1、（優選）第一章固體中電子能量結構和狀態ppt講解第一頁，共四十三頁。金剛石和石墨第二頁，共四十三頁。金剛石的原子結構碳原子示意圖第三頁，共四十三頁。石墨和晶體結構 如此差異，原子核的狀態沒有區別，只是因為核外的電子能態不同而造成的 材料的物理性能強烈依賴于材料原子間的鍵合、晶體結構、電子能量結構與狀態，這三者之中尤其以電子的能量與狀態最為重要。 因果關系體現在什么地方？第四頁，共四十三頁。本章內容 第一章為描述、分析材料的物理性能提供理論工具，后六章相對獨立，分別介紹了各種不同的物理性能。 材料物理性能主要依賴于材料中的電子結構，因此第一章的理論主要針對電子在不同情況下的能量結構和狀態，因此第

2、一章的關鍵詞：電子行為描述。主要內容有：電子的波動性金屬的費密（Fermi）-索末菲（Sommerfel） 電子理論晶體能帶理論內容先后基本按照人類對電子行為認識的逐漸深入第五頁，共四十三頁。霍爾效應(Hall effect)I+_+- - - - -EHBhb-B-ev以金屬導體為例：金屬中的電流就是自由電子的定向移動（與電流反向）。自由電子受洛侖茲力作用導致正、負電荷相對集中,產生Hall電場金屬的上下表面出現電勢差霍爾電勢差。1.1 .1電子的粒子性第六頁，共四十三頁。I+_+- - - - -EHBhb-B-ev平衡時，橫向電勢差為：Hall系數，僅與導體材料有關。第七頁，共四十三頁。

3、 Hall效應的應用：（1）測量載流子濃度(n)（2）測量磁感應強度（3）判斷半導體載流子的種類半導體有兩種載流子： 對Hall效應來說，正電荷的運動與等量負電荷的反向運動并不等效！第八頁，共四十三頁。p型半導體第九頁，共四十三頁。n型半導體第十頁，共四十三頁。第一節1.1 .2電子的波動性微觀粒子的波粒二象性1、光量子的波粒二象性光子理論成功的解釋了光的發射和吸收，愛因斯坦由此獲得了1921年諾貝爾物理學獎 普朗克常量 1905年，愛因斯坦（26歲）為解釋光電效應，提出光是由一種微粒光子組成，頻率為 的光子能量2、微觀粒子的波粒二象性1924年法國物理學家德布羅意（32歲）提出物質波的假說第

4、十一頁，共四十三頁。一個能量為 E 、動量為P 的粒子，同時也具有波動性德布羅意波長 1927年被美國貝爾實驗室德戴維森和革末的電子衍射實驗所驗證，兩人因此獲1937年的諾貝爾物理學獎。3、波粒二象性是一切物質具有的普遍屬性頻率E為相對論能量第十二頁，共四十三頁。例 計算電子經過U1=100V和U2=10000V的電壓加速后的德布羅意波長1和2分別是 多少？解：經過電壓U加速后，電子的動能為根據德布羅意公式，此時電子的波長為：將已知數據代入計算可得：1= 0.123nm， 2= 0.0123 nm（誤差較小，未考慮相對論效應）第十三頁，共四十三頁。第十四頁，共四十三頁。1.1.3 波函數波函數

5、是微觀粒子運動的數學描述形式經典力學中斜拋運動的數學描述為 物質波的描述方法思想與經典粒子不同，物質波是一種具有統計規律的幾率波，設為粒子在有限空間出現的幾率令成為歸一化波函數則歸一性有限性第十五頁，共四十三頁。電子云示例n = 1,l = 0n = 2, l = 1n = 3, l = 2ml = 0ml = 0ml = 0ml =1ml =1ml =2含Z 軸的剖面上的電子云示意圖 “電子云” 代表微觀粒子在空間出現的幾率密度，若用點子 疏密 密程度表示粒子在空間出現的幾率密度，這種圖形稱為電子云（描電子波動的一個工具，定性分析，較為形象，但不是真實的圖像）第十六頁，共四十三頁。1.1.4

6、 薛定諤（Schodinger）方程 電子在不同的條件下運動，其薛定諤方程的具體形式不同，由此得到的波函數不同 考慮方向時，K為矢量，稱波矢量，以K為自變量的三維坐標軸成為K空間，描述電子的行為就在K空間中一維傳播的平面波可以表示為（只體現波動性）引入波數考慮德布羅意假設以及歸一化條件，波函數表示為電子能量第十七頁，共四十三頁。定態波函數 電子運動所在的勢場其勢能只是坐標的函數，則電子在其中運動狀態總會達到一個穩定態，可表示為電子在空間出現的幾率密度和時間無關薛定諤方程的建立的主要思路因（非相對論形式，E為經典粒子動能）此為一維條件下自由電子的薛定諤方程第十八頁，共四十三頁。如電子是不自由的，

7、其總能量是勢能和動能之合三維空間中拉普拉斯算符非相對論非定態形式第十九頁，共四十三頁。 波函數的性質 有限性：在空間任何有限體積元 V 中找到 歸一性：在空間各點的概率總和必須為1。根據波函數的統計解釋，它應有以下性質：必須為有限值。粒子的概率 單值性： 連續性：度在任意時刻、任意位置都是確定的。波函數應單值，從而保證概率密及其一階導數是連續的。勢場性質和邊界條件要求波函數第二十頁，共四十三頁。 由于進行了量子力學的基本研究，特別是對波函數作出的統計解釋，獲得1954年諾貝爾物理學獎。玻恩（M.Born，英籍德國人，18821970） 波函數由薛定諤方程確定，應該體現粒子的波粒二象性:波指得是

8、波動性，指粒子能發生衍射、干涉等現象；粒子性主要指粒子的能量是不連續的、是量子化的。 在自由狀態下，E、K都是連續的，但一般說來電子不可能處于完全自由態，電子的運動總是受到各種限制，稱為束縛態，束縛態下的電子的能量E和波矢K都是連續的都是量子化的第二十一頁，共四十三頁。1.2 金屬的費密（Fermi）-索末菲（Sommerfel） 電子理論對固體電子能量結構和狀態的認識，大致分為三個階段1、經典自由電子學說，電子能量服從經典麥克斯韋波爾茲曼分布2、量子自由電子學說，電子能量服從費密狄拉克分布3、能帶理論，電子不是完全自由引入了周期勢場 這三個階段體現了人們對電子運動認識的逐漸深入，對電子運動的

9、數學描述也更加符合實際情況。 晶體中的電子與單原子周圍的電子不同，描述電子的主要物理量是能量E第二十二頁，共四十三頁。1.2.1 金屬中自由電子的能級一維情況，建立一維勢阱模型邊界條件0L電子能量代入一維薛定諤方程解得第二十三頁，共四十三頁。由邊界條件則由歸一化條件得由邊界條件得自由電子能量金屬絲中自由電子的能量不是連續的，是量子化的.波粒二象性中的粒子性主要就是體現在能量量子化第二十四頁，共四十三頁。三維情況類似 區分電子，以量子數為量度。若幾個狀態對應同一能級，則稱之為簡并。考慮到自旋（兩個電子能量相同，自旋角動量大小相同，但方向可以相反，），金屬中的自由電子至少是二重簡并。能級之間能量差

10、很小，稱為準連續能譜例如量子數和波函數第二十五頁，共四十三頁。自由電子能級密度考慮波恩卡曼周期性邊界條件由測不準關系 為了計算金屬中自由電子的能量分布，需要了解電子的能級密度,定義 ，其中Z（E）為E到EdE范圍內的總狀態數，其意義是單位能量范圍內所能容納的電子數。每個點所占據K空間體積為單位體積所含電子數第二十六頁，共四十三頁。考慮電子自旋，能量為E其以下低能級的狀態總數為 對E微分自由電子體系只是一個簡單模型，實際情況更為復雜二維情況一維情況三維情況第二十七頁，共四十三頁。1.2.3 自由電子按能級分布具有能量為E的狀態被電子占有的幾率為自由電子分布服從費密狄拉克分布為費密能，是一個參照能

11、量能量在E和EdE之間的電子數第二十八頁，共四十三頁。溫度對電子分布的影響 在0K時，能量等于和小于費密能的能級全被占滿，而能量大于費密能的能級全部空著。0K時的費密能是一個重要的物理量于是0K時系統的自由電子數為n是單位自由體積電子數第二十九頁，共四十三頁。0K時自由電子平均能量0K時自由電子的能量不為0，與經典結果不同。 這是由于0K時，電子不能都集中到最低能級去，否則違反泡利不相容原理泡利不相容原理類似于一個座位不能坐兩個人第三十頁，共四十三頁。溫度高于0K條件下可得 只有能量在費密能級左右kT范圍內的電子，其占有幾率較高，能占據較高能級。能量很高的電子占有幾率極低1.0第三十一頁，共四

12、十三頁。在溫度高于0K條件下 電子平均能量略有提高，費密能略有下降，可以認為費密能不隨溫度變化 溫度變化時，只有一小部分的電子受到溫度影響。所以量子自由電子學說正確解釋了金屬電子比熱容較小的原因，其值只有德魯特理論值的百分之一。第三十二頁，共四十三頁。1.3 晶體能帶理論基本知識概述 量子自由電子學說比較經典電子理論有巨大的進步，但模型過于簡化，解釋和預測的實際問題仍遇到不少困難。鎂是二價金屬，但導電性比銅差隧道效應：電子動能小于位壘高度也能穿過固體的導電性有很大差別 能帶理論在量子自由學說的基礎上更進一步，考慮了晶體原子的周期勢場對電子運動的影響，建立的物理模型更加接近事實，但數學描述也更加

13、復雜。第三十三頁，共四十三頁。周期勢場中的傳導電子為了簡化數學描述，能帶理論假設：1、點陣是完整的2、晶體無窮大，不考慮表面效應3、不考慮離子熱運動4、不考慮電子間的相互作用第三十四頁，共四十三頁。Vr+aE1E2周期勢場，對電子的作用準自由電子第三十五頁，共四十三頁。代入薛定諤方程 得到準自由電子的波函數，在勢阱內，U=0，電子能級狀態不受影響，但是在勢阱臨界狀態，其能級不同于自由電子，出現斷層。P19 圖1.10周期勢場的數學描述第三十六頁，共四十三頁。禁帶起因 周期場的效應，在每一個臨界K處，自由電子的能級分裂成兩個不同的能級，即能隙。在兩個能級之間的能量范圍是不允許的，薛定諤方程無類波

14、解。（能帶的分界就是禁帶）電子共有化：由于晶體中原子的周期性排列，價電子不再為單個原子所有的現象。共有化的電子可以在不同原子中的相似軌道上轉移，可以在整個固體中運動。 能帶 量子子力學證明，由于晶體中各原子間的相互影響，原來各原子中能量相近的能級將分裂成一系列和原能級接近的新能級。這些新能級基本上連成一片，形成能帶 第三十七頁，共四十三頁。禁帶和允帶：允許被電子占據的能帶稱為允帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據的，此范圍稱為禁帶。原子殼層中的內層允帶總是被電子先占滿，然后再占據能量更高的外面一層的允帶。被電子占滿的允許帶稱為滿帶，每一個能級上都沒有電子的能帶稱為空帶。價帶：原子中最外層的電子

15、稱為價電子，與價電子能級相對應的能帶稱為價帶。導帶：價帶以上能量最低的允許帶稱為導帶。能帶理論的基本概念 電子進入導帶才能進行遷移，參與導電。因此固體的導電能力就依賴于導帶中是否有電子占據，或是導帶下的電子是否能進入導帶參與導電滿帶、空帶、價帶、導帶都是允帶第三十八頁，共四十三頁。金屬鎂（12個核外電子）的能帶結構 最上面滿帶和一個空帶重疊1s2s2p3s鎂 (1s2 2s2 2p6 3s2 ) 晶體能帶3s 電子可分布在 3p 能帶中滿 帶滿帶未滿帶3p能帶重疊第三十九頁，共四十三頁。E某些一價金屬，如:Li , Na, K, Cu, Al, Ag 最外層導帶 某些二價金屬，如:Be, Ca

16、, Mg, Zn, Ba 滿帶 導帶E 能帶理論應用：導體、半導體、絕緣體導電性的巨大差別 在外電場的作用下，電子容易從低能級躍遷到高能級，形成集體的定向流動(電流)，顯出很強的導電能力。 (1)價帶半滿，沒有滿帶，最外層電子就處于導帶 (2)有滿帶，但滿帶和空帶(或導帶)重疊，電子很容易進入導帶導體第四十頁，共四十三頁。E 導帶 滿帶Eg=0.12eV禁帶本征(純凈)半導體半導體本征半導體(intrinsic semiconductor)是指純凈的半導體，導電性能介于導體與絕緣體之間。 能帶結構半導體的禁帶寬度很小(Eg= 0.12eV)，加熱、光照、加電場都能把電子從滿帶激發到空帶中去，同

17、時在滿帶中形成“空穴”(hole)。(2)導電機制 在電場作用下，電子和空穴均可導電，它們稱作本征載流子；它們的導電形成半導體的本征導電性。 第四十一頁，共四十三頁。E 空帶 導帶 滿帶禁帶Eg=36eV絕緣體禁帶較寬(相對于半導體)，禁帶寬度 Eg = 36 eV 一般的熱激發、光激發或外加電場不太強時，滿帶中的電子很難能越過禁帶而被激發到空帶上去。當外電場非常強時，電子有可能越過禁帶躍遷到上面的空帶中去形成電流，這時絕緣體就被擊穿而變成導體了。 絕緣體 金鋼石 氧化鋅 氯化銀 硫化鈣 eV 5.33 3.2 3.2 2.42 半導體 硅 鍺 碲 銻化錮 eV 1.14 0.67 0.33 0.23 能 隙 ( eV ) 第四十二頁，共四十三頁。能帶理論對于導電差異簡單解釋導體中存在自由電子，價帶半滿或是價帶和導帶相連，在外電場作用下，自由電子可以直接進入導帶參與導電，電子的遷移率較高，因此導體的導電能力較強。半導體的價帶和導帶之間存在一個較小的能隙，稱為禁帶。在較低溫度的時候，由于能量較低，價帶電子不能進入導帶參與導電，因此