《大学物理学》课程教学资源（PPT课件）第17章 新技术的物理基础

第十七章 新技术的物理基础s 17-1固体的能带结构$ 17-2激光原理S 17-3*超导电性s17-4*纳米科学技术简介S17-5*玻色-爱因斯坦凝聚态幸日录节回录上一页下一页

章目录 节目录 上一页 下一页 第十七章 新技术的物理基础 §17-1 固体的能带结构 §17-2 激光原理 §17-3* 超导电性 §17-4* 纳米科学技术简介 §17-5* 玻色-爱因斯坦凝聚态

817-1固体的能带结构固体是指具有确定形状和体积的物体，根据固体的结构，固体可分为晶体：组成晶体的原子或分子的排列具有三维空间的周期性，例如食盐、云母、金刚石等非晶：组成非晶体的原子、分子或离子不呈现空间周期性，例如玻璃、松香、沥青等准晶：介于晶体和非晶体之间的固体，具有完全有序的结构，但不具有晶体的平移对称性，例如khatyrkite岩石中找到准晶。液晶：液态晶体、是相态的一种，例如联苯液晶、苯基环已烷液晶及酯类液晶等。本节教材中的固体即指晶体。幸日录节日录上一页下一页

章目录 节目录 上一页 下一页 §17-1 固体的能带结构 固体是指具有确定形状和体积的物体，根据固体的结构，固体可分为: 晶体：组成晶体的原子或分子的排列具有三维空间 的周期性，例如食盐、云母、金刚石等 本节教材中的固体即指晶体。 非晶：组成非晶体的原子、分子或离子不呈现空间 周期性，例如玻璃、松香、沥青等 准晶：介于晶体和非晶体之间的固体，具有完全有 序的结构，但不具有晶体的平移对称性，例 如khatyrkite岩石中找到准晶。 液晶：液态晶体、是相态的一种，例如联苯液晶、 苯基环己烷液晶及酯类液晶等

817-1固体的能带结构晶体的结构和分类1、晶体的结构晶格：固体中分子、原子或离子在三维空间的周期性规则排列的点阵结构。晶体理想晶体的基本特征是：原子排列有规则具有周期性；长程有序。2、晶体的分类离子晶体：正负离子相间排列而成，离子键（库仑相互作用力）。晶胞章日录节日录上一页下一页

章目录 节目录 上一页 下一页 §17-1 固体的能带结构 理想晶体的基本特征是： 原子排列有规则； 具有周期性； 长程有序。 1、 晶体的结构 一、晶体的结构和分类 2、晶体的分类 离子晶体：正负离子相间排列而成，离子键（库仑相互作用力）。 晶格：固体中分子、原子或离子在三维空间 的周期性规则排列的点阵结构。 晶体 晶胞

817-1固体的能带结构共价晶体：原子晶体，共价键。分子晶体：无极分子靠近诱发瞬时电偶极矩，产生范德瓦耳斯力（键）。金属晶体：类似共价晶体，金属键（共有化价电子与离子实之间的库仑相互作用力）。大多数晶体中粒子的结合是上述多种键的混合（混合键），例如石墨晶体，同层原子是共价键，层间原子是范德瓦耳斯键。固体的能带：固体中原子的能级结构二十世纪初，特鲁德和洛仑兹建立的经典的金属自由电子论，能说明金属的导电性，和导热性质，但对绝缘体、半导体不能解释。能带理论能提供合理的解释，是研究固体中电子运动的一个主要理论章日录节日录上一页下一页

章目录 节目录 上一页 下一页 §17-1 固体的能带结构 共价晶体：原子晶体，共价键。 分子晶体：无极分子靠近诱发瞬时电偶极矩，产生范德瓦耳斯力（键）。 金属晶体：类似共价晶体，金属键（共有化价电子与离子实之间的库仑相互作用 力）。 大多数晶体中粒子的结合是上述多种键的混合（混合键），例如石墨晶体，同层 原子是共价键，层间原子是范德瓦耳斯键。 二、固体的能带：固体中原子的能级结构 二十世纪初，特鲁德和洛仑兹建立的经典的金属自由电子论，能说明金属的 导电性，和导热性质，但对绝缘体、半导体不能解释。 能带理论能提供合理的解释，是研究固体中电子运动的一个主要理论

817-1固体的能带结构1、电子的共有化两个原子的电势能曲线单个原子的电势能曲线个晶体中的周期性势能曲线%7%77E>Eo：能量高出势垒，电子在晶体中自由运动。E。<Eo：能量低于势垒，由于隧道效应进入相邻原子。电子的共有化：一批电子属于整个晶体原子所共有。节回录章日录上一页下一页

章目录 节目录 上一页 下一页 §17-1 固体的能带结构 1、 电子的共有化 单个原子的电势能曲线 两个原子的电势能曲线 晶体中的周期性势能曲线 Ee>E0：能量高出势垒，电子在晶体中自由运动。 Ee<E0：能量低于势垒，由于隧道效应进入相邻原子。 电子的共有化：一批电子属于整个晶体原子所共有

S17-1固体的能带结构2、能带的形成能级分裂形成能带：量子力学证明，因电子的共有化，使得晶体中每个原子的同一能级分裂成一系列的与原能级接近的许多能级（能带）。例：两个氢原子相互靠近形成氢分子时的能级分裂过程由于电子共有化，氢原E子的1s能级分裂成两个两个基态氢原子的1S能级1s能级。(1, 0, 0, 1/2)-(1, 0, 0, -1/2)0ro(1,0,0,1/2)或(1,0,0,-1/2)由于电子共有化，两个电子可以处于同一个氢原子中，依据泡利不相容原理，两个处于基态的电子只能分别两组不同的量子数。幸目录节回录上一页下一页

章目录 节目录 上一页 下一页 §17-1 固体的能带结构 2、 能带的形成 能级分裂形成能带：量子力学证明，因电子的共有化，使得晶体中每个原子 的同一能级分裂成一系列的与原能级接近的许多能级（能带）。 例：两个氢原子相互靠近形成氢分子时的能级分裂过程 两个基态氢原子的1s能级 (1, 0, 0, 1 2) (1, 0, 0, 1 2) 或 − (1, 0, 0, 1 2) (1, 0, 0, 1 2) − 0 r r E O 由于电子共有化，氢原 子的1s能级分裂成两个 1s能级。 由于电子共有化，两个电子可以处于同一个氢原子中，依据泡利不相容原理，两个处于 基态的电子只能分别两组不同的量子数

817-11固体的能带结构同理可得：N个原子相互靠近形成晶体，使孤立原子的每一个能级分裂成N个接近的能级，能级能带即形成能带。能带宽度的一般规律：能级分裂成能带（1）越是外层电子，能带越宽。（2）点阵闻距越小，能带越宽。（3）两个能带有可能重叠，亦可存在间隔，间隔叫禁带。能带中电子填充的一般规律：（1）依据泡利不相容原理，每个能级所对应的能带可填充的电子总数=单能级原来可填充的电子数文晶体中原子总数N。（2）依据能量最小原理：对于不同能带，先填充能量低的能带：对于同一能带，先填充能量低的能级。节录幸日录上一页下一页

章目录 节目录 上一页 下一页 §17-1 固体的能带结构 同理可得：N个原子相互靠近形成晶体，使孤 立原子的每一个能级分裂成N个接近的能级， 即形成能带。 能带宽度的一般规律： （1）越是外层电子，能带越宽。 （2）点阵间距越小，能带越宽。 （3）两个能带有可能重叠，亦可存在间隔，间隔叫禁带。 能带中电子填充的一般规律： （1）依据泡利不相容原理，每个能级所对应的能带可填充的电子总数=单能级原 来可填充的电子数╳晶体中原子总数N。 （2）依据能量最小原理：对于不同能带，先填充能量低的能带；对于同一能带， 先填充能量低的能级。 能级 能 带 能级分裂成能带

$17-1固体的能带结构三、导体与绝缘体1、满带、价带与空带由价电子能级分裂成的能带称为价带：通常是电子按能量最小原理所能填充的最高能带。空带宴带导带A禁带满带满带如果价带刚好被填满，称为满带：如果能带没有电子填充，称为空带；能带之间为禁带。如果能带有电子填充，但没有填满，称为导带；满带电子受到激发转移到空带，此时空带亦称导带。幸日录节回录上一页下一页

章目录 节目录 上一页 下一页 §17-1 固体的能带结构 三、导体与绝缘体 1、满带、价带与空带 由价电子能级分裂成的能带称为价带：通常是电子按能量最小原理所能填充的最高能带。 如果价带刚好被填满，称为满带；如果能带没有电子填充，称为空带；能带之间为禁带。 如果能带有电子填充，但没有填满，称为导带；满带电子受到激发转移到空带，此时空 带亦称导带。 禁带 空 带 满 带 导 带 空 带 满 带 导

817-1固体的能带结构2、导体导体的能带结构：价带只是部分填充部分电子形成导带；或者满带与空带重叠：或者导带与空带重叠单价金属Li二价金属Ca其它金属Na一种良好导体：最上面的能带没有被填满，或者填满但与上一空带重叠，电子在电场作用下能容易跃迁至上一能级，形成电流幸日录节录上一页下一页

章目录 节目录 上一页 下一页 §17-1 固体的能带结构 2、导体 导体的能带结构：价带只是部分填充部分电子形成导带；或者满带与空带重叠；或 者导带与空带重叠。 一种良好导体：最上面的能带没有被填满，或者填满但与上一空带重叠，电子在电 场作用下能容易跃迁至上一能级，形成电流。 单价金属Li 二价金属Ca 其它金属Na

817-1固体的能带结构3、半导体与绝缘体半导体与绝缘体的能带结构：存在满带与空带，且满带与空带之间存在禁带，只是禁带宽度不同，空带空带△E.=3.0←>6.0eV禁带TAE1.5ev禁带0.1←二满带满带半导体的能带结构绝缘体的能带结构半导体的禁带宽度较窄，用一般的热激发、光照或外加电场可以把满带中的电子激发到空带而参与导电；而绝缘体的禁带宽度宽，一般的能量激发不能使其导电。节回录幸日录上一页下一页

章目录 节目录 上一页 下一页 §17-1 固体的能带结构 3、半导体与绝缘体 半导体与绝缘体的能带结构：存在满带与空带，且满带与空带之间存在禁带，只是 禁带宽度不同。 半导体的禁带宽度较窄，用一般的热激发、光照或外加电场可以把满带中的电子激 发到空带而参与导电；而绝缘体的禁带宽度宽，一般的能量激发不能使其导电。 禁带  =  E eV g 0.1 1.5 空 带 满 带 半导体的能带结构 禁带  =  E eV g 3.0 6.0 空 带 满 带 绝缘体的能带结构