广东工业大学：《大学物理》课程教学课件（讲稿）第六篇 近代物理基础 第17章 激光和固体的量子理论（固体的能带结构、半导体的导电机理）

广东工业大学第17章激光和固体的量子理论大学物理A教素BuangdongUniversity otTechnology第六篇近代物理基础第18章激光和固体物理简介

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 第18章 激光和固体 物理简介 第六篇 近代物理基础

广东工业大学第17章激光和固体的量子理论大学物理A教素Guanadong University otTechnology主要内容：固体的能带结构半导体的导电机理

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 固体的能带结构 主要内容： 半导体的导电机理

广东工业大学第17章激光和固体的量子理论大学物理A教素uanadongUniversity ofTechnoloayS18.2 E固体的能带结构1.晶体结构和分类固体：晶体、非晶体、准晶体晶体：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排列，形成空间点阵（晶格）。绝大部分金属材料、半导体材料和绝缘体材料都是晶体。食盐、云母、金刚石等也都是晶体。非晶体：分子或原子的排列完全无序。玻璃、松香、沥青等准晶体：介于晶体与非晶体之间（1984年发现）

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 §18.2 固体的能带结构 1. 晶体结构和分类 固体: 晶体、非晶体、准晶体 晶体： 准晶体 : 介于晶体与非晶体之间（ 1984年发现） 绝大部分金属材料、半导体材料和绝缘体材料都是晶体。 食盐、云母、金刚石等也都是晶体。 非晶体 ：分子或原子的排列完全无序。玻璃、松香、沥青等 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排列，形 成空间点阵（晶格）

广东工业大学第17章激光和固体的量子理论大学物理A教素BuangdongUniversity otTechnologyAu、Ag、Cu、 Al...简单立方晶格面心立方晶格Be、Mg、Zn、 Cd..体心立方晶格六角密排晶格Li、Na、K、Fe

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 简单立方晶格 面心立方晶格 六角密排晶格 Au、Ag、 Cu、Al. 体心立方晶格 Li、Na、K、Fe. Be、Mg、 Zn、Cd

广李工业大学第17章激光和固体的量子理论大学物理A教素BuangdongUniversity otTechnology2. 晶体的能带结构能带理论1928年由布洛赫建立(1)周期性势场单个原子的势能曲线旋转对称福势阱势垒7电子能级+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

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 （1）周期性势场 2. 晶体的能带结构 ◎ 单个原子的势能曲线 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 能带理论1928年由布洛赫建立

广东工业大学第17章激光和固体的量子理论大学物理A教素uanadongUniversityofTechnology两个原子的势能曲线当两个原子靠得很近时，每个价电子同时受到两个离子电场的作用，这时的势能曲线如图中的实线（红线）所示大量原子规则排列的势能曲线晶体中大量原子（分子、离子）作有规则排列成点阵结构晶体内形成如图的周期性势场AAALALALAEEi

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 ◎ 两个原子的势能曲线 当两个原子靠得很近时，每个 价电子同时受到两个离子电场的作 用，这时的势能曲线如图中的实线 （红线）所示 ◎ 大量原子规则排列的势能曲线 晶体中大量 原子（分子、离 子）作有规则排 列成点阵结构， 晶体内形成如图 的周期性势场

广李工业大学第17章激光和固体的量子理论大学物理A教素uangdongUpiyersityofTechnolog电子共有化2为确定电子在周期性势场中的运动，需要解薛定鄂方程（复杂，略），仅作定性说明③对能量为E,的电子势能曲线表现为势垒，电子能量<势垒高度且E较小，势垒较宽EAALALALAAL穿透概率小。仅认为电E子束缚在各自离子周围若E，较大（仍低于势垒高度），穿透概率较大，由隧道效应电子可以进入相邻原子

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 为确定电子在周期性势场中的运动，需要解薛定鄂方程 （复杂，略），仅作定性说明。 （2）电子共有化 ◎ 对能量为E1的电子 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。仅认为电 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， 电子可以进入相邻原子

广东工业大学第17章激光和固体的量子理论大学物理A教素BuangdongUniversity otTechnology③对能量为E,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。OAAAAE电子共有化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。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。原子的外层电子（高能级），势垒穿透概率较大，，属于共有化电子。原子的内层电子与原子的结合较紧，一般不是共有化电子

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 ◎ 对能量为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。 ◎ 电子共有化 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。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。 原子的外层电子（高能级），势垒穿透概率较大，属于共 有化电子。 原子的内层电子与原子的结合较紧，一般不是共有化电子

广李工业大学第17章激光和固体的量子理论大学物理A教素uanadongUniversity ofTechnolog)3）能带的形成量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响，原来各原子中能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能级。这些新能级基本上连成一片，形成能带（energyband)。两个氢原子相距很远，二者2222的相互影响可以忽略，两原1s1s子具有相同的分立能级。e6两个氢原子靠近结合成分子时他们的电子的波函数将发生重叠。泡利原理不允许一个量子态上有两个电子存在，于是原来孤立状态下的1个能级将分裂成2个能级

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 （3）能带的形成 量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响，原来各 原子中能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新 能级。 两个氢原子相距很远，二者 的相互影响可以忽略，两原 子具有相同的分立能级。 这些新能级基本上连成一片，形成能带（energy band)。 两个氢原子靠近结合成分子时， 他们的电子的波函数将发生重 叠。泡利原理不允许一个量子 态上有两个电子存在，于是原 来孤立状态下的1个能级将分 裂成2个能级

广李工业大学第17章激光和固体的量子理论大学物理A教素BuangdongUniversity otTechnology“双线两个氢原子靠近结合成分子时，1s能级分裂成禁带0r五个等间距排列的氢原子，每个原子能级分裂为五个间距很近的子能级。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N个间距很近的子能级一一能级分裂

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 两个氢原子靠近结合成分子时，1s能级分裂成“双线” 五个等间距排列的氢原子，每个原子能级分裂为五个间距 很近的子能级。 E r 禁带 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 N 个间距很近的子 能级——能级分裂