近代物理第4章.ppt

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1、,第四章 分子和固体,一.氢分子,4.1 分子结构及分子光谱,二.分子的能级与分子光谱,1.分子中的电子运动和电子能级Ee,电子能级的跃迁产生的光谱位于紫外及可见光区,2.分子的振动和振动能级Ev,纯振动光谱 近红外区,3. 分子的转动能级Ek,纯转动光谱 远红外及 微波区,1. 一般包括若干谱带系，不同谱带系相应于不同的电子能级之间的跃迁,3.同一谱带内又包含有若干密集的谱线，相应于转动能级之间的跃迁,特征：,分子光谱便是一组带光谱,分子的总能量,固体：晶体、非晶体,晶体： 有规则对称的几何外形；,物理性质(力、热、电、光)各向异性；,有确定的熔点;,微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性

2、排列，形成空间点阵(晶格).,4.2 固体的能带,1.电子共有化 （1）孤立原子(单价),一. 晶体的能带结构,电子所在处的电势为U，电子的电势能为V,电势能是一个旋转对称的势阱。,(2)两个原子情形,(3)大量原子规则排列情形,晶体中大量原子(分子、离子)的规则排列成点阵结构，晶体中形成周期性势场。,为确定电子在周期性势场中的运动，需解薛定谔方程(复杂，略)，仅定性说明。,(1)对能量E1的电子(上图) 势能曲线表现为势垒；电子能量 势垒高度, 且E1较小，势垒较宽，穿透概率小；仍认为电子束缚在各自离子周围。,若E1较大(仍低于势垒高度)，穿透概率较大，由隧道效应，电子可进入相邻原子。,(2

3、)对能量E2的电子 电子能量 势垒高度 电子在晶体中自由运动，不受特定 离子的束缚。,共有化的电子可以在不同原子中的相似轨道上转移，可以在整个固体中运动。,电子共有化: 由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现象。,量子力学证明，晶体中电子共有化的结果，使原来每个原子中具有相同能量的电子能级， 因各原子间的相互影响而 分裂成一系列和原能级很接近的新能级。,这些新能级基本上连成一片，形成能带( energy band)。,2.能带的形成,两个氢原子靠近结合成分子时，1s能级分裂为两条。, 当N个原子靠近形成晶体时，由于各 原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的一个能级， 就分裂成

4、N条靠得很近的 能级。 使原来处于相同能级上的电子，不再有相同的能量，而处于N个很接近 的新能级上。,(1)外层电子共有化程度显著， 能带较宽(E较大) ；内层 电子相应的能带很窄。,(2)点阵间距越小，能带越宽，E越大。,(3)两能带有可能重叠。,能带宽度： EeV 能带中相邻能级的能差：10-22eV,能带的一般规律：,3、能带中电子的排布,排布原则：(1)服从泡利不相容原理 (2)服从能量最小原理,这一能级分裂成由N条能级组成的能带 后，最多能容纳 个电子。,例：1S、2S能带，最多容纳2N个电子；,2P、3P能带，最多容纳6N个电子。,晶体中的一个电子只能处在某个能带中的某一条能级上。

5、,（1）满带：能带中各能级都被电子填满。,（2）导带：被电子部分填充的能带。 在外电场作用下，电子可向带内未被 填充的高能级转移，但无相反的电子转换，因而可形成电流。,价带:价电子能级分裂后形成的能带。 有的晶体的价带是导带 有的晶体的价带也可能是满带。,4 .满带、导带和禁带,导带中的电子具有导电作用。,满带中的电子不能起导电作用, 由原子的激发态能级分裂而成，正常 情况下空着；, 在外电场作用下，这些电子的转移可 形成电流。所以，空带也是导带。,（3）空带：所有能级均未被电子填充的能带。,当有激发因素(热激发、光激发)时， 价带中的电子可被激发进入空带；,（4）禁带：在能带之间的能量间隙区

6、， 电子不能填充。, 若上下能带重叠，其 间禁带就不存在。, 禁带的宽度对晶体的 导电性有重要的作用,导体： 电阻率 10-8 m 绝缘体： 电阻率 108 m,导电性能的不同，源于它们的能带结构 的不同。,二、导体、绝缘体和半导体,晶体按导电性能可分为,1.导体(conductor)的能带结构,(1) 没有满带,导带和空带不重叠(如Li，) 导带和空带重叠(如Na，K，Cu，Al，Ag),有几种情形：,导电机制：在外电场的作用下，电子容易从低能级跃迁到高能级，形成集体的定向流动(电流)，显出很强的导电能力。,(2)有满带，但满带和空带(或导带)重叠(如某些二价元素Be，Ca，Mg，Zn，Ba

7、),2、绝缘体(insulator)的能带结构,一般的热激发、光激发或外加电场不太强时，满带中的电子很难越过禁带而被激发到空带上去。,加热、光照、加电场都能把电子从满带激发到空带中去，同时在满带中形成“空穴”(hole)。,本征(纯净)半导体,和绝缘体相似，价带是满带，只是半导体的禁带宽度很小 (Eg= 0.12eV),3.半导体的能带结构,三.电子在导带中按能量的统计分布,T=0时: E EF f (E)=0 E EF f (E)=1,的物理意义：,T0时: E= EF f = 1/2,E EF 0 f 1/2,一般温度下，金属中电子的能量分布和绝对零度时相差无几。,一.本征半导体,本征半导

8、体（intrinsemiconductor) 是指纯净的半导体，导电性能介于导体与绝缘体之间。,导电机制: 在外电场作用下，导带中的电子和满带中空穴均可导电，它们称作本征载流子。 它们的导电形成半导体的本征导电性。 ,4.3 半导体,1、n型半导体 四价的本征半导体Si、Ge等掺入少量五价的杂质(impurity)元素(如P、As等)就形成了电子型半导体，也称n型半导体。,二. 杂质半导体(impurity semiconductor),n型半导体,由量子力学，杂质的(多余电子)的能级 在禁带中，且紧靠导带底。图中能量差 ED10-2eV ， ED Eg (禁带宽度),施主(donor)能级：

9、这种杂质能级因靠近空带，杂质价电子极易向空带跃迁。因向空带供应自由电子，所以这种杂质能级称施主能级。,导电机制：杂质中多余电子经激发后跃 迁到空带(或导带)而形成的。,在n型半导体中, 电子多数载流子 空穴少数载流子,因掺杂(即使很少)，会使空带中自由电子的浓度比同温下纯净半导体空带中的自由电子的浓度大很多倍，从而大大增强了半导体的导电性能。,2、p型半导体 四价的本征半导体Si、e等掺入少量三价的杂质元素（如B、Ga、In等）形成空穴型半导体，也称p型半导体。,在P型半导体中 空穴 多数载流子 电子 少数载流子,受主（acceptor)能级：这种杂质的能级紧靠满带顶处，图中 eV,满带中的电

10、子极易跃入此杂质能级，使满带中产生空穴。,导电机制：主要是由满带中空穴的运动 形成的。,这种掺杂使满带中的空穴的浓度较纯净半导体的空穴的浓度增加了很多倍，从而使半导体的导电性能增强。,三、半导体的特性及应用,1.电阻率和温度的关系,半导体的电阻率随温度的升高而迅速下降,应用：热敏电阻.,体积小，热惯性小，寿命长, 广泛应用于自动控制技术。,半导体硒，在照射光的频率大于其红限频率时，它的电阻值有随光强的增加而急剧减小的现象。,2.半导体的光电导现象,(1)p-n结的形成,3、pn结,n区电子向p区扩散, p区空穴向n区扩散,在交界面处形成正负电荷的积累，交界处形成电偶层，此即pn结，厚度约 m。

11、,稳定后，n区相对p区有电势差U0 (n比p高）。pn 结也称势垒区。, pn结处存在由n区p区的电场(称为内建场)。此电场将遏止电子和空穴的继续扩散，最后达动平衡状态。,能带的弯曲对n区的电子和p区的空穴都形成一个势垒,阻碍n区电子和p区空穴进入对方区域. 这一势垒区也称阻挡层(deplectionzone）。,pn结的形成使其附近能带的形状发生了变化。,由于pn结处阻挡层的存在，把电压加到p-n结两端时,阻挡层处的电势差将发生变化., 正向偏压,(2 ) pn结的单向导电性, 反向偏压,由上可知，pn结可以作成具有整流、开关等作用的晶体二极管(diode)。,4.光生伏特效应,光生电动势的

12、大小正比于光辐射的强度。,应用：光电池。,把两种不同材料的半导体组成一个回路，并使两个接头具有不同的温度，会产生较大的温差电动势。温度每差一度，温差电动势能达到、甚至超过1毫伏。,利用半导体温差热电偶可以制成温度计，或小型发电机。,5.温差热电偶,6.集成电路 pn结的适当组合可以作成具有放大功能的晶体三极管(trasistor)，以及各种晶体管。进一步可将它们作集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。,7.半导体激光器(在第二章激光中已讲),8.半导体场致发光材料(略) 等等,一.超导电现象,物体处于这种零电阻的 状态称超导态。,4.4 超导电性和超导体,1.完全导电性（零电阻特性）,二

13、.超导体的基本性质,当超导体处于超导态 时 直流电阻为零。,2.存在临界磁场 和临界电流,临界磁场,完全导体：,3.完全抗磁性（迈斯纳效应）,三、超导电性的微观理论BCS理论,1.声子作用：通过交换声子两个电子之间产生 间接的吸引作用。,2.库珀对：两个电子之间通过交换声子彼此 吸引，成为束缚在一起的电子对。,库珀对中两个电子的自旋和动量均等值反向， 每一库珀对的总动量为零。,四、超导隧道效应,1.正常电子的 隧道效应,当 时，正常 金属 以上的大量电子 可通过隧道效应穿过绝缘层。,改用S-I-S三层结构（绝缘层厚为几千nm-几万nm),S-I-S隧道结足够薄（2-3nm)，超导体内库珀电子对

14、也可以隧穿绝缘层而形成超导电流.,2.超导电子的隧道效应（约瑟夫森效应）,（1）直流约瑟夫森效应,当直流电通过超导隧道结时，只要 IIc ，隧道结呈超导电性，隧道结两端电压为零.,（2）交流约瑟夫森效应,在超导隧道结两端加一直流电压U，结中 会引起交变电流，而且辐射出电磁波。,频率,例：,若用频率为 的电磁波照射约瑟夫森结， 当改变通过结的电流时，结上的电压U会 出现台阶式变化。,1.超导强电应用（零电阻、强磁场） 超导电缆 超导电机 超导线圈 超导磁体,2.超导弱电应用（约瑟夫森效应） 电压基准 磁强计 伏特计 安培计 超导量子干涉器件 （SQUID) 超导电子计算机,五、超导技术的应用,超导量子干涉仪（SQUID),