2022-2023学年高二物理竞赛课件：固体能带结构

固体能带结构 固体能带结构 主要内容： 1. 固体的能带 2. 绝缘体 导体 半导体 3. 杂质半导体 pn 结 理学院 物理系 陈强 固体的能带 1. 晶体结构和类型 晶体中原子或离子具有长程有序，而非晶体中仅具有短程有序. 晶体中原子或离子的这种周期性重复排列，称为晶格或空间点阵. 立方结构 面心立方结构 理学院 物理系 陈强 体心立方 金刚石 类型 结合力 方向性 饱和性 性能 导电性 硬度 熔点 离子晶体 离子键 无 弱 高 共价晶体 共价键 有 很低 高 分子晶体 范德瓦耳斯键 无 低 底 金属晶体 金属键 无 好 晶体类型： 理学院 物理系 陈强 一维晶体点阵形成的势能函数曲线 EP r + + + + + 2. 周期性势场和电子的共有化 r 以钠为例，分析价电子在 Na+ 的电场中的势能特点. 量子:电子能量 E 低，穿过势垒概率小，共有化程度低； 电子能量 E 高，穿过势垒概率大，共有化程度高. E + d E 经典:电子被束缚在Na+周围. 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 理学院 物理系 陈强 电子在晶体中作共有化运动，处在三维周期性势场 中 3. 能带 结论 单个原子的每个能级都分裂成 N 个与原能级很接近的新能级（能带）. 能带的宽度与电子的共有运动程度有关. 能带之间有禁带. 不同能带之间可能有重叠. 理学院 物理系 陈强 泡利不相容原理 2×N 2×N 2×N 6×N 6×N 10×N 4. 能带中电子的分布 满带、价带、空带 能量最小原理 原子能级 晶体能级（N个原子） 最多容纳电子数 一般情况下，价带是被电子所填充的能量最高的能带. 理学院 物理系 陈强 （未填满） 满带、价带、空带及其导电特性 满带:由内层电子能级分裂形成; 价带:由价电子能级形成; 空带:由激发态能级形成. 满带 不参与导电 参与导电 参与导电 空带 （填满） 价带 导带:未填满的带，空带（与价带相邻）. 理学院 物理系 陈强 绝缘体 导体 半导体 3~6eV 1. 绝缘体 价带 价带 0.1~1.5eV 2.半导体（本征半导体） （空穴） （电子） 电子 — 空穴对 导电特性： 温度特性 击穿特性 理学院 物理系 陈强 锂 镁 铜 、铝 银 3. 导体的能带（三种情况） 理学院 物理系 陈强 1. 本征半导体： 杂质半导体 pn结 2. 杂质半导体 （1）n 型半导体 没有参杂和缺陷的理想半导体. 参与导电的载流子为电子 — 空穴对. 杂质能级 价带 10-2 eV 施主能级 P +1 理学院 物理系 陈强 (2) p 型半导体 空穴 杂质能级 价带 受主能级 10-2 eV B 理学院 物理系 陈强 $