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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 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 2.4 晶体的电子结构 2.4 晶体的电子结构 2.4 晶体的电子结构 2.4 晶体的电子结构 2.4 晶体的电子结构 2.4 晶体的电子结构 2.4 晶体的电子结构 2.4 晶体的电子结构 2.4 晶体的电子结构 2.4 晶体的电子结构 2.4 晶体的电子结构 2.4 晶体的电子结构 * * 材料科学基础/Fundamentals of Materials Science Chapter 2 Structure of Solid Materials 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； 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 N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。 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； 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(Valence band)：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(Conduction band) ：由价电子以上的空能级展宽而形成的能带； 禁带(Forbidden band) ：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； 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(Intrinsic semiconductor)： 能隙Δ Eg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 N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； ③ P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 N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。 ③ P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。 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