1、18-1-1 晶格 晶體的基本特征：晶體的基本特征：構成晶體的離子、原子或分子按構成晶體的離子、原子或分子按結構單元，在空間作周期性的排列。結構單元，在空間作周期性的排列。 基元：基元：每個結構單元。每個結構單元。格點（結點）：格點（結點）：代表基元位置的點。代表基元位置的點。晶格：晶格：格點作周期性排列形成的格點作周期性排列形成的“骨架骨架”結構。結構。 晶體結構晶體結構 = = 晶格晶格 + + 基元基元18-1-2 幾種常見的晶體結構 七大晶系：七大晶系： 立方晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、立方晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、正交晶系、單斜晶系、三斜晶系。正交晶系、單斜晶系、三

2、斜晶系。 三斜晶系三斜晶系單斜晶系單斜晶系斜方晶系斜方晶系四方晶系四方晶系六方晶系六方晶系三方晶系三方晶系立方晶系立方晶系立方晶系：立方晶系：簡單立方簡單立方 體心立方體心立方 面心立方面心立方體心立方結構體心立方結構堿金屬堿金屬: 、 、等具有體心立方結構。等具有體心立方結構。 LiNaK面心立方結構面心立方結構AlCaCu等具有面心立方結構。等具有面心立方結構。 、 、 等等六方密積結構六方密積結構 金屬元素金屬元素 、 、等屬于這、等屬于這種結構。種結構。 BeMgZn 金剛石結構金剛石結構 在面心立方晶胞內有四在面心立方晶胞內有四個碳原子，分別位于四根對個碳原子，分別位于四根對角線的角

3、線的1/4處。處。 18-2-1 結合力與晶體分類 1. 離子晶體離子晶體離子晶體：離子晶體：由正、負離子組成，依靠離子間的由正、負離子組成，依靠離子間的靜電作用結合成晶體。靜電作用結合成晶體。 特點：特點：熔點高、硬度大、電子導電性弱。熔點高、硬度大、電子導電性弱。 2. 共價晶體共價晶體共價晶體：共價晶體：以共價鍵相結合的晶體。以共價鍵相結合的晶體。共價鍵的特征：共價鍵的特征：“飽和性飽和性”和和“方向性方向性”。 金剛石結構中一個碳原子貢獻金剛石結構中一個碳原子貢獻出四個價電子與周圍四個碳原子形出四個價電子與周圍四個碳原子形成共價鍵。成共價鍵。 共價晶體特點：共價晶體特點：結合力強，具有

4、高熔點、高硬度和結合力強，具有高熔點、高硬度和低電導率。低電導率。3. 金屬晶體金屬晶體 金屬晶體：金屬晶體：原子失去了它的價電子而成為離子原子失去了它的價電子而成為離子實。這些價電子在整個晶體內自由運動，為全實。這些價電子在整個晶體內自由運動，為全體離子實所共有。體離子實所共有。 特點：特點：結合牢固，有很高的硬結合牢固，有很高的硬度和熔點，且具有良好的導電度和熔點，且具有良好的導電和導熱性能。和導熱性能。 +4. 分子晶體分子晶體分子晶體：分子晶體：分子之間由范德瓦耳斯鍵結合構成。分子之間由范德瓦耳斯鍵結合構成。5. 氫鍵晶體氫鍵晶體 氫鍵：氫鍵：在一定條件下一個氫原子同時與兩個原子在一定

5、條件下一個氫原子同時與兩個原子相結合的力。相結合的力。氫鍵晶體：氫鍵晶體：以氫鍵結合的晶體。以氫鍵結合的晶體。18-2-2 能帶 EOr0rp2p3s3能帶：能帶：N個分裂能級密集排列而成。個分裂能級密集排列而成。價帶：價帶：價電子能級分裂而形成的能帶。價電子能級分裂而形成的能帶。禁帶：禁帶：相鄰兩個能帶之間的區(qū)域。相鄰兩個能帶之間的區(qū)域。空帶：空帶：價帶上面沒有被電子占據的能帶。價帶上面沒有被電子占據的能帶。能帶的性質決定了晶體的導電特性！能帶的性質決定了晶體的導電特性！ 滿帶：滿帶：填滿電子的能帶。填滿電子的能帶。滿帶不具備導電條件。滿帶不具備導電條件。 導帶：導帶：未被電子占滿的能未被電

6、子占滿的能帶，具備導電條件。帶，具備導電條件。空帶E價帶（1） 價帶未被電子填滿。價帶未被電子填滿。（2） 滿帶與上層空帶部分重疊。滿帶與上層空帶部分重疊。例：例： 金屬鈉（金屬鈉（NaNa）3s2p2ss 1622一個價電子一個價電子價帶可以容納價帶可以容納2N個電子個電子 N個價電子個價電子導體！導體！例例 金屬鎂（金屬鎂（Mg）26223s2p2ss 1兩個價電子兩個價電子2N個價電子個價電子3s電子剛好填滿價帶電子剛好填滿價帶 因為因為3s 能帶與上層的能帶與上層的3p空帶部分重合。空帶部分重合。 導體！導體！絕緣體？絕緣體？ 絕緣體的能帶結構：絕緣體的能帶結構： 價帶被電子充滿，價帶

7、與上價帶被電子充滿，價帶與上層空帶之間的禁帶寬度較大，層空帶之間的禁帶寬度較大，因此不具有導電特性。因此不具有導電特性。 空帶空帶價帶價帶禁帶禁帶EeV63禁帶禁帶半導體的能帶結構：半導體的能帶結構： 能帶結構與絕緣體相似，能帶結構與絕緣體相似，只是禁帶寬度與絕緣體相比較只是禁帶寬度與絕緣體相比較要小得多要小得多 。空帶空帶價帶價帶禁帶禁帶EeV5 . 11 . 0禁帶禁帶特點：特點：對溫度及其敏感，隨著溫度的升高，由于熱對溫度及其敏感，隨著溫度的升高，由于熱激發(fā)會使大量電子進入上層空帶，從而形成導電能激發(fā)會使大量電子進入上層空帶，從而形成導電能帶。帶。 自由電子模型：自由電子模型：價電子在金

8、屬中處價電子在金屬中處于自由狀態(tài)，除了電子與離子可以于自由狀態(tài)，除了電子與離子可以發(fā)生碰撞之外，電子之間、電子與發(fā)生碰撞之外，電子之間、電子與離子之間沒有相互作用。離子之間沒有相互作用。 yzaaax三維無限深方勢阱波函數：三維無限深方勢阱波函數： aznaynaxnAzyxzyxsinsinsin,2222e222zyxnnnamE能量：能量：分立值分立值18-3-1 電子的態(tài)密度 三個量子數三個量子數nx，ny，nz的每一種組合對應于一的每一種組合對應于一個能量量子態(tài)。個能量量子態(tài)。 xnynzn作球面：作球面：21222e2EamR能量小于等于能量小于等于E的量子態(tài)數的量子態(tài)數等于球面和

9、體內的點數。等于球面和體內的點數。 3223e3s23134812VEmRN3aV 能態(tài)密度：能態(tài)密度： 213223es22ddEVmENEg18-3-2 費米-狄拉克分布 費米費米 狄拉克分布律狄拉克分布律 1e1FkTEEEf 根據泡利不相容原理，在絕對零度時電子從最根據泡利不相容原理，在絕對零度時電子從最低能態(tài)開始逐一向上填滿各可能的能級，直至某個低能態(tài)開始逐一向上填滿各可能的能級，直至某個值值 EF0。 F0EE Ef0T：費米能費米能 FEF0E：絕對零度時的費米能：絕對零度時的費米能金屬：金屬：F0FEE T = 0 K 時：時：E EF 0EfE = EF 21Ef結論：結論：

10、電子出現在費米能級的概率為電子出現在費米能級的概率為1/2。 定義定義費米能級費米能級：平均粒子數為：平均粒子數為1/2的量子態(tài)的能量。的量子態(tài)的能量。 能量區(qū)間能量區(qū)間dE 內的電子數：內的電子數： EeVEmEEfEgNkTEEd1122ddF322123e總電子數：總電子數： 322323e320FVEEmN 費米能費米能 3223432F023nmEVNn 電子濃度電子濃度 0T時時F0,0 EE 1EfF0EE 0Ef電子的總能量：電子的總能量： 0F00ddEEEEgEEfEEgE250F3223e2252EVm自由電子的平均能量自由電子的平均能量 ：0F53ENEE結論：結論：絕

11、對零度時，自由絕對零度時，自由電子的能量不等于零。電子的能量不等于零。 例例1 在低溫下，金屬銅的自由電子濃度為在低溫下，金屬銅的自由電子濃度為n，試根，試根據自由電子模型計算銅的費米能量。據自由電子模型計算銅的費米能量。解：解： 3223432F023nmE金屬金屬：F0FEE kg1011. 92m1045. 8sJ101.0553313232823434327.03eVJ10126. 118kTEF0費米能以上幾乎沒有電子。費米能以上幾乎沒有電子。 18-4-1 半導體的結構與特性 金屬電阻率：金屬電阻率： 10-8m 絕緣體電阻率：絕緣體電阻率： 1014 1020m 半導體電阻率：半

12、導體電阻率： 10-4107m -禁帶禁帶價帶價帶E導帶導帶空穴：空穴：價帶中電子被激發(fā)到導價帶中電子被激發(fā)到導帶，同時在價帶中留出空位。帶，同時在價帶中留出空位。載流子：載流子：電子和空穴。電子和空穴。本征半導體：本征半導體：沒有雜質和缺陷的純凈半導體。沒有雜質和缺陷的純凈半導體。 摻雜：摻雜：在高純度的半導體中添加少量雜質。在高純度的半導體中添加少量雜質。GeAs 雜質原子砷雜質原子砷As參雜參雜本征半導體本征半導體Ge中。中。逾量電子：逾量電子：多余的價電子多余的價電子五價雜質的電離能：五價雜質的電離能： eV01. 0E禁帶寬度：禁帶寬度：eV1導帶導帶施主能級施主能級0.01eV價帶價帶施主：施主：雜質原子。雜質原子。施主能級：施主能級：雜質能級。雜質能級。電子型半導體：電子型半導體：主要靠雜主要靠雜質電子導電的半導體。質電子導電的半導體。GeB受主能級0.01eV價帶價帶導帶導帶空穴