教育杨莉大物ii课件第18章.固体的能带结构

[教育]杨莉大物ii课件第18章.固体的能带结构固体：晶体、非晶体

晶体特点：

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，形成长程有序的空间点阵(晶格)。一、晶体§18-1晶体*非晶体面心立方结构立方结构在晶体中，原子或离子周期性重复排列，形成晶格，或称为空间点阵。金刚石体心立方二.非晶体非晶态也称为无定形态或玻璃态，其中分子排列在小范围的空间内是短程有序的，但与理想晶体相比，在次近邻原子间的关系上就可能有显著差别。SiO2三.晶体和非晶体的区别(1)晶体有一定对称性的规则外形,非晶体则没有。(2)晶体的物理性质是各向异性的，而非晶体是各向同性的。(3)晶体有一定的熔点，非晶体则没有。(4)晶体在外力的作用下，容易沿着一定的平面(解理面)裂开，而非晶体没有解理面。§18-2晶体中的电子能带结构从泡利不相容原理出发来研究能带的形成。1.电子的共有化晶体中原子排列的很紧密，因而各相邻原子的波函数(或者说外电子壳层)将发生重叠。因此，各相邻原子的外层电子，很难说是属于那个原子，而实际上是处于为各邻近原子乃至整个晶体所共有的状态。这种现象称为电子的共有化。。。Mg两个Mg原子的情况。。Mg1s2s2p3s各原子间的相互作用

原来孤立原子的能级发生分裂。2.能带的形成

若有N个原子组成一体系，对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，称为能带。能带的宽度记作

E，

E～eV的量级。若N~1023，则能带中两相邻能级的间距约10-23eV。能级能带}

EN条能隙，禁带几个名词：禁带：两个相邻的能带之间的能量间隔。在此间隔中，e不能处于稳定状态，从而形成一个禁区。满带：能带中所有的能级均被e填满。满带中e没有导电作用。空带：能带中所有的能级均没有e填入。导带：能带中只填入部分e。价带：最外层e所在的能带。导带中的能级未被占满，一个电子在外力作用下向其它能级转移时，不一定有相反方向的转移来抵消，所以导带具有导电作用。由于满带中所有能级都被电子占满，因此一个电子在外力作用下向其它能级转移时，必然伴随着相反方向的转移来抵消，所以满带是不导电的。3.电子在能带中的填充和运动满带导带§18-3半导体绝缘体导体的能带1.半导体和绝缘体(电介质)的能带从能带上看，半导体和绝缘体的能带没有本质区别：都具有填满电子的满带和隔离满带与空带的禁带。不同的是，半导体的禁带较窄，而绝缘体的禁带较宽。E空带（导带）满带

Eg=0.1

2eV禁带(a)半导体的能带T=0K时（绝缘体）E空带

空带

满带禁带ΔEg=3～6eV(b)绝缘体的能带绝缘体的禁带一般很宽,一般的热激发、光照或外加电场不是特别强时,满带中的电子很少能被激发到空带中去,所以绝缘体有较大的电阻率，导电性极差。半导体的禁带宽度较窄,在通常温度下,有较多的电子受到热激发从满带进入空带,不但进入空带的电子具有导电性能,而且满带中留下的空穴也具有导电性能。所以半导体的导电性虽不及导体但却比绝缘体好得多。满带空带禁带(a)半导体的能带E=0.12eVE满带空带禁带(b)绝缘体的能带E=36eVE2.导体的能带导体的能带特点：都具有一个未被电子填满的能带。在外电场作用下，这些能带中的电子很容易从一个能级跃入另一个能级，从而形成电流,所以导体显示出很强的导电能力。

空带

导带E某些一价金属，Li…

满带空带E某些二价金属，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…

导带空带E如:Na,K,Cu,Al,Ag…§18-4半导体的导电机构1.本征半导体半导体禁带宽度较窄，通常温度下，满带的电子可能受激进入空带。进入空带的电子和留在满带中的空穴在外电场作用下都可导电。这种导电称为本征导电。具有本征导电的半导体，称为本征半导体。参与导电的电子和空穴统称本征载流子。价带0.1~2eV半导体在纯净的半导体里,可以用扩散的方法掺入少量其他元素的原子(称为杂质),掺有杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半导体的导电性能较之本征半导体有很大的改变。2.杂质半导体(1)N型半导体四价元素中掺入五价元素后,其中四个电子可以和邻近的硅原子或锗原子形成共价键,多余的一个电子成为自由电子。本征半导体Si、Ge等的四个价电子，与另四个原子形成共价结合，当掺入少量五价的杂质元素（如P、As等）时，形成了n型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余电子的能级在禁带中紧靠空带处，

E～10-2eV，极易形成电子导电。这种在禁带中，并靠近导带的边缘的附加能级叫施主能级。施主—不断向空带输送电子。容易看出，N型半导体的多数载流子是电子。施主能级与导带底部之间的能量差值很小，通常温度下，施主能级中的电子很容易被激发而跃迁到导带去。大量自由电子的存在大大提高了半导体的导电性能。施主能级导带(空)满带EE=10-2eV(2