高二物理競賽：固體的能帶結(jié)構(gòu)課件

1根據(jù)固體的結(jié)構(gòu),固體材料分為:18.1.1晶體結(jié)構(gòu)和晶體分類晶體非晶體準(zhǔn)晶體（1984年發(fā)現(xiàn)）食鹽、云母、金剛石玻璃、松香、瀝青Ti--Ni—V急冷合金中發(fā)現(xiàn)的五次對稱現(xiàn)象AI—Mn準(zhǔn)晶體2理想晶體的基本特征是：原子排列有規(guī)則，具有周期性，長程有序。非晶體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，是短程有序。1、晶體是由大量分子、原子或離子組成。晶體的結(jié)構(gòu)和分類2、晶體的分類按照結(jié)合力的性質(zhì)晶體可分為四類

大量分子、原子或離子在三維空間的周期性規(guī)則排列方式稱為固體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（晶體點(diǎn)陣）。3（1）離子晶體以離子間的庫侖力為結(jié)合力，如NaCl（2）共價晶體以共價鍵為結(jié)合力，如H2（3）分子晶體以范德瓦耳斯鍵（無極分子相互接近時誘發(fā)的瞬時電偶極矩）為結(jié)合力，如大部分有機(jī)物（4）金屬晶體以共有化價電子與離子實(shí)間的庫侖力為結(jié)合力41.電子共有化在固體中，原子眾多，相鄰原子排列緊密，因此各能級殼層有不同程度的重疊，而最外層的能級殼層重疊部分最多。此時每個電子既要受到自己的離子實(shí)的作用，又要受到其它離子實(shí)的作用，所以電子不再束縛于一定的原子，電子將可以在整個固體中運(yùn)動，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化。18.1.2固體的能帶52.能帶的形成1）能級的分裂但是，當(dāng)原先是各自孤立的原子結(jié)合成分子時，使得各原子的能級也出現(xiàn)不同程度的交疊，結(jié)果會使得原子中原先的各個能級發(fā)生不同程度的分裂。對于一個孤立的原子，其能量主要的取決于主量子數(shù)n和角子數(shù)，并形成一系列分立的能級，每一能級上有 個量子態(tài)(n,給定），每一個量子態(tài)上只能有一個電子占據(jù)，。例如n=1.=0的1s能級上可以有兩個自旋量子態(tài)不同的電子占據(jù)。6２）能帶的形成計(jì)算表明，當(dāng)原子結(jié)合成固體時，原先的一個能級分裂成Ｎ個子能級，其最高子能級與最低子能級的能量間隔Ｅ一般在幾個eV的數(shù)量級，且與Ｎ的增減無顯著關(guān)系。若N~1023,則能帶中兩能級的間距約~10-22eV.這樣小的能級間隔在實(shí)驗(yàn)上完全可以忽略不計(jì)，而認(rèn)為能量值是連續(xù)變化的。這種Ｎ個子能級的能量值可視為連續(xù)變化的能量帶即稱之為能帶。7一般規(guī)律：（１）越是外層電子，能帶越寬.（２）點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬．

(3)兩個能帶有可能重疊.結(jié)論：一個孤立的原子的能量分布是一系列由量子數(shù)n,l決定的分立的能級。當(dāng)Ｎ個原子結(jié)合成固體時，整個固體的能量分布則是一系列的由量子數(shù)n,l決定的能量連續(xù)分布的能帶。818.1.3導(dǎo)體和絕緣體它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體918.1.4半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：純凈的無雜質(zhì)的半導(dǎo)體導(dǎo)帶禁帶滿帶空穴電子鍺晶體中的正常鍵電子被激發(fā)，晶體中出現(xiàn)空穴GeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGe101.n型半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶施主能級施主能級五價原子砷摻入四價硅中，多余的價電子環(huán)繞

離子運(yùn)動112.p型半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶受主能級受主能級空穴GeGeGeGeGeGeGeGeGeGe

三價原子硼摻入四價鍺晶體中，空穴環(huán)繞離子運(yùn)動12pnpnP-n結(jié)的伏安特性曲線反向電壓正向電壓3.p-n結(jié)13pnp偶電層n----------++++++++++空穴電子動平衡時p

型與n

型接觸區(qū)域的電勢變化一、粒子特征四種相互作用和粒子分類正電子的發(fā)現(xiàn)1932年安德孫在記錄宇宙射線(宇宙中的高能粒子流)的云霧室中發(fā)現(xiàn)了正電子.它與電子有相同的質(zhì)量，但卻帶正電荷.已知原子中的電子都帶負(fù)電荷，因此正電子不是宏觀物體的組元，它的性質(zhì)表明它與電子同樣基本。

中微子的發(fā)現(xiàn)原子核在β衰變時觀測到的是從原子核中放出的電子.1930年泡利根據(jù)衰變前后應(yīng)遵守角動量守恒和能量守恒而提出核在發(fā)射β粒子的同時應(yīng)發(fā)射一個質(zhì)量幾乎為零的中性粒子，稱為中微子.

介子的發(fā)現(xiàn)1936年在宇宙射線的觀測中發(fā)現(xiàn)了一種粒子，質(zhì)量是電子的207倍，但又比質(zhì)子小，物理上稱它為“μ介子”(后改稱μ子)，μ子是不穩(wěn)定的，平均壽命是2.2×10－6s.粒子的特征可用幾個物理量來描述：①質(zhì)量.常用能量表示.②電量.常以電子電量e為單位.③自旋.④平均壽命.多數(shù)粒子是不穩(wěn)定的，它的衰變特征用平均壽命表示.二、強(qiáng)子的夸克結(jié)構(gòu)

到目前為止，輕子類有六種.它們是電子、μ子、τ子和分別與之對應(yīng)的三種中微子.

按當(dāng)今人類的認(rèn)識水平，輕子類也只有這六種了，還未發(fā)現(xiàn)輕子有內(nèi)部結(jié)構(gòu).但是強(qiáng)子情況卻相反，越來越大的加速器使人們不斷看到有新的強(qiáng)子出現(xiàn)，至今已發(fā)現(xiàn)強(qiáng)子有八百多種.這是使人們想到強(qiáng)子不是基本粒子的重要原因.三、相互作用的統(tǒng)一

粒子間有四種相互作用，它們各自是獨(dú)立的.質(zhì)子和中子靠強(qiáng)相互作用結(jié)合成原子核；原子核和電子靠電磁