固体材料的结构-电子结构

第2章固体材料的结构昆明理工大学材料科学与工程学院/材料学系孟彬材料科学基础/FundamentalsofMaterialsScienceChapter2StructureofSolidMaterials2/6/20231讲授提纲2.1孤立原子的结构2.2结合键概述2.3共价分子的结构2.4晶体的电子结构2.5元素的晶体结构和性质2.6离子化合物2.7硅酸盐结构2.8合金相及其影响因素2.9固溶体2.10金属间化合物2/6/202322.4晶体的电子结构1.能级展宽形成能带：①两个原子趋近：孤立原子的每个能级分裂成两个能级（成键能级和反键能级)，该两能级相对原子能级E0的差值取决于原子间距；2/6/202332.4晶体的电子结构1.能级展宽形成能带：①两个原子趋近：孤立原子的每个能级分裂成两个能级（成键能级和反键能级)，该两能级相对原子能级E0的差值取决于原子间距；②N个原子趋近：每个非简并的原子能级相应地分裂成N个能级，最高和最低能级相对于原子能级E0的差值也仅取决于原子间距，与原子数无关；③实际晶体材料：N极其大，相邻能级间的距离非常小，几乎是连续的；即原子的能级展宽形成能带，带的宽度决定于原子间的距离。2/6/202342.4晶体的电子结构2/6/202352.4晶体的电子结构1.能级展宽形成能带：④能级分裂是相邻原子的各轨道（电子云）相互作用的结果，因而当原子结合成固体时，只有外层的电子能级有显著地相互作用而展宽成带，内层电子仍处于分立的能级上。⑤原子的外层电子一般称为价电子，其性质决定了元素的性质；2/6/202362/6/202372.4晶体的电子结构1.能级展宽形成能带：④只有外层(和次外层)的电子能级有显著的相互作用而展宽成带，内层电子仍处于分立的原子能级上（因为能级分裂是相邻原子的各轨道相互作用的结果）。2、价带、导带、禁带：

价带(Valenceband)：由价电子(参与化学键合的电子)的原子能级展宽而形成的能带；

导带(Conductionband)：由价电子以上的空能级展宽而形成的能带；

禁带(Forbiddenband)：彼此分开的两个能带之间的能量间隔ΔEg称为禁带（或能隙）；固体中的电子能量不允许在此范围内；2/6/202382.4晶体的电子结构3、导体、绝缘体、半导体：A）导体(Conductor)

：a）固体中价电子浓度比较低，没有填满价带(例如金属锂)；b）价带和导带交叠，电子在外电场作用下能进入导带(例如2价金属铍)；B）绝缘体(Insulator)

：价带和导带之间存在较大的能隙，且价带被电子填满，一般情况下外电场不能改变电子的速度和能量分布，使其进入导带；C）半导体(Semi-conductor)

：能带结构与绝缘体类似，只是能隙ΔEg比较小(一般小于2eV)，分为三种类型：本征、N型、P型①本征半导体(Intrinsicsemiconductor)：能隙ΔEg非常小，热激活足以使价带中费米能级上的电子跃迁到导带底，同时在价带顶留下“电子空穴”；

2/6/202392.4晶体的电子结构2/6/2023102.4晶体的电子结构

②N型半导体(Negative)

：能隙ΔEg比较小，能隙中存在着由高价杂质元素产生的靠近导带底部的新能级；热激活使电子从杂质能级跃迁到导带底部；杂质原子为“施主”，载流子为带负电的电子；③P型半导体(Positive)

：能隙ΔEg比较小，能隙中存在着由低价杂质元素产生的靠近价带顶部的新能级；热激活使价带中费米能级上的电子跃迁到杂质能级，在价带中留下“电子空穴”；杂质原子为“受主”，导电机制为带正电的空穴导电；2/6/2023112.4晶体的电子结构

②N型半导体：也称为电子型半导体。N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。

在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。2/6/2023122.4晶体的电子结构③P型半导体：也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。

在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体。在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。2/6/2023132.4晶体的电子结构本征半导体

不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称电子-空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子-空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。2/6/2023142.4晶体的电子结构3、半导体的应用；A）由P型半导体或N型半导体单体构成的产品有热敏电阻器、压敏电阻器，P、N结的组合还可生产出二极管、晶体管等；B）LED（LightEmittingDiode）在20世纪60年代诞生后就被认定是荧光灯管、灯泡等照明设备的终结者，甚至有人认为LED将会开创一个新的照明时代，最终出现在所有需要照明的场合。LED的工作原理和我们常见的白炽灯、荧光灯完全不同，LED从本质上来说是一种半导体器件。LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体的交界面就会出现一个具有特殊导电性能的薄层，也就是常说的PN结(PNJunctionTransistors)。PN结可以对P型半导体和N型半导体中多数载