第24章 固體物理學(xué)

第二十四章固體物理基礎(chǔ)返回主目錄24－1固體的力學(xué)性質(zhì)

從微觀結(jié)構(gòu)看，晶體重的原子或分子或原子集團(tuán)在空間做規(guī)則的周期性排列，這共規(guī)則的周期性排列稱為晶體點(diǎn)陣，即晶格。如圖所示，非晶體的晶粒雖然緊密地結(jié)合在一起，但是沒(méi)有一定的排列規(guī)則。

典型的晶格第二十四章固體物理基礎(chǔ)

固體是一種重要的物質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)，固體物理學(xué)史研究固體的結(jié)構(gòu)與組成粒子之間相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而闡明其性能與用途的科學(xué)。

1．晶態(tài)固體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)圖24-2相互作用力和相互作用能隨原子間距的變化r/m晶體中的原子之所以能夠結(jié)合成具有一定幾何結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定晶體，是由于原子之間存在著結(jié)合力，而這中結(jié)合力又與原子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。U(r)與相互作用F(r)間的關(guān)系為當(dāng)r=r0時(shí)，F(xiàn)(r0)=0,對(duì)應(yīng)能量極小值，為穩(wěn)定狀態(tài)。第二十四章固體物理基礎(chǔ)2．固體的力學(xué)性質(zhì)（1）結(jié)合力的普遍性質(zhì)

合金在大多數(shù)情況下是混合鍵，且鍵的成分隨合金得成分的變化而變化。第二十四章固體物理基礎(chǔ)（2）晶體的結(jié)合力類型

共價(jià)鍵組成共價(jià)鍵的晶體都是原子其相鄰點(diǎn)陣粒子間的結(jié)合作用于共價(jià)分子中個(gè)原子的結(jié)合作用相似，來(lái)自相鄰點(diǎn)陣的粒子之間索共有的一對(duì)自旋相反的價(jià)電子稱為共價(jià)鍵。

分子晶體分子晶體的組成是電中性的無(wú)級(jí)分子。點(diǎn)陣粒子間的結(jié)合作用主要來(lái)自各分子相互接近時(shí)互相誘發(fā)的瞬時(shí)電偶極矩。

離子晶體由正負(fù)離子交替排列而成的晶體。

金屬晶體在金屬晶體中，由帶負(fù)電的共有化電子和帶正電的離子實(shí)間的作用稱為金屬鍵。24-2固體的能帶理論晶體內(nèi)電子的一維勢(shì)場(chǎng)晶體內(nèi)電子的一維勢(shì)場(chǎng)簡(jiǎn)化形式

最早研究晶體中電子狀態(tài)的理論是金屬的自由電子論，認(rèn)為金屬中電子都是自由電子，電子可以在整個(gè)金屬中自由運(yùn)動(dòng)，這種簡(jiǎn)單的模型不能說(shuō)明導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別，為此粗要對(duì)自由電子模型進(jìn)行修正。第二十四章固體物理基礎(chǔ)

1．晶體中的電子狀態(tài)－電子的共有化單個(gè)電子中，電子具有的能量是量子化的，常用一系列的能級(jí)表示。在晶體中，價(jià)電子共有化后，原來(lái)原子的能級(jí)也要發(fā)生變化，利用量子力學(xué)的知識(shí)，由方形勢(shì)阱和勢(shì)壘交替組成無(wú)線長(zhǎng)周期性勢(shì)場(chǎng)，來(lái)模擬晶體中的電所處的周期性原子勢(shì)場(chǎng)，設(shè)勢(shì)阱寬度為l，勢(shì)壘寬度為b，則

a=b+la為晶格常數(shù)。利用薛定諤方程，此方程的解有如下特性：在一定范圍內(nèi)，存在薛定諤方程的行波（即調(diào)幅度）解，這種能量范圍稱為能帶，它們被行波不能存在的能隙分裂開，一個(gè)電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中能隙產(chǎn)生的位置為

由此可見(jiàn)，在晶體的這種周期場(chǎng)中，電子的能量狀態(tài)不是一些分立的能級(jí)，而是一些能帶。第二十四章固體物理基礎(chǔ)2．能帶的形成3．能帶中的電子分布ΔE3sΔE2pΔE2sΔE3s3S2P2S1S

根據(jù)原子殼層理論，每個(gè)s分殼層只能容納一對(duì)自旋相反的電子。所以由N個(gè)原子組成的晶體，其s能帶是由N個(gè)原子的s能級(jí)分裂成的，其中有2N個(gè)不同的能態(tài)，即最多可容納2N個(gè)電子，同理對(duì)于原子的P能級(jí)，其中有可以分為3個(gè)支能級(jí)，每個(gè)能級(jí)只能容納一對(duì)自旋相反的電子，一共可容納6個(gè)電子，所以由N個(gè)原子組成的晶體，整個(gè)P能級(jí)最多可容納6N個(gè)電子，以此類推，所以由N個(gè)原子組成的晶體，其l一定的一條能帶中最多可容納電子的數(shù)目為2(2l+1)N個(gè)。第二十四章固體物理基礎(chǔ)24-3導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體絕緣體能帶結(jié)構(gòu)中，價(jià)帶已經(jīng)被填滿，即為滿帶。大多數(shù)離子晶體，分子晶體和具有偶數(shù)個(gè)價(jià)電子的原子組成的大多數(shù)共價(jià)晶體都是絕緣體。第二十四章固體物理基礎(chǔ)

導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體是根據(jù)他們的導(dǎo)電性來(lái)分的。

晶體中的電子應(yīng)該由低到高依次占據(jù)能帶中的各能級(jí)。如果能帶中的所有能級(jí)都被電子填滿，這種能帶成為滿帶。有的能帶只填充部分電子，還有一些空著的能態(tài)，能帶中的電子在外電場(chǎng)的作用下得到能量后，可進(jìn)入本能帶中未被電子填充的高能態(tài)。這樣未填滿電子的能帶稱為導(dǎo)帶。此外，與各原子激發(fā)相應(yīng)的能帶，在未被激發(fā)的正常情況下，往往沒(méi)有電子填充稱為空帶。絕緣體

滿帶、空帶和導(dǎo)帶

半導(dǎo)體能帶特點(diǎn)是：最高的滿帶與最低的滿帶間的禁帶寬較窄，因此較小的激發(fā)能量就可以把價(jià)帶中的電子激發(fā)到空帶中去，結(jié)果在價(jià)帶頂部附近，由于電子受激進(jìn)入空帶而留下空著的能帶，即空穴。在外電場(chǎng)的作用下，價(jià)帶中的電子就可以受電場(chǎng)的作用而填補(bǔ)這些空穴，但由產(chǎn)生新的空穴，是空穴不斷轉(zhuǎn)移。一次半導(dǎo)體中有來(lái)自受激電子的導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。第二十四章固體物理基礎(chǔ)導(dǎo)體

導(dǎo)體能帶特點(diǎn)是：其價(jià)帶只填入部分電子；或價(jià)雖已經(jīng)填滿，但與另一相鄰空帶緊密相連或部分重疊，也形成一未滿的能帶；或其價(jià)電子能帶本來(lái)就未填滿，又與其它能帶重疊。在外電場(chǎng)的作用下，這些未滿的能帶中能量較大的價(jià)電子在電場(chǎng)中受到加速動(dòng)能增加，可進(jìn)入同一能帶中略高的空能級(jí)，從而形成電子流而具有導(dǎo)電性。半導(dǎo)體5.本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)帶（空帶）滿帶導(dǎo)帶（空帶）滿帶導(dǎo)帶（未滿）滿帶導(dǎo)帶滿帶空帶滿帶（未滿）滿帶禁帶禁帶重疊重疊(a)絕緣體(b)半導(dǎo)體(c)導(dǎo)體(d)導(dǎo)體(e)導(dǎo)體（1）沒(méi)有任何外來(lái)雜質(zhì)和晶體缺陷的理想半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。（2）半導(dǎo)體中摻入一定量的其他元素（雜質(zhì)），這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

第二十四章固體物理基礎(chǔ)24-4超導(dǎo)電性

（2）邁斯納效應(yīng)在弱磁場(chǎng)中，把超導(dǎo)體冷卻到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)線似乎被一下排斥出去，保持超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，超導(dǎo)體的這一性質(zhì)被稱為邁斯納效應(yīng)。第二十四章固體物理基礎(chǔ)1．超導(dǎo)電現(xiàn)象

超導(dǎo)電現(xiàn)象是物體在低溫下表現(xiàn)出來(lái)的一種特性，當(dāng)溫度下降到某一溫度Tc時(shí)，物體突然失去電阻的現(xiàn)象叫做超導(dǎo)電現(xiàn)象，此狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)，物體成為超導(dǎo)體。，此溫度Tc稱為臨界溫度。2．超導(dǎo)體的物理性質(zhì)（1）零電阻效應(yīng)對(duì)于超導(dǎo)體，T<Tc時(shí)，R=0這就是零電阻效應(yīng)。圖24-7水銀電阻隨溫度變化關(guān)系0.150.1250.100.0750.050.0250.004.004.10