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文档简介
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
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