固體材料的結(jié)構(gòu)-電子結(jié)構(gòu)

1、2021-10-181第2章 固體材料的結(jié)構(gòu)昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 / 材料學(xué)系孟 彬材料科學(xué)基礎(chǔ)/Fundamentals of Materials ScienceChapter 2 Structure of Solid Materials2021-10-182講授提綱2.1 孤立孤立原子的結(jié)構(gòu)原子的結(jié)構(gòu)2.2 結(jié)合結(jié)合鍵概述鍵概述2.3 共價分子的結(jié)構(gòu)共價分子的結(jié)構(gòu)2.4 晶體的電子結(jié)構(gòu)晶體的電子結(jié)構(gòu)2.5 元素的晶體元素的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)2.6 離子化合物離子化合物2.7 硅酸鹽結(jié)構(gòu)硅酸鹽結(jié)構(gòu)2.8 合金相及其影響因素合金相及其影響因素2.9 固溶體固溶體2.10 金屬間

2、化合物金屬間化合物2021-10-1832.4 晶體的電子結(jié)構(gòu)1. 能級展寬形成能帶：能級展寬形成能帶：兩個原子趨近：兩個原子趨近：孤立原子的每個能級分裂成兩個能級（成鍵能級和反鍵能級)，該兩能級相對原子能級E0的差值取決于原子間距；2021-10-1842.4 晶體的電子結(jié)構(gòu)1. 能級展寬形成能帶：能級展寬形成能帶：兩個原子趨近：兩個原子趨近：孤立原子的每個能級分裂成兩個能級（成鍵能級和反鍵能級)，該兩能級相對原子能級E0的差值取決于原子間距； N個原子趨近：個原子趨近：每個非簡并的原子能級相應(yīng)地分裂成N個能級，最高和最低能級相對于原子能級E0的差值也僅取決于原子間距，與原子數(shù)無關(guān)；實際晶體

3、材料：實際晶體材料：N極其大，相鄰能級間的距離非常小，幾乎是連續(xù)的；即原子的能級展寬形成能帶能帶，帶的寬度決定于原子間的距離。2021-10-1852.4 晶體的電子結(jié)構(gòu)2021-10-1862.4 晶體的電子結(jié)構(gòu)1. 能級展寬形成能帶：能級展寬形成能帶：能級分裂是相鄰原子的各軌道（電子云）相互作用的結(jié)果，因而當(dāng)原子結(jié)合成固體時，只有外層的電子能級有顯著地相互作用而展寬成帶，內(nèi)層電子仍處于分立的能級上。原子的外層電子一般稱為價電子，其性質(zhì)決定了元素的性質(zhì)；2021-10-1872021-10-1882.4 晶體的電子結(jié)構(gòu)1. 能級展寬形成能帶：能級展寬形成能帶：只有外層(和次外層)的電子能級有

4、顯著的相互作用而展寬成帶，內(nèi)層電子仍處于分立的原子能級上（因為能級分裂是相鄰原子的各軌道相互作用的結(jié)果）。2、價帶、導(dǎo)帶、禁帶：、價帶、導(dǎo)帶、禁帶： 價帶價帶(Valence band)：由價電子(參與化學(xué)鍵合的電子)的原子能級展寬而形成的能帶； 導(dǎo)帶導(dǎo)帶(Conduction band) ：由價電子以上的空能級展寬而形成的能帶； 禁帶禁帶(Forbidden band) ：彼此分開的兩個能帶之間的能量間隔Eg稱為禁帶（或能隙）；固體中的電子能量不允許在此范圍內(nèi)；2021-10-1892.4 晶體的電子結(jié)構(gòu)3、導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體：、導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體：A）導(dǎo)體）導(dǎo)體(Conductor)

5、：a）固體中價電子濃度比較低，沒有填滿價帶(例如金屬鋰)； b）價帶和導(dǎo)帶交疊，電子在外電場作用下能進入導(dǎo)帶(例如2價金屬鈹)；B）絕緣體）絕緣體(Insulator) ：價帶和導(dǎo)帶之間存在較大的能隙，且價帶被電子填滿，一般情況下外電場不能改變電子的速度和能量分布，使其進入導(dǎo)帶；C）半導(dǎo)體）半導(dǎo)體(Semi-conductor) ：能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體類似，只是能隙Eg比較小(一般小于2eV)，分為三種類型：本征、N型、P型 本征半導(dǎo)體(Intrinsic semiconductor)： 能隙 Eg非常小，熱激活足以使價帶中費米能級上的電子躍遷到導(dǎo)帶底，同時在價帶頂留下“電子空穴”； 2021-1

6、0-18102.4 晶體的電子結(jié)構(gòu)2021-10-18112.4 晶體的電子結(jié)構(gòu) N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(Negative) ：能隙Eg比較小，能隙中存在著由高價雜質(zhì)元素產(chǎn)生的靠近導(dǎo)帶底部的新能級；熱激活使電子從雜質(zhì)能級躍遷到導(dǎo)帶底部；雜質(zhì)原子為“施主”，載流子為帶負(fù)電的電子； P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(Positive) ：能隙Eg比較小，能隙中存在著由低價雜質(zhì)元素產(chǎn)生的靠近價帶頂部的新能級；熱激活使價帶中費米能級上的電子躍遷到雜質(zhì)能級，在價帶中留下“電子空穴”；雜質(zhì)原子為“受主”，導(dǎo)電機制為帶正電的空穴導(dǎo)電；2021-10-18122.4 晶體的電子結(jié)構(gòu) N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：也稱為電子型半導(dǎo)體。也

7、稱為電子型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體即自由電子濃度遠(yuǎn)型半導(dǎo)體即自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。大于空穴濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了置，就形成了N型半導(dǎo)體。在型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，自由電子為多子，空穴為型半導(dǎo)體中，自由電子為多子，空穴為少子，主要靠自由電子導(dǎo)電。自由電子主要由雜質(zhì)原子提供，空穴由熱少子，主要靠自由電子導(dǎo)電。自由電子主要由雜質(zhì)原子提供，空穴由熱激發(fā)形成。摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性激發(fā)形成。摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就

8、越高，導(dǎo)電性能就越強。能就越強。2021-10-18132.4 晶體的電子結(jié)構(gòu) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體：也稱為空穴型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體即空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。 在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成子，就形成P型半導(dǎo)體。在型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子，主要靠空穴導(dǎo)電?？昭ㄖ饕呻s質(zhì)原子提供，自由電子由熱激發(fā)形子，主要靠空穴導(dǎo)電。空穴主要由雜質(zhì)原子提供，自由電子由熱激發(fā)形成。摻入的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度就越高，

9、導(dǎo)電性能就越強。成。摻入的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度就越高，導(dǎo)電性能就越強。2021-10-18142.4 晶體的電子結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。在極低溫度下，半導(dǎo)體的價帶是滿帶，受到熱激發(fā)后，價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶，價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位，稱為空穴。導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴合稱電子 - 空穴對，均能自由移動，即載流子，它們在外電場作用下產(chǎn)生定向運動而形成宏觀電流，分別稱為電子導(dǎo)電電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電空穴導(dǎo)電。這種由于電子-空穴對的產(chǎn)生而形成的混合型導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電。導(dǎo)帶中的

10、電子會落入空穴，電子-空穴對消失，稱為復(fù)合復(fù)合。復(fù)合時釋放出的能量變成電磁輻射（發(fā)光）或晶格的熱振動能量（發(fā)熱）。在一定溫度下，電子 - 空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合同時存在并達(dá)到動態(tài)平衡，此時半導(dǎo)體具有一定的載流子密度，從而具有一定的電阻率。溫度升高時，將產(chǎn)生更多的電子 - 空穴對，載流子密度增加，電阻率減小。無晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體的電阻率較大，實際應(yīng)用不多。2021-10-18152.4 晶體的電子結(jié)構(gòu)3、半導(dǎo)體的應(yīng)用；、半導(dǎo)體的應(yīng)用；A）由P型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體單體構(gòu)成的產(chǎn)品有熱敏電阻器、壓敏電阻器，P、N結(jié)的組合還可生產(chǎn)出二極管、晶體管等；B）LED（Light Emitting Diode ）在20世紀(jì)60年代誕生后就被認(rèn)定是熒光燈管、燈泡等照明設(shè)備的終結(jié)者，甚至有人認(rèn)為LED將會開創(chuàng)一個新的照明時代，最終出現(xiàn)在所有需要照明的場合。LED的工作原理和我們常見的白熾燈、熒光燈完全不同，LED從本質(zhì)上來說是一種半導(dǎo)體器件。 LED的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面就會出現(xiàn)一個具有特殊導(dǎo)電性能的薄層，也就是常說的PN結(jié)(PN Junction Tran