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与短距序
第10章 固態 The Solid State 內容單元 10.1 晶態與非晶態固體 10.2 離子晶體 10.3 共價晶體 10.4 凡德瓦引力 10.5 金屬鍵 10.1 晶態與非晶態固體Crystalline and Amorphous Solids 長距序(long-range order)與短距序(short-ranger order) 10.2 離子晶體Ionic Crystals 相反的吸引力可產生一個穩定的結合 庫倫能量 排斥能 總位能 範例10.1 在氯化鈉晶體中,離子平衡時的距離r0為0.281 nm。試計算出氯化鈉的聚合能。 答 因為α=1.748且n ≈ 9,每個離子對的位能為 計算值的一半-3.98 eV為每個離子對晶體聚合能的貢獻能量。 現在還必須計算電子轉移所需要的能量。將鈉原子的游離能+5.14 eV和氯原子的電子親和力相加,得到+1.53 eV。因此每個原子貢獻能量+0.77 eV在聚合能上,故每個原子的總聚合能為 此值和實驗值-3.28 eV相去不遠。 10.3 共價晶體Covalent Crystals 共用的電子導致最強的鍵結 10.4 凡德瓦引力 Van Der Waals Bond 微弱但到處都有 偶極距電場 10.5 金屬鍵 Metallic Bond 自由電子氣決定了金屬的特徵行為 歐姆定律 碰撞時間 漂移速度 10.5 金屬鍵 Metallic Bond(續) 金屬導體的電阻 電阻係數 範例10.2 試計算1.0 A的電流在截面積A=1.0 mm2的銅導線中傳導時,自由電子的漂移速度υd。假設每個銅原子提供一個電子。 答 範例10.3 在20°C時,銅的電阻係數為ρ=1.72×10-8 Ω.m,試計算自由電子碰撞時的平均自由徑λ。 答 10.6 固體的價帶理論 Band Theory of Solids 固體的能帶結構決定其是否為導體、絕緣體或半導體 導體 絕緣體 半導體 雜質半導體 10.7 半導體元件Semiconductor Devices p-n接面的特性決定了微電子工業的發展 接面二極體 零偏壓 逆向偏壓 順向偏壓 穿隧二極體(tunnel diode) 齊納二極體 接面電晶體 場效電晶體 10.8 能帶︰另一種分析法Energy Bands: Alternative Analysis 一個晶格的週期如何導致允許能帶及禁止能帶的產生 自由電子 波數 布拉格反射 10.8 能帶︰另一種分析法(續)Energy Bands: Alternative Analysis 布里元區 能量和動量 能量和波數 10.9 超導特性Superconductivity 不會產生電阻,但只能存在於極低溫中(目前為止) 10.10 束縛電子對Bound Electron Pairs 超導特性的關鍵 流量量子化 約瑟夫森接面(Josephson Junction) 直流約瑟夫森效應 交流約瑟夫森效應 表10.2 部分金屬在費米平面的等效質量m*/m比值 圖10.46 圖10.43中布里元區分布的電子能量。虛線是由自由電子理論所預測出來的分布。 圖10.47 兩種晶體在三個方向上,E對K的關係圖。(a) 存在禁止能帶。(b) 允許的能帶重疊,所以沒有禁止能帶 圖10.48 三種固體的電子等能線和費米能階。(a) 絕緣體 (b) 一價金屬 (c) 二價金屬。能量以電子伏特表示。 圖10.49 水銀在低溫時的電阻。低於臨界溫度Tc=4.15 K時,水銀成為零電阻的超導體。 圖10.20 當原子間的距離減少時,鈉原子的能階會形成能帶。可觀察到原子間的距離為0.367 nm。 圖10.21 (a) 某些固體中的能帶會重疊,形成連續的能帶。 (b) 禁止能帶將不重疊的兩個能帶分開。 圖10.22 固體鈉中3s能帶只填滿一半的電子,費米能量 在能帶的中間。 圖10.23 碳和矽能帶形成的由來。碳的2s和2p能階和矽的3s和3p能階,隨著核間距減少,展開成能帶,且分裂成兩個。低能帶被共價電子所填滿,高能帶是空的。兩個能帶中的能隙和核間距有關。碳的能隙大於矽的能隙。 圖10.24 鑽石中的能帶。費米能量在被填滿的低能帶上方。因為電子需要獲得至少6 eV的能量,才可以由價帶跳至空的傳導帶。故鑽石為絕緣體。 圖10.25 和絕緣體相比,半導體之價帶和傳導帶間的能隙比較小。在此少部分價帶上方的電子有足夠的能量,可以跳過能隙至傳導帶。因此費米能量在能隙的中間。 圖10.26 少部分的砷掺入矽晶體,在禁止能帶中提供了施子能階,而形
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