《大学物理18固体的能带结构_1电子科技大学》精选课件.ppt

2.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。 在电子线路中，人们通常把分别掺以五价和三价元素杂志的半导体结合在一起，称为pn结。 相应的由pn结形成的半导体器件称为二极管。 按材料分有锗、硅或砷化镓；按结构分有点接触、pn结、pin、肖特基势垒、异质结；按原理分有隧道、变容、雪崩和阶跃恢复等。主要用于检波、混频、参量放大、开关、稳压、整流等。光通信发展后，出现发光、光电、雪崩光电、pin光电、半导体激光等二极管。 pn结工作原理 半导体二极管的伏安特性曲线 半导体二极管具有单向导电性！！！ 例1. 太阳能电池中，本征半导体锗的禁带宽度为0.67eV，它能吸收辐射的最大波长为多少？ 例2. 若在四价元素半导体中掺入三价元素的原子时，可构成（ ）型半导体，参与导电的多数是（ ）； 若在四价元素半导体中掺入五价元素的原子时，可构成（ ）型半导体，参与导电的多数是（ ）。 请分别画出能带结构图。 * 第十八章 固体的能带结构 固体是一种重要的物质结构形态,是当前物理学中主要的研究对象之一。量子力学用于固体物理领域,促进了固体材料、半导体、激光、超导……的研究。 本章仅定性介绍固体的能带结构,并在此基础上介绍半导体的导电机制。 固体材料分成晶体和非晶体两大类。 无论是晶态物理还是非晶态物理,在边缘学科方面都有强大的生命力。例如在晶体结构分析的基础上所作的蛋白质结构和DNA双螺旋结构的研究,在分子生物学上有划时代的意义,是20世纪最重大的科学成果之一。又如,生物体的大部分是由液态和非晶态物质组成,为了探索高度复杂的生命之迷, 对非晶态物质的研究显然又是一个激动人心的课题。 1. 晶体 理想晶体中的粒子(原子、分子或原子集团)在空间的排布上是长程有序的,可以用点来表示上述粒子的质心, 它们在空间有规则地作周期性的分布, 构成空间点阵。 §18.1 晶体 非晶体 ZnO纳米线 太阳能电池组 二极管 三极管 碳纳米管阵列同轴结构 玻璃刀 碎硅片 硅片 点阵 解理面 长程有序 石蜡、橡胶、玻璃、松香、蜂蜡、沥青…… 3.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。 有机玻璃 石英石台面 微晶面板 水晶摆件 水晶酒具 晶体？非晶体？ 晶体由大量原子结合而成,若要研究晶体中电子的运动,原则上说,应当去解多原子、多电子系统的薛定谔方程。这是一个复杂得不能严格求解的多体问题, 只能用近似方法，这里不加讨论。 下面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。 §18.2 晶体中的电子 能带结构 2.能带的形成 设有N个原子结合成晶体，原来单个原子时处于1s能级的2N个电子现在属于整个原子系统(晶体)所共有，根据泡利不相容原理，不能有两个或两个以上电子具有完全相同的量子态(n ,l ,ml ,ms),因而就不能再占有一个能级，而是分裂为N个微有不同的能级。由于N是一个很大的数，这些能级相距很近，看起来几乎是连续的，从而形成一条有一定宽度?E的能带。 1s 1s能带 图18-1 能带的形成 能带可分为： 填满电子的能带称为满带。 未填满电子的能带称为导带。 没有电子填充的能带称为空带。显然空带也属导带。 由价电子能级分裂而成的能带称为价带。 在能带之间没有可能量子态的能量区域叫禁带。 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。 图18-3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 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。 图18-2 ? ? ? ? ? ? ? ?