固体物理基础第四章能带.ppt

* 浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云 第 四 章 固体的能带结构 §4.2 固体的能带 §4.3 导体和绝缘体 §4.1 晶体的结构和结合 前言 固体物理既是一门综合性的理论学科又和 实际应用紧密结合（材料、激光、半导体…） ▲ 固体物理是信息技术的物理基础 1928-29 建立能带理论并由实验证实 1947.12 发明晶体管 1962 制成集成电路 1971 intel 4004微处理器芯片 2300晶体管 1982 80286 13.4万 1989 80486 120万 1997 pentium2 750万 1993 pentium 320万 集成度每 10 年增加 1000 倍 ！ 1995 pentium MMX 550万 集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻 的研究分不开。 没有晶体管、超大规模集成电路，就没有计 算机的普遍应用和今天的信息处理技术。 现在在一个面积比邮票还小的芯片上可以集成一个系统（SOC），其上集成了10 9个元件，沟道长度只有0.12微米（深亚微米）。 ? 量子尺度效应的研究 ? 纳米材料 原子?原子团?固体材料 ? 新材料的理论设计： ▲ 固体物理是新材料技术的物理基础 ? 晶格理论 ? 晶体的力学性质、热学性质、······ 量子阱、超晶格理论 ? 新型器件 ? 能带理论是固体理论和应用的基础。 “能隙工程”： 人工改变材料能隙去适应器件需要， 创造特殊能带结构的材料。 人们可以通过控制电子波函数来制作器件， 正所谓：“自己来实践量子力学”。 晶 体 非 晶 体 结 构： 规则排列的对称性 无一定规则排列 宏观性质： 多为各向异性 各向同性 熔 点： 确定 逐渐软化 一.晶体的结构 晶体中的原子规则排列形成晶格－具有周期性 §4.1 晶体的结构和结合 初基晶胞－晶格的最小单元 a b c a,b,c－晶格常数 晶格有多种类型： ▲ 简单立方晶格 a = b = c 点阵 点阵间满足关系： ▲ 面心立方晶格 Au ， Ag ， Cu ， Al? ▲ 体心立方晶格 ▲ 六角密排晶格 组成晶格的原子（团）在平衡点附近作热运动 （晶格振动）产生格波，声子 E＝( n+1/2) hv Li ，Na ，K ，Fe ， CsCl ? Be，Mg，Zn，Cd ? 二. 晶体的结合和类型 ▲ 离子晶体 （ Ionic Crystal） ▲ 共价晶体 （Covalent Crystal） ?无自由电子?导热导电性差 ?离子间静电力强?熔点高，硬度好 正负离子交替排列形成离子键，如NaCl 晶体 共价键 如：Si ，Ge， 金钢石 ? 传热导电性不好 ? 强度高，坚硬， 不易变形 原子贡献出价电子为整个晶体所共有 带正电的原子实周期地排列形成晶体点阵 ▲ 金属晶体 （Metallic Crystal） ? 电子对原子实的排列要求不严，展延性好 ? 导热导电性好（有自由电子） 大部分有机化合物晶体 范德瓦尔斯力 吸引，能量低 排斥，能量高 ▲ 分子晶体 （Molecular Crystal） ? 结合力小：熔点低，硬度小，易变形 几个原子有相互作用构成一个体系时电子 的能级如何？ §4.2 固体的能带 大量原子有相互作用构成一个体系时，电 子的能量状态（能级）如何？ 可以从两方面来分析： ? 孤立原子的能级→固体的能带 ? 研究电子在周期势场中的运动 一. 从原子能级到固体能带 原子中的电子处于不同的能级。 先看两个原子的情况 。 Mg 。 Mg 1s 2s 2p 3s 3p 根据泡利不相容原理，原来的能级已填满不能再填充电子——分裂为两条 1s 2s 2p 3s 3p 空带 价带 各原子间的相互作用 ?原来孤立原子的能级发生分裂 若有N个原子组成一体，对于原来孤立原子