1、1第十七章 (一 ) 固体能带结构前 言（一）固体的能带（二）导体和绝缘体（三）半导体的导电结构（四） - 结（五）半导体的其他特性和应用首 页 上 页 下 页 退 出2一、固 体的 结 构与分 类 :前 言 晶体： 非 晶 体： 准 晶 体：分子、原子或离子呈周期性排列，有固定熔点，如食盐、云母、金刚 石等。分子、原子或离子 呈无序排 列 ，无固 定熔点，如 玻 璃、松香、沥青本节教材中的固 体默指 晶 体。其结构和晶体一样有长程有序，但不像晶体一样具备平移对称性，无固 定熔点， 如铝锰合金等。3（ 1）离子晶体以离子间的库仑力为结合力，如 NaCl（ 2）共价晶体以共价鍵为结合力，如 H2
2、（ 3）分子晶体以 范德瓦耳斯鍵（无极分子相互接近时诱发的瞬时电偶极矩）为结合力，如大部分有机 物。（ 4）金属晶体以共有化价电子与离子实间的库仑力为结合力二、 晶体的分 类按照结合力的性质晶体可分为四 类：4二十世二十世 纪纪 初，特初，特 鲁鲁 德和洛德和洛 仑兹仑兹 建立的建立的 经经 典典的的 金属自由电子论金属自由电子论 ，能，能 说说 明金属的明金属的 导电导电 性，和性，和导热导热 性性 质质 ，但，但 对对 有些材料是有些材料是 导导 体，有些是体，有些是 绝绝缘缘 体，有些是半体，有些是半 导导 体不能解体不能解 释释 。 能能 带带 理理 论论 是研究固体中是研究固体中 电
3、电 子运子运 动动 的一个的一个主要理主要理 论论固体的能带理论提出了导电的微观机理，固体的能带理论提出了导电的微观机理，指出了导体和绝缘体的区别，同时也指出有一指出了导体和绝缘体的区别，同时也指出有一类固体叫做半导体，其导电性介于导体和绝缘类固体叫做半导体，其导电性介于导体和绝缘体之间。体之间。5一一 . 电电 子共有化子共有化在固体中，原子众多，相在固体中，原子众多，相 邻邻 原子排列原子排列 紧紧 密，因此各能密，因此各能 级级 壳壳 层层 有不同程度的重有不同程度的重叠，而最外叠，而最外 层层 的能的能 级级 壳壳 层层 重叠部分最多。此重叠部分最多。此 时时 每个每个 电电 子既要受
4、到自己的离子子既要受到自己的离子 实实 的的作用，又要受到其它离子作用，又要受到其它离子 实实 的作用，所以的作用，所以 电电 子不再束子不再束 缚缚 于一定的原子，于一定的原子， 电电 子将可以子将可以在整个固体中运在整个固体中运 动动 ， 这这 种种 现现 象称象称 为电为电 子的共有化。子的共有化。（一）（一） 固体的能固体的能 带带 第十六章中所 讲 的能 级 分布是 单 原子能 级 分布，各能 级 是互不重叠的。+ rU单 原子 势场 双原子 势场 6此此 时电时电 子受到子受到 周期性周期性 势场势场 U(x)=U(x+nl) 的作用的作用 .多原子 势场 解定解定 态态 薛定格方
5、程薛定格方程 (略），可以得出几点重要略），可以得出几点重要 结论结论 ：（）（） 电电 子的能量是量子化的子的能量是量子化的（）能量（）能量 较较 高的高的 电电 子的运子的运 动动 有隧道效有隧道效 应应E1E2（ 3）能量高于 势垒 高度的 电 子 (如 为 E2）可在晶体内自由运 动（原子的内（原子的内 层电层电 子与原子核子与原子核 结结 合合 较紧较紧 ,一般不是一般不是 共有化共有化 电电 子）子）那些 高于 势垒 和能 进 行 隧道穿透隧道穿透 的的 电电 子属于整个晶体所共有，即称子属于整个晶体所共有，即称 为为 共有化共有化电电 子。子。7二二 . 能能 带带1、能 级 的
6、分裂但是，当原先是各自孤立的原子 结 合成分子 时 ，使得各原子的能 级 也出 现 不同程度的交叠， 结 果会使得原子中原先的各个能 级发 生不同程度的分裂。对 于一个孤立的原子，其能量主要的取决于主量子数 n和角子数 ，并形成一系列分立的能 级 ，每一能 级 上有 个量子 态 (n,给 定），每一个量子 态 上只能有一个 电 子占据，。例如 n=1.=0的 1s能 级 上可以有两个自旋量子 态 不同的 电 子占据。8例如，两个氧原子 结 合成分子前，每个氧原子的 s态 上都有 个自旋态 相反的 电 子，当它 们结 合成分子后，在 s态 上就会有个 电 子，而 电 子的自旋 态 只有 这 两
7、态 ， 为 了不 违 背泡利原理， 这时 氧分子上的 s态 就会分裂成个子能 级 ，而每个子能 级 上仍可分布两个自旋 态 不同的 电 子。量子力学 计 算表明，原子 结 合成分子 时 ，内能 级 分裂后的子能 级间 距 较 小，外能 级 分裂后的子能 级间 距 较 大。由个原子 组 成固体 时 ，原先的一个 单 原子能 级 分裂成个子能 级 。9、能 带 的形成计 算表明，当原子 结 合成固体 时 ，原先的一个能 级 分裂成个子能 级 ，其最高子能 级 与最低子能 级 的能量 间 隔 一般在几个 eV的数量 级 ，且与的增减无显 著关系。 若若 N1023,则则 能能 带带 中两能中两能 级
8、级 的的 间间 距距 约约 10-22eV.这样这样 小的能小的能 级间级间 隔在隔在实验实验 上完全可以忽略不上完全可以忽略不 计计 ，而，而 认为认为 能量能量 值值 是是 连续变连续变 化的。化的。 这种个子能级的能量这种个子能级的能量值可视为连续变化的能量带即称之为能带。值可视为连续变化的能量带即称之为能带。10一般一般 规规 律：律：（）越是外（）越是外 层电层电 子，能子，能 带带 越越 宽宽 .（）点（）点 阵间阵间 距越小，能距越小，能 带带 越越 宽宽 ( 3 ) 两个能两个能 带带 有可能重叠有可能重叠 .结论 ： 一个孤立的原子的能量分布是一系列由量子数 n,l决定的分立的能 级 。当个原子 结 合成固体 时 ，整个固体的能量分布 则 是一系列的由量子数 n,l决定的能量 连续 分布的能 带 。
