近代物理第4章

第一页第二页，共56页。二.分子的能级与分子光谱1.分子中的电子运动和电子能级Ee

电子能级的跃迁产生的光谱位于紫外及可见光区

第二页第三页，共56页。2.分子的振动和振动能级Ev

纯振动光谱近红外区

3.分子的转动能级Ek

纯转动光谱远红外及微波区第三页第四页，共56页。1.一般包括若干谱带系，不同谱带系相应于不同的电子能级之间的跃迁2.一个谱带系含有若干谱带，不同谱带相应于不同的振动能级之间的跃迁

3.同一谱带内又包含有若干密集的谱线，相应于转动能级之间的跃迁

特征：分子光谱便是一组带光谱分子的总能量

第四页第五页，共56页。

固体：晶体、非晶体晶体：

有规则对称的几何外形；

物理性质(力、热、电、光…)各向异性；

有确定的熔点;

微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性排列，形成空间点阵(晶格).

4.2

固体的能带第五页第六页，共56页。

1.电子共有化

（1）孤立原子(单价)

●●r+-eUVUVr●+电子能级势阱旋转对称势垒+一.晶体的能带结构

电子所在处的电势为U，电子的电势能为V,电势能是一个旋转对称的势阱。

第六页第七页，共56页。(2)两个原子情形(3)大量原子规则排列情形

晶体中大量原子(分子、离子)的规则排列成点阵结构，晶体中形成周期性势场。

VVr●●++

●●

●r●●●●+++++++aE1E2第七页第八页，共56页。

为确定电子在周期性势场中的运动，需解薛定谔方程(复杂，略)，仅定性说明。(1)对能量E1的电子(上图)

势能曲线表现为势垒；电子能量<势垒高度,且E1较小，势垒较宽，穿透概率小；仍认为电子束缚在各自离子周围。若E1较大(仍低于势垒高度)，穿透概率较大，由隧道效应，电子可进入相邻原子。第八页第九页，共56页。(2)对能量E2的电子

电子能量>势垒高度电子在晶体中自由运动，不受特定离子的束缚。共有化的电子可以在不同原子中的相似轨道上转移，可以在整个固体中运动。

电子共有化:

由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现象。

第九页第十页，共56页。

▲量子力学证明，晶体中电子共有化的结果，使原来每个原子中具有相同能量的电子能级，因各原子间的相互影响而分裂成一系列和原能级很接近的新能级。▲这些新能级基本上连成一片，形成能带(

energyband)。2.能带的形成第十页第十一页，共56页。

两个氢原子靠近结合成分子时，1s能级分裂为两条。

1sr0r0E●●HHrH原子结合成分子第十一页第十二页，共56页。▲当N个原子靠近形成晶体时，由于各原子间的相互作用，对应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。使原来处于相同能级上的电子，不再有相同的能量，而处于N个很接近的新能级上。N条能级能带能隙，禁带

E第十二页第十三页，共56页。(1)外层电子共有化程度显著，能带较宽(

E较大)；内层电子相应的能带很窄。

(2)点阵间距越小，能带越宽，

E越大。(3)两能带有可能重叠。◆能带宽度：

E～eV

能带中相邻能级的能差：～10-22eV

◆能带的一般规律：第十三页第十四页，共56页。3、能带中电子的排布

排布原则：(1)服从泡利不相容原理(2)服从能量最小原理◆这一能级分裂成由N条能级组成的能带后，最多能容纳个电子。

个电子。◆孤立原子的能级Enl，最多能容纳

例：1S、2S能带，最多容纳2N个电子；2P、3P能带，最多容纳6N个电子。晶体中的一个电子只能处在某个能带中的某一条能级上。第十四页第十五页，共56页。（1）满带：能带中各能级都被电子填满。（2）导带：被电子部分填充的能带。

在外电场作用下，电子可向带内未被填充的高能级转移，但无相反的电子转换，因而可形成电流。

◆价带:价电子能级分裂后形成的能带。有的晶体的价带是导带有的晶体的价带也可能是满带。4.满带、导带和禁带导带中的电子具有导电作用。满带中的电子不能起导电作用第十五页第十六页，共56页。

▲

由原子的激发态能级分裂而成，正常情况下空着；

▲

在外电场作用下，这些电子的转移可形成电流。所以，空带也是导带。（3）空带：所有能级均未被电子填充的能带。▲当有激发因素(热激发、光激发)时，价带中的电子可被激发进入空带；第十六页第十七页，共56页。（4）禁带：在能带之间的能量间隙区，电子不能填充。

满带

空带

禁带E

▲

若上下能带重叠，其间禁带就不存在。▲

禁带的宽度对晶体的导电性有重要的作用第十七页第十八页，共56页。

导体：电阻率

10-8

m

绝缘体：电阻率

108

m

硅、硒、碲、锗、硼…元素；硒、碲、硫化合物；金属氧化物；许多无机物。半导体：电阻率介于以上二者之间导电性能的不同，源于它们的能带结构的不同。二、导体、绝缘体和半导体晶体按导电性能可分为

第十八页第十九页，共56页。1.导体(conductor)的能带结构

空带E某些一价金属，如:Li…

导带

某些二价金属，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…

满带

空带E

E

导带

空带

如:Na,K,Cu,Al,Ag…

(1)没有满带

导带和空带不重叠(如Li，…)导带和空带重叠(如Na，K，Cu，Al，Ag)▲有几种情形：第十九页第二十页，共56页。

空带E某些一价金属，如:Li…

导带

某些二价金属，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…

满带

空带E

E

导带

空带

如:Na,K,Cu,Al,Ag…

▲导电机制：在外电场的作用下，电子容易从低能级跃迁到高能级，形成集体的定向流动(电流)，显出很强的导电能力。(2)有满带，但满带和空带(或导带)重叠(如某些二价元素Be，Ca，Mg，Zn，Ba)第二十页第二十一页，共56页。2、绝缘体(insulator)的能带结构价带是满带，禁带较宽(相对于半导体)

Eg=3～6eV

E空带

空带

满带禁带ΔEg=3～6eV▲一般的热激发、光激发或外加电场不太强时，满带中的电子很难越过禁带而被激发到空带上去。第二十一页第二十二页，共56页。◆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”(hole)。E

空带

满带ΔEg=0.1～2eV禁带本征(纯净)半导体◆和绝缘体相似，价带是满带，只是半导体的禁带宽度很小

(ΔEg=0.1～2eV)3.半导体的能带结构第二十二页第二十三页，共56页。三.电子在导带中按能量的统计分布

在一定的温度下,电子占有能量为E的状态的概率遵从费米分布函数

---费米能级其数值主要由导带中电子浓度决定。

T=0时:E>EF

f(E)=0E<EF

f(E)=1的物理意义：第二十三页第二十四页，共56页。T≠0时:

E=EFf=1/2

E>EF0<f<1/2E<EF1>f>1/2一般温度下，金属中电子的能量分布和绝对零度时相差无几。

◆费米能级就是在绝对零度下，导带中

被电子占据的最高能级。第二十四页第二十五页，共56页。一.本征半导体本征半导体（intrinsemiconductor)是指纯净的半导体，导电性能介于导体与绝缘体之间。

导电机制:

·▲在外电场作用下，导带中的电子和满带中空穴均可导电，它们称作本征载流子。

▲它们的导电形成半导体的本征导电性。·4.3半导体第二十五页第二十六页，共56页。

1、n型半导体

四价的本征半导体Si、Ge等掺入少量五价的杂质(impurity)元素(如P、As等)就形成了电子型半导体，也称n型半导体。

如在纯净的半导体中适当掺入杂质，

可提高半导体的导电能力；能改变半导体的导电机制。｛二.杂质半导体(impuritysemiconductor)第二十六页第二十七页，共56页。

SiSiSiSiSiSiSiΔEDΔEg空带满带施主能级n型半导体第二十七页第二十八页，共56页。由量子力学，杂质的(多余电子)的能级在禁带中，且紧靠导带底。图中能量差

ED～10-2eV，

ED

Eg

(禁带宽度)施主(donor)能级：这种杂质能级因靠近空带，杂质价电子极易向空带跃迁。因向空带供应自由电子，所以这种杂质能级称施主能级。

第二十八页第二十九页，共56页。▲导电机制：杂质中多余电子经激发后跃迁到空带(或导带)而形成的。

▲在n型半导体中,

电子—多数载流子空穴—少数载流子

▲因掺杂(即使很少)，会使空带中自由电子的浓度比同温下纯净半导体空带中的自由电子的浓度大很多倍，从而大大增强了半导体的导电性能。第二十九页第三十页，共56页。2、p型半导体

四价的本征半导体Si、Ｇe等掺入少量三价的杂质元素（如B、Ga、In等）形成空穴型半导体，也称p型半导体。

P型半导体BSiSiSiSiSiSiSiΔEAΔEg空带满带受主能级第三十页第三十一页，共56页。

▲在P型半导体中

空穴─多数载流子电子─少数载流子受主（acceptor)能级：这种杂质的能级紧靠满带顶处，图中eV,满带中的电子极易跃入此杂质能级，使满带中产生空穴。▲导电机制：主要是由满带中空穴的运动形成的。▲这种掺杂使满带中的空穴的浓度较纯净半导体的空穴的浓度增加了很多倍，从而使半导体的导电性能增强。

第三十一页第三十二页，共56页。三、半导体的特性及应用1.电阻率和温度的关系

半导体的电阻率随温度的升高而迅速下降应用：热敏电阻.体积小，热惯性小，寿命长,广泛应用于自动控制技术。第三十二页第三十三页，共56页。

半导体硒，在照射光的频率大于其红限频率时，它的电阻值有随光强的增加而急剧减小的现象。

应用:

光敏电阻(photosensitiveresistanceresistance)自动控制、遥感等技术中的一个重要元件。2.半导体的光电导现象第三十三页第三十四页，共56页。(1)p-n结的形成

P-N结n型p型3、p‐n结n区电子向p区扩散,p区空穴向n区扩散,在交界面处形成正负电荷的积累，交界处形成电偶层，此即p‐n结，厚度约

m。第三十四页第三十五页，共56页。▲稳定后，n区相对p区有电势差U0(n比p高）。p‐n结也称势垒区。

P-N结n型p型▲

p‐n结处存在由n区

p区的电场(称为内建场)。此电场将遏止电子和空穴的继续扩散，最后达动平衡状态。第三十五页第三十六页，共56页。

U0电子能级电势曲线xxian线电子电势能曲线P-N结第三十六页第三十七页，共56页。

能带的弯曲对n区的电子和p区的空穴都形成一个势垒,阻碍n区电子和p区空穴进入对方区域.这一势垒区也称阻挡层(deplectionzone）。

空带空带P-N结施主能级受主能级满带满带

p‐n结的形成使其附近能带的形状发生了变化。第三十七页第三十八页，共56页。由于p‐n结处阻挡层的存在，把电压加到p-n结两端时,阻挡层处的电势差将发生变化.◆正向偏压

p型n型IE阻E外

V(伏)３０２０１０(毫安)正向00.21.0P—N结的伏安特性(锗管)

(2

)p‐n结的单向导电性第三十八页第三十九页，共56页。◆反向偏压

由上可知，p‐n结可以作成具有整流、开关等作用的晶体二极管(diode)。

p型n型IE阻E外击穿电压V(伏)I-１０-２０-３０(微安)反向-20-30Ｐ—Ｎ结的反向击穿

第三十九页第四十页，共56页。4.光生伏特效应光生电动势的大小正比于光辐射的强度。

应用：光电池。

第四十页第四十一页，共56页。

◆把两种不同材料的半导体组成一个回路，并使两个接头具有不同的温度，会产生较大的温差电动势。温度每差一度，温差电动势能达到、甚至超过1毫伏。

◆利用半导体温差热电偶可以制成温度计，或小型发电机。5.温差热电偶第四十一页第四十二页，共56页。6.集成电路

p‐n结的适当组合可以作成具有放大功能的晶体三极管(trasistor)，以及各种晶体管。进一步可将它们作集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。

7.半导体激光器(在第二章激光中已讲)8.半导体场致发光材料(略)等等第四十二页第四十三页，共56页。一.超导电现象

温度降到4.2K附近时，水银的电阻突然降为零。

物体处于这种零电阻的状态称超导态。4.4超导电性和超导体

4.3010T/KR/0.1000.1250.0000.0254.104.20-5

超导体电阻降为零的温度称为转变温度或

临界温度。第四十三页第四十四页，共56页。一些超导体的转变温度

Al--1.20In--3.4

Pb--7.19Nb--9.3

Nb3Ge--23.2

钡基氧化物-约90

Hg--4.15V--5.30

第四十四页第四十五页，共56页。1.完全导电性（零电阻特性）二.超导体的基本性质

当超导体处于超导态时直流电阻为零。2.存在临界磁场和临界电流处在超导态的材料，当外加磁场时，从超导态变为正常态；当时，又从正常态变为超导态。H>第四十五页第四十六页，共56页。临界电流

式中为绝对零度时超导体的临界电流临界磁场

式中为绝对零度时的临界磁场超导态正常态0T第四十六页第四十七页，共56页。完全导体：3.完全抗磁性（迈斯纳效应）不论有无外磁场，处于超导态