近代物理第4章

第一頁第二頁，共56頁。二.分子的能級(jí)與分子光譜1.分子中的電子運(yùn)動(dòng)和電子能級(jí)Ee

電子能級(jí)的躍遷產(chǎn)生的光譜位于紫外及可見光區(qū)

第二頁第三頁，共56頁。2.分子的振動(dòng)和振動(dòng)能級(jí)Ev

純振動(dòng)光譜近紅外區(qū)

3.分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)Ek

純轉(zhuǎn)動(dòng)光譜遠(yuǎn)紅外及微波區(qū)第三頁第四頁，共56頁。1.一般包括若干譜帶系，不同譜帶系相應(yīng)于不同的電子能級(jí)之間的躍遷2.一個(gè)譜帶系含有若干譜帶，不同譜帶相應(yīng)于不同的振動(dòng)能級(jí)之間的躍遷

3.同一譜帶內(nèi)又包含有若干密集的譜線，相應(yīng)于轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的躍遷

特征：分子光譜便是一組帶光譜分子的總能量

第四頁第五頁，共56頁。

固體：晶體、非晶體晶體：

有規(guī)則對(duì)稱的幾何外形；

物理性質(zhì)(力、熱、電、光…)各向異性；

有確定的熔點(diǎn);

微觀上，分子、原子或離子呈有規(guī)則的周期性排列，形成空間點(diǎn)陣(晶格).

4.2

固體的能帶第五頁第六頁，共56頁。

1.電子共有化

（1）孤立原子(單價(jià))

●●r+-eUVUVr●+電子能級(jí)勢(shì)阱旋轉(zhuǎn)對(duì)稱勢(shì)壘+一.晶體的能帶結(jié)構(gòu)

電子所在處的電勢(shì)為U，電子的電勢(shì)能為V,電勢(shì)能是一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的勢(shì)阱。

第六頁第七頁，共56頁。(2)兩個(gè)原子情形(3)大量原子規(guī)則排列情形

晶體中大量原子(分子、離子)的規(guī)則排列成點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，晶體中形成周期性勢(shì)場。

VVr●●++

●●

●r●●●●+++++++aE1E2第七頁第八頁，共56頁。

為確定電子在周期性勢(shì)場中的運(yùn)動(dòng)，需解薛定諤方程(復(fù)雜，略)，僅定性說明。(1)對(duì)能量E1的電子(上圖)

勢(shì)能曲線表現(xiàn)為勢(shì)壘；電子能量<勢(shì)壘高度,且E1較小，勢(shì)壘較寬，穿透概率??；仍認(rèn)為電子束縛在各自離子周圍。若E1較大(仍低于勢(shì)壘高度)，穿透概率較大，由隧道效應(yīng)，電子可進(jìn)入相鄰原子。第八頁第九頁，共56頁。(2)對(duì)能量E2的電子

電子能量>勢(shì)壘高度電子在晶體中自由運(yùn)動(dòng)，不受特定離子的束縛。共有化的電子可以在不同原子中的相似軌道上轉(zhuǎn)移，可以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)。

電子共有化:

由于晶體中原子的周期性排列，價(jià)電子不再為單個(gè)原子所有的現(xiàn)象。

第九頁第十頁，共56頁。

▲量子力學(xué)證明，晶體中電子共有化的結(jié)果，使原來每個(gè)原子中具有相同能量的電子能級(jí)，因各原子間的相互影響而分裂成一系列和原能級(jí)很接近的新能級(jí)。▲這些新能級(jí)基本上連成一片，形成能帶(

energyband)。2.能帶的形成第十頁第十一頁，共56頁。

兩個(gè)氫原子靠近結(jié)合成分子時(shí)，1s能級(jí)分裂為兩條。

1sr0r0E●●HHrH原子結(jié)合成分子第十一頁第十二頁，共56頁?！?dāng)N個(gè)原子靠近形成晶體時(shí)，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來孤立原子的一個(gè)能級(jí)，就分裂成N條靠得很近的能級(jí)。使原來處于相同能級(jí)上的電子，不再有相同的能量，而處于N個(gè)很接近的新能級(jí)上。N條能級(jí)能帶能隙，禁帶

E第十二頁第十三頁，共56頁。(1)外層電子共有化程度顯著，能帶較寬(

E較大)；內(nèi)層電子相應(yīng)的能帶很窄。

(2)點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，

E越大。(3)兩能帶有可能重疊?！裟軒挾龋?/p>

E～eV

能帶中相鄰能級(jí)的能差：～10-22eV

◆能帶的一般規(guī)律：第十三頁第十四頁，共56頁。3、能帶中電子的排布

排布原則：(1)服從泡利不相容原理(2)服從能量最小原理◆這一能級(jí)分裂成由N條能級(jí)組成的能帶后，最多能容納個(gè)電子。

個(gè)電子?！艄铝⒃拥哪芗?jí)Enl，最多能容納

例：1S、2S能帶，最多容納2N個(gè)電子；2P、3P能帶，最多容納6N個(gè)電子。晶體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的某一條能級(jí)上。第十四頁第十五頁，共56頁。（1）滿帶：能帶中各能級(jí)都被電子填滿。（2）導(dǎo)帶：被電子部分填充的能帶。

在外電場作用下，電子可向帶內(nèi)未被填充的高能級(jí)轉(zhuǎn)移，但無相反的電子轉(zhuǎn)換，因而可形成電流。

◆價(jià)帶:價(jià)電子能級(jí)分裂后形成的能帶。有的晶體的價(jià)帶是導(dǎo)帶有的晶體的價(jià)帶也可能是滿帶。4.滿帶、導(dǎo)帶和禁帶導(dǎo)帶中的電子具有導(dǎo)電作用。滿帶中的電子不能起導(dǎo)電作用第十五頁第十六頁，共56頁。

▲

由原子的激發(fā)態(tài)能級(jí)分裂而成，正常情況下空著；

▲

在外電場作用下，這些電子的轉(zhuǎn)移可形成電流。所以，空帶也是導(dǎo)帶。（3）空帶：所有能級(jí)均未被電子填充的能帶。▲當(dāng)有激發(fā)因素(熱激發(fā)、光激發(fā))時(shí)，價(jià)帶中的電子可被激發(fā)進(jìn)入空帶；第十六頁第十七頁，共56頁。（4）禁帶：在能帶之間的能量間隙區(qū)，電子不能填充。

滿帶

空帶

禁帶E

▲

若上下能帶重疊，其間禁帶就不存在?！?/p>

禁帶的寬度對(duì)晶體的導(dǎo)電性有重要的作用第十七頁第十八頁，共56頁。

導(dǎo)體：電阻率

10-8

m

絕緣體：電阻率

108

m

硅、硒、碲、鍺、硼…元素；硒、碲、硫化合物；金屬氧化物；許多無機(jī)物。半導(dǎo)體：電阻率介于以上二者之間導(dǎo)電性能的不同，源于它們的能帶結(jié)構(gòu)的不同。二、導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體晶體按導(dǎo)電性能可分為

第十八頁第十九頁，共56頁。1.導(dǎo)體(conductor)的能帶結(jié)構(gòu)

空帶E某些一價(jià)金屬，如:Li…

導(dǎo)帶

某些二價(jià)金屬，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…

滿帶

空帶E

E

導(dǎo)帶

空帶

如:Na,K,Cu,Al,Ag…

(1)沒有滿帶

導(dǎo)帶和空帶不重疊(如Li，…)導(dǎo)帶和空帶重疊(如Na，K，Cu，Al，Ag)▲有幾種情形：第十九頁第二十頁，共56頁。

空帶E某些一價(jià)金屬，如:Li…

導(dǎo)帶

某些二價(jià)金屬，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…

滿帶

空帶E

E

導(dǎo)帶

空帶

如:Na,K,Cu,Al,Ag…

▲導(dǎo)電機(jī)制：在外電場的作用下，電子容易從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，形成集體的定向流動(dòng)(電流)，顯出很強(qiáng)的導(dǎo)電能力。(2)有滿帶，但滿帶和空帶(或?qū)?重疊(如某些二價(jià)元素Be，Ca，Mg，Zn，Ba)第二十頁第二十一頁，共56頁。2、絕緣體(insulator)的能帶結(jié)構(gòu)價(jià)帶是滿帶，禁帶較寬(相對(duì)于半導(dǎo)體)

Eg=3～6eV

E空帶

空帶

滿帶禁帶ΔEg=3～6eV▲一般的熱激發(fā)、光激發(fā)或外加電場不太強(qiáng)時(shí)，滿帶中的電子很難越過禁帶而被激發(fā)到空帶上去。第二十一頁第二十二頁，共56頁?！艏訜?、光照、加電場都能把電子從滿帶激發(fā)到空帶中去，同時(shí)在滿帶中形成“空穴”(hole)。E

空帶

滿帶ΔEg=0.1～2eV禁帶本征(純凈)半導(dǎo)體◆和絕緣體相似，價(jià)帶是滿帶，只是半導(dǎo)體的禁帶寬度很小

(ΔEg=0.1～2eV)3.半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)第二十二頁第二十三頁，共56頁。三.電子在導(dǎo)帶中按能量的統(tǒng)計(jì)分布

在一定的溫度下,電子占有能量為E的狀態(tài)的概率遵從費(fèi)米分布函數(shù)

---費(fèi)米能級(jí)其數(shù)值主要由導(dǎo)帶中電子濃度決定。

T=0時(shí):E>EF

f(E)=0E<EF

f(E)=1的物理意義：第二十三頁第二十四頁，共56頁。T≠0時(shí):

E=EFf=1/2

E>EF0<f<1/2E<EF1>f>1/2一般溫度下，金屬中電子的能量分布和絕對(duì)零度時(shí)相差無幾。

◆費(fèi)米能級(jí)就是在絕對(duì)零度下，導(dǎo)帶中

被電子占據(jù)的最高能級(jí)。第二十四頁第二十五頁，共56頁。一.本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體（intrinsemiconductor)是指純凈的半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間。

導(dǎo)電機(jī)制:

·▲在外電場作用下，導(dǎo)帶中的電子和滿帶中空穴均可導(dǎo)電，它們稱作本征載流子。

▲它們的導(dǎo)電形成半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電性?！?.3半導(dǎo)體第二十五頁第二十六頁，共56頁。

1、n型半導(dǎo)體

四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ge等摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)(impurity)元素(如P、As等)就形成了電子型半導(dǎo)體，也稱n型半導(dǎo)體。

如在純凈的半導(dǎo)體中適當(dāng)摻入雜質(zhì)，

可提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力；能改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制。｛二.雜質(zhì)半導(dǎo)體(impuritysemiconductor)第二十六頁第二十七頁，共56頁。

SiSiSiSiSiSiSiΔEDΔEg空帶滿帶施主能級(jí)n型半導(dǎo)體第二十七頁第二十八頁，共56頁。由量子力學(xué)，雜質(zhì)的(多余電子)的能級(jí)在禁帶中，且緊靠導(dǎo)帶底。圖中能量差

ED～10-2eV，

ED

Eg

(禁帶寬度)施主(donor)能級(jí)：這種雜質(zhì)能級(jí)因靠近空帶，雜質(zhì)價(jià)電子極易向空帶躍遷。因向空帶供應(yīng)自由電子，所以這種雜質(zhì)能級(jí)稱施主能級(jí)。

第二十八頁第二十九頁，共56頁?！鴮?dǎo)電機(jī)制：雜質(zhì)中多余電子經(jīng)激發(fā)后躍遷到空帶(或?qū)?而形成的。

▲在n型半導(dǎo)體中,

電子—多數(shù)載流子空穴—少數(shù)載流子

▲因摻雜(即使很少)，會(huì)使空帶中自由電子的濃度比同溫下純凈半導(dǎo)體空帶中的自由電子的濃度大很多倍，從而大大增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。第二十九頁第三十頁，共56頁。2、p型半導(dǎo)體

四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素（如B、Ga、In等）形成空穴型半導(dǎo)體，也稱p型半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體BSiSiSiSiSiSiSiΔEAΔEg空帶滿帶受主能級(jí)第三十頁第三十一頁，共56頁。

▲在P型半導(dǎo)體中

空穴─多數(shù)載流子電子─少數(shù)載流子受主（acceptor)能級(jí)：這種雜質(zhì)的能級(jí)緊靠滿帶頂處，圖中eV,滿帶中的電子極易躍入此雜質(zhì)能級(jí)，使?jié)M帶中產(chǎn)生空穴?！鴮?dǎo)電機(jī)制：主要是由滿帶中空穴的運(yùn)動(dòng)形成的?！@種摻雜使?jié)M帶中的空穴的濃度較純凈半導(dǎo)體的空穴的濃度增加了很多倍，從而使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能增強(qiáng)。

第三十一頁第三十二頁，共56頁。三、半導(dǎo)體的特性及應(yīng)用1.電阻率和溫度的關(guān)系

半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高而迅速下降應(yīng)用：熱敏電阻.體積小，熱慣性小，壽命長,廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制技術(shù)。第三十二頁第三十三頁，共56頁。

半導(dǎo)體硒，在照射光的頻率大于其紅限頻率時(shí)，它的電阻值有隨光強(qiáng)的增加而急劇減小的現(xiàn)象。

應(yīng)用:

光敏電阻(photosensitiveresistanceresistance)自動(dòng)控制、遙感等技術(shù)中的一個(gè)重要元件。2.半導(dǎo)體的光電導(dǎo)現(xiàn)象第三十三頁第三十四頁，共56頁。(1)p-n結(jié)的形成

P-N結(jié)n型p型3、p‐n結(jié)n區(qū)電子向p區(qū)擴(kuò)散,p區(qū)空穴向n區(qū)擴(kuò)散,在交界面處形成正負(fù)電荷的積累，交界處形成電偶層，此即p‐n結(jié)，厚度約

m。第三十四頁第三十五頁，共56頁?！€(wěn)定后，n區(qū)相對(duì)p區(qū)有電勢(shì)差U0(n比p高）。p‐n結(jié)也稱勢(shì)壘區(qū)。

P-N結(jié)n型p型▲

p‐n結(jié)處存在由n區(qū)

p區(qū)的電場(稱為內(nèi)建場)。此電場將遏止電子和空穴的繼續(xù)擴(kuò)散，最后達(dá)動(dòng)平衡狀態(tài)。第三十五頁第三十六頁，共56頁。

U0電子能級(jí)電勢(shì)曲線xxian線電子電勢(shì)能曲線P-N結(jié)第三十六頁第三十七頁，共56頁。

能帶的彎曲對(duì)n區(qū)的電子和p區(qū)的空穴都形成一個(gè)勢(shì)壘,阻礙n區(qū)電子和p區(qū)空穴進(jìn)入對(duì)方區(qū)域.這一勢(shì)壘區(qū)也稱阻擋層(deplectionzone）。

空帶空帶P-N結(jié)施主能級(jí)受主能級(jí)滿帶滿帶

p‐n結(jié)的形成使其附近能帶的形狀發(fā)生了變化。第三十七頁第三十八頁，共56頁。由于p‐n結(jié)處阻擋層的存在，把電壓加到p-n結(jié)兩端時(shí),阻擋層處的電勢(shì)差將發(fā)生變化.◆正向偏壓

p型n型IE阻E外

V(伏)３０２０１０(毫安)正向00.21.0P—N結(jié)的伏安特性(鍺管)

(2

)p‐n結(jié)的單向?qū)щ娦缘谌隧摰谌彭?，?6頁?！舴聪蚱珘?/p>

由上可知，p‐n結(jié)可以作成具有整流、開關(guān)等作用的晶體二極管(diode)。

p型n型IE阻E外擊穿電壓V(伏)I-１０-２０-３０(微安)反向-20-30Ｐ—Ｎ結(jié)的反向擊穿

第三十九頁第四十頁，共56頁。4.光生伏特效應(yīng)光生電動(dòng)勢(shì)的大小正比于光輻射的強(qiáng)度。

應(yīng)用：光電池。

第四十頁第四十一頁，共56頁。

◆把兩種不同材料的半導(dǎo)體組成一個(gè)回路，并使兩個(gè)接頭具有不同的溫度，會(huì)產(chǎn)生較大的溫差電動(dòng)勢(shì)。溫度每差一度，溫差電動(dòng)勢(shì)能達(dá)到、甚至超過1毫伏。

◆利用半導(dǎo)體溫差熱電偶可以制成溫度計(jì)，或小型發(fā)電機(jī)。5.溫差熱電偶第四十一頁第四十二頁，共56頁。6.集成電路

p‐n結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放大功能的晶體三極管(trasistor)，以及各種晶體管。進(jìn)一步可將它們作集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。

7.半導(dǎo)體激光器(在第二章激光中已講)8.半導(dǎo)體場致發(fā)光材料(略)等等第四十二頁第四十三頁，共56頁。一.超導(dǎo)電現(xiàn)象

溫度降到4.2K附近時(shí)，水銀的電阻突然降為零。

物體處于這種零電阻的狀態(tài)稱超導(dǎo)態(tài)。4.4超導(dǎo)電性和超導(dǎo)體

4.3010T/KR/0.1000.1250.0000.0254.104.20-5

超導(dǎo)體電阻降為零的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度或

臨界溫度。第四十三頁第四十四頁，共56頁。一些超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度

Al--1.20In--3.4

Pb--7.19Nb--9.3

Nb3Ge--23.2

鋇基氧化物-約90

Hg--4.15V--5.30

第四十四頁第四十五頁，共56頁。1.完全導(dǎo)電性（零電阻特性）二.超導(dǎo)體的基本性質(zhì)

當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)直流電阻為零。2.存在臨界磁場和臨界電流處在超導(dǎo)態(tài)的材料，當(dāng)外加磁場時(shí)，從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)；當(dāng)時(shí)，又從正常態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。H>第四十五頁第四十六頁，共56頁。臨界電流

式中為絕對(duì)零度時(shí)超導(dǎo)體的臨界電流臨界磁場

式中為絕對(duì)零度時(shí)的臨界磁場超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)0T第四十六頁第四十七頁，共56頁。完全導(dǎo)體：3.完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）不論有無外磁場，處于超導(dǎo)態(tài)