。没有杂质和缺陷的纯净半导体。掺杂：掺杂：在高纯度的半导体中添加少量杂质。在高纯度的半导体中添加少量杂质。GeAs 杂质原子砷杂质原子砷As参杂本参杂本征半导体征半导体Ge中。中。逾量电子：逾量电
13、子：多余的价电子多余的价电子五价杂质的电离能：五价杂质的电离能：禁带宽度：禁带宽度：第23页，共26页，编辑于2022年，星期日导带导带施主能级施主能级0.01eV价带价带施主：施主：杂质原子。杂质原子。施主能级：施主能级：杂质能级。杂质能级。电子型半导体：电子型半导体：主要靠杂质电主要靠杂质电子导电的半导体。子导电的半导体。GeB受主能级0.01eV价带价带导带导带空穴型半导体：空穴型半导体：主要靠空主要靠空穴导电的半导体。穴导电的半导体。第24页，共26页，编辑于2022年，星期日18-4-2 p-n结 建电场：建电场：p-np-n结附近的空间电荷结附近的空间电荷区建立的电场区建立的电场E。通流方向通流方向 阻流方向阻流方向 第25页，共26页，编辑于2022年，星期日0.5 1.001020102018-4-3 半导体器件晶体管晶体管pnppnp型型 和和 npn npn型型发射极集电极基极称为电流增益称为电流增益 第26页，共26页，编辑于2022年，星期日