武汉理工大学：《材料物理学》课程教学资源（PPT课件讲稿）第五章 导电物理 5.2 材料的导电性能

第5章导电物理 5.1概述 2个学时 5,2材料的导电性能2个学时 5.3金属电导 4个学时 54半导体物理 10个学时 55超导物理 4个学时

1 5.1概述 5.2材料的导电性能 5.4半导体物理 5.3金属电导 5.5 超导物理 2个学时 4个学时 4个学时 第5章 导电物理 2个学时 10个学时

52材料的导电性能 521能带结构 523导电材料与电阻材料 524其他材料的导电性能

2 5.2材料的导电性能 5.2.1能带结构 5.2.3导电材料与电阻材料 5.2.4其他材料的导电性能

根据原子结构理论,每个电子都占有一个 分立的能级。泡利( Paul)不相容原理指 出,每个能级只能容纳2个电子

3 根据原子结构理论，每个电子都占有一个 分立的能级。泡利（Pauli）不相容原理指 出，每个能级只能容纳2个电子

当N个原子相互靠近形成一个固体时,泡利 不相容原理仍然成立,即在整个固体中,也 只能有2个电子占据相同的能级。当这两个 原子的距离足够近时,它们的2s轨道的电子 就会相互作用,以致不能再维持在相同的能 级。当固体中有N个原子,这N个原子的2s 轨道的电子都会相互影响。这时就必须出现 N个不同的分立能级来安排所有这些2s轨道 的电子(这些电子共有2N个)。2s轨道的N 个分立的能级组合在一起,成为2s的能带

4 当N个原子相互靠近形成一个固体时，泡利 不相容原理仍然成立，即在整个固体中，也 只能有2个电子占据相同的能级。当这两个 原子的距离足够近时，它们的2s轨道的电子 就会相互作用，以致不能再维持在相同的能 级。当固体中有N个原子，这N个原子的2s 轨道的电子都会相互影响。这时就必须出现 N个不同的分立能级来安排所有这些2s轨道 的电子（这些电子共有2N个）。2s轨道的N 个分立的能级组合在一起，成为2s的能带

电子 3s- 2N个电子 2p 6N个电子 2s 2N个电子 A-熟 2N个电子 1个原子 2个原子 N个原子 图51电子数量增加时能级扩展成能带

图5.1电子数量增加时能级扩展成能带 5

导带 禁带 价带 3s 2p 2s2 0 平衡间距 原子间距离 图52钠的能带结构

6 图5.2钠的能带结构 导带 禁带

由于钠只有1个3s电子,所以在35价带上, 只有一半的能级被电子所占据。自然,这些 被电子占据的能级应该是能量较低的能级, 而3s价带中能量较高的处于上方的能级很少 有电子占据。当温度为绝对零度时,只有下 面一半的能级被电子占据,上面一半的能级 没有电子占据。能带中有一半的能级被电子 占据的能级称为费密能级。而当温度大于绝 对零度时,有一些电子获得了能量,跳到价 带里的较高能级,而在相对应的较低的能级 上失去了电子,产生了相同数量的空穴

7 由于钠只有1个3s电子，所以在3s价带上， 只有一半的能级被电子所占据。自然，这些 被电子占据的能级应该是能量较低的能级， 而3s价带中能量较高的处于上方的能级很少 有电子占据。当温度为绝对零度时，只有下 面一半的能级被电子占据，上面一半的能级 没有电子占据。能带中有一半的能级被电子 占据的能级称为费密能级。而当温度大于绝 对零度时，有一些电子获得了能量，跳到价 带里的较高能级，而在相对应的较低的能级 上失去了电子，产生了相同数量的空穴

T=OK T>OK e e e f E f (b) 图53能带中电子随温度升高而进行能级跃迁 (a)绝对零度时所有外层电子占据低的能级; (b)温度升高部分电子被激发到原未被填充的能级

8 图5.3能带中电子随温度升高而进行能级跃迁 (a)绝对零度时,所有外层电子占据低的能级; (b)温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级

镁原子的核外电子结构为1s2522p63s2。像 镁这样的周期表工A族元素的最外层3s轨道 有2个电子,所以按理说它的3s能带就会被 电子全部占满。 能带与 能带有 这种重叠使得电子能够激发到3s和3p的重叠 能带里的高能级,所以镁具有导电性

9 镁原子的核外电子结构为1s22s22p63s2。像 镁这样的周期表ⅡA族元素的最外层3s轨道 有2个电子，所以按理说它的3s能带就会被 电子全部占满。 但是，由于固体镁的3p能带与3s能带有重叠， 这种重叠使得电子能够激发到3s和3p的重叠 能带里的高能级，所以镁具有导电性

能带重叠现象 3s2 2p 2s2 0 平衡间距 原子间距离 图54镁的能带结构

10 能带重叠现象 图5.4镁的能带结构