高二物理竞赛导体、绝缘体和半导体的能带论解释－满带、导带和近满带空穴概念课件

导体、绝缘体和半导体的能带论解释－满带、导带和近满带，空穴概念导带空带空带价带价带}Eg}Eg导体非导体半导体绝缘体{：10－6~10－5(cm)10－2~109(cm)1014~1022(cm)金属的电阻率电阻率：

在高温下，当T>D时，T

在低温下，当T<<D时，T5剩余电阻。T102/(200K)没有实验家,理论家就会迷失方向。没有理论家,实验家就会迟疑不决。－李政道外场～波包准经典运动的基本方程应用：预言电子在实空间中的振荡。周期ABC

在金属中，其导带部分填充，导带中有足够多的载流子（电子或空穴），温度升高，载流子的数目基本上不增加。但温度升高，原子的热振动加剧，电子受声子散射的概率增大，电子的平均自由程减小。因此，金属的导电率随温度的升高而下降，与半导体的本征导电率随温度的升高而迅速上升是明显不同的。T半导体金属

需要指出的是，理想导体与超导体是有区别的。超导体的两个基本特征：Meissner效应（完全抗磁性）零电阻现象感生电流保持体内磁通感生电流排斥体内磁通超导电性（补充说明）1.引言：18世纪的工业革命，促使欧洲科学高速发展，发现了许多物理和化学规律。对这些规律进行整理，形成了热力学理论，建立了绝对温度的概念。开尔文由此得诺贝尔奖。得到绝对零度，成了许多研究者的工作目标。1908年荷兰Leiden大学KamerlinghOnnes(凯莫林－昂内斯)获得液氮，得到1K低温。1911年，在4.2K附近，发现Hg的电阻下降到无法测量的程度。电流用磁场感应电流。去磁场后，电流仍长时间存在，说明电阻→0。若存在电阻，磁场去掉后，电流很快衰减。*超导态：失去电阻的状态。能测量的极限电阻率10-25Ω·cm。*正常态：金属具有电阻的状态。*临界转变温度Tc：发生超导现象的温度。*超导研究材料：金属及金属化合物。*1957年，J.Bardecen,L.N.Cooper,J.R.Schriefler－BCS理论：库柏电子对，预言Tc不超过30K。*1986年1月，美国IBM公司设在瑞士苏黎世实验室的J.G.Bedorz和K.A.Muller，Tc~35K，Ba-La-Cu氧化物系统。－诺贝尔奖。*日本东京大学，37k。*1986年12月，休斯顿大学，朱经武，40.2k。*1987年，中科院物理所赵忠贤，Tc＞77K，YBa2Cu3O7，Y-123

管维严、张其瑞、张裕恒，朱长飞，周先意*Fe基超导体，>40K低温超导体－早期传统的超导体。高温超导体－氧化物超导体。用陶瓷方法制备，有百米长的线材。好的理论：解释已有现象，预言新现象。2．基本特性（1）零电阻无电阻，估计超导螺线管磁体中超导电流衰减时间不小于10万年。电阻率小于目前所能检测的最小电阻率10－25欧姆厘米。（2）

完全抗磁性（迈斯纳Meissner效应）现象:悬浮－抗磁问题：抗磁性是电阻＝0的结果？是，同一性质否，另一性质事实：处于超导态的材料，不管其经历如何，磁感应强度B始终为零，不受零电阻限制。完全抗磁性是超导态的另一个属性。理想导体[ρ＝0E=0(不存在)]先加磁场B不加磁场加磁场B

T>TcT<TcT>TcT<Tc

抗磁体：屏蔽磁场排除磁通处于超导态时，会有一股感应的持续电流流通在样品的表面薄层中，电流的磁场抵消了外来的磁通密度，出现抗磁性。(B不变)补充结束三、几个实例

贵金属（Cu、Ag和Au）的情况（fcc结构）与碱金属

相似，也是典型的金属导体。

碱金属晶体结构：体心立方（bcc），每个原胞中

有一个原子。碱金属原子基态：内壳层饱和，最外

层的ns态有一个价电子。如Li：1s22s1；Na：1s22s22p63s1

由N个碱金属原子结合成晶体时，原子的内层电子刚好填满相应的能带，而与外层ns态相应的能带却只填充了一半。因此，碱金属是典型的金属导体。碱金属的费米面贵金属的费米面由于在这些晶体中，与ns态相应的能带与上面的能带发生重叠，因此，2N个ns电子尚未填满相应的能带就已开始填入更高的能带，结果使得这两个能带都是部分填充的。

第三族元素与碱金属的情况类似，只不过这时形成导

带的是np电子，而不是ns电子。所以，第三族元素的

晶体绝大多数为金属。

对于二价的碱土金属元素，与碱金属元素相似，其最

外层有两个ns电子。如Be原子基态：1s22s2；Mg：1s22s22p63s2等N个碱土金属原子中有2N个ns电子，应刚好填满其相应的ns能带而形成非导体。但实际上它们是金属导体，而不是非导体。

当Na原子与Cl原子结合成NaCl晶体时，Na的3s带比Cl的3p带高约6eV。在能量较高的Na的3s带中的N个电子就转移到能量较低的Cl的3p带中，刚好填满Cl的3p带，而Na的3s带成为空带，其能隙Eg~6eV，所以，NaCl晶体为绝缘体。

周期表中第四族及其以上的元素，由于其电子态和结合形式比较复杂，所以必须经过具体计算之后，才能判断是金属还是非金属。对绝缘体，如：NaCl晶体Na原子基态：1s22s22p63s1

Cl原子基态：1s22s22p63s23p5四、X射线发射谱

电子在价电子能带中的填充情况可以用X射线发射谱实验来验证。1s2s2p价电子

能带KL1L2L1：外层电子落入2s态所

发射的X射线；K：外层电子落入空

的1s态而发射的X

射线；L2：外层电子落入2p态所

发射的X射线。一个粒子核子（p,n)原子分子A(质子数＋中子数)偶－Bose奇－FermiA+nB+Z+nmA+Z＝C原子核，高剥离态，重离子加速器，兰州，近代物理研究所X射线补充劳厄斑点

根据劳厄斑点的

晶体可看作三维晶体底片铅屏X

射线管立体光栅掌握晶体点阵结构分布可算出晶面间距X射线与物质相互作用－与晶体结构关系x-ray样品吸收共振吸收，原子的内壳层结构，扩展吸收，原子周围的结构信息(XRFS)弹性散射：材料的结构、组织和缺陷，非弹性散射：晶格振动谱，缺陷应变场

布里渊散射～声学波

Raman散射～光学波热漫射黄昆漫射光电效应：二次效应康普顿散射

x-ray衍射技术(XRD)x-ray形貌技术俄歇电子发射辐射荧光x-ray荧光光谱微区成分分析X射线的产生、性质及特点X射线→λ=0.005~10

nmX光子=100eV~200KeV~10-4Pa~30mA~200kVex-ray阴极(钨丝、钍钨丝)，阳极(钼、钨、铜等金属)。阴极、阳极间加上万伏高压，以加速阴极发射的热电子。钼靶15kV钼靶25kV改变方向、减速、