固体物理(清华大学)--N01_C02
固体物理(清华大学)--N01_C03B
3.4 倒易点阵与布里渊区(Reciprocal Lattice and Brillouin Zone) 在晶格振动理论中原子的振动以机械波的形式在晶体中传播，在能带理论中电子的几率分布用波函数的形式描述,是在整个晶体中分布的几率波。
上述两种波都受制于晶格的周期性。
倒易空间就是定义在晶格上的波()r ψ的波矢k 的空间.从数学上讲,倒易点阵和Bravais 点阵互相是对应的傅里叶空间。
倒易点阵基矢(Reciprocal Basis)与晶格基矢正交归一： a a i j ij *⋅=2πδ。
倒易点阵基矢：()()()()a a a a a a a a a a a a ccc c 123231123312222***,=⨯=⨯=⋅⨯=⨯πππΩΩΩΩ即原胞体积。
倒易格矢量：*3*2*1a l a k a h G hkl ++=，其中h, k, l 为任意整数.构成倒易点阵。
Bravais 点阵的倒易点阵也是Bravais 点阵，在绝大多数情况傅里叶变换并不改变点阵的晶格结构.普遍而言倒易点阵属于点阵同一晶系.(1) 面心立方与体心立方互为正、倒易点阵。
例子：面心---体心互换。
)ˆˆˆ(2),ˆˆˆ(2),ˆˆˆ(2321z y x a a z y x a a z y x a a -+=+-=++-= (2) 体心四方变成面心四方,也就是回到体心四方.)ˆˆˆ(21),ˆˆˆ(21),ˆˆˆ(21321z c y a x a a z c y a x a a z c y a x a a -+=+-=++-= (3) 底心正交还是变成体心正交.z c a y a x a a y b x a a ˆ),ˆˆ(21),ˆˆ(21321=-=+= 倒易点阵在晶体学中的应用：晶面的定量描述。
倒格矢G ha ka la hkl =++123***垂直于()hkl 晶面。
面间距d G hkl hkl =2π/。
清华大学计算固体力学全套课件
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全套课件
计算固体力学
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第1章 绪论
计算固体力学课程体系
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全面介绍非线性有限元的前沿性内容，使学习 者能进入这一领域的前沿，应用非线性有限元方法 求解弹塑性材料、几何大变形和接触碰撞这些非线 性力学的主要问题，增强工程结构中非线性计算和 虚拟仿真的能力，提高非线性有限元的教学和科研 水平。
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计算固体力学课程体系
教学内容：
1. 绪论：非线性有限元的基本概念，发展历史，工程应用， 标记方法，网格表述和偏微分方程的分类。（2） 2. 一维L有限元：TL和UL格式的控制方程。E有限元：E公式 的控制方程，弱形式与强形式。（4） 3. 连续介质力学：变形和运动，应力－应变的度量，守恒 方程，框架不变性。（4） 4. L网格：UL有限元离散，编制程序，旋转公式。（4） 5. 材料本构模型：一维弹性，非线性弹性，如次弹性和超 弹性。一维塑性，多轴塑性，超弹－塑性（橡胶和泡沫 模型），粘弹性（蠕变和松弛等），经验本构模型，如 J-C方程等。应变硬化和软化。（4） 6. 求解方法：应力更新算法，平衡解答和隐式时间积分 （N-R求解等），显示时间积分（中心差分等） ，波的 传播问题。（4） TSINGHUA UNIVERSITY
Engineering Science- is the systematic acquisition of knowledge for the purpose of applying it to the solution of problems effecting the needs and well-being of human kind. SBES- engineering science and science that employs the principles and methods of modeling and computer simulation to acquire and apply knowledge for the benefit of human kind.
(NEW)清华大学《839材料科学基础》-固体物理历年考研真题及详解
目 录
2009年清华大学材料科学基础（与物理化学或固体物理）考研真题及详解
2008年清华大学材料科学基础（与物理化学或固体物理）考研真题及详解
2007年清华大学材料科学基础（与物理化学或固体物理）考研真题及详解
2006年清华大学材料科学基础考研真题及详解
2005年清华大学材料科学基础考研真题及详解
2004年清华大学材料科学基础考研真题及详解
2003年清华大学材料科学基础考研真题（之一）及详解
2003年清华大学材料科学基础考研真题（之二）及详解
2002年清华大学材料科学基础考研真题及详解
2009年清华大学材料科学基础（与物理化学或固体物理）考研真题及详解。
清华大学考研专业课839固体物理考试范围及历年真题汇编
第二卷固体物理知识点（参考黄昆的书，学有余力也建议学习韦丹固体物理，各有特色）第一章晶体结构1.1 晶格的相关概念及几种不同晶格1.2 理解原胞概念1.3 晶面晶向的标定1.4 倒易点阵的定义及相关性质1.5 立方体、正四面体、正六角柱的对称操作1.6 五种旋转对称的推导1.7 十四种布拉伐格子，结合材料科学基础，弄清楚。
1.8 表1-2记住，材科基会考第二章固体的结合2.1 离子性结合的特点，推导马德隆常数，系统内能的表示，求平衡距离和体变模量2.2 共价结合的特点2.3 金属性结合的特点，排斥作用来源2.4 范德瓦尔斯结合的特点，Lennard-Jones 势的相关推导第三章晶格振动与晶体的热学性质3.1 了解简谐近似、简正坐标、振动模的概念3.2 格波、声子概念，一维单原子链的色散关系等计算，q 的范围，长波极限特点3.3 一维双原子链相关推导，q 的取值范围，声学波光学波的概念，长波极限的特点3.4 声学波，光学波的数量判断，q 的分布密度，第一布里渊区的概念，画法3.5 了解LST 关系3.6 确定色散关系的几种方法及其原理3.8 爱因斯坦模型和德拜模型的假设、结果、适用范围、缺陷及全部推导过程3.9 不同条件下推导晶格振动模式密度3.10 热膨胀产生原因3.11晶格热传导原理，热导率的影响因素，N、U过程，不同温度下晶格热导原理第四章能带理论4.1 布洛赫定理内容，简约波矢概念4.2 一维周期长中求带隙大小，解释其成因4.3 三维周期场的布里渊区和能带，SC、BCC、FCC的简约布里渊区及相关数据。
结合2015年十一题和课后4.8弄懂图4-114.5 紧束缚近似的概念，该近似下求SC、BCC、FCC的能带函数E（k）4.7 不同维度下求能态密度，近自由电子的等能面，费米面，费米半径的相关计算第五章晶体中电子在电场和磁场中的运动5.1 波包概念，E、F、v、a、m*的相关公式及计算5.2 恒定电场下电子的运动过程，振荡频率5.3 导体、半导体、绝缘体的能带特点5.4 了解廊道能级概念5.5 回旋共振的应用5.6 德·哈斯-范·阿尔芬效应的原理及作用第六章金属电子论（可参考材科学习辅导第九章：功能材料基础）6.1 电子热容量公式（掌握大致证明过程），电子热容量与晶格热容量大小比较及原理6.3 了解定态导电过程中的玻尔兹曼方程6.4 了解弛豫时间的概念及电导率公式6.5 了解对各向同性散射过程中弛豫时间表达式的理解6.6 晶格散射的 U 过程和 N 过程，弛豫时间公式中包含的两个重要结论第七章至第十一章：出现频率极低，搞懂相关真题，学有余力关注其中一些概念即可。
固体物理(严守胜编著)-课后标准答案--第章
固体物理(严守胜编著)-课后答案--第章————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：23 1.1对于体积V 内N 个电子的自由电子气体，证明（1）电子气体的压强()()V p 032ξ⨯=，其中0ξ为电子气体的基态能量。
（2）体弹性模量()V p V K ∂∂-=为V9100ξ 解：（1）()32352225223101101-==V N m h V m k h F πππξ（1.1.1）()()()()()V V Nm h V N m h V N m h V V p 0353522235352223235222323101323231013101ξππππππξ⨯==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=∂∂-=---（1.1.2） （2）()()()()VV N m h V N mh V V N m h VVV p V K 9103101910353101323101320383522238352223535222ξππππππ==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂-=∂∂-=---（1.1.3）1.2 He 3原子是具有自旋1/2的费米子。
在绝对零度附近，液体He 3的密度为0.081g •cm -3。
计算费米能量F ε和费米温度F T 。
He 3原子的质量为g m 24105-⨯≈。
解：把 He 3原子当作负电背景下的正电费米子气体. Z=1.328322241062.11062.1105081.01m cm m Z n m ⨯=⨯=⨯⨯==--ρ（1.2.1） ()1917312108279.7108279.73--⨯=⨯==m cm n k F π（1.2.2）()eVJ m k F F 42327293422102626.41080174.6100.52108279.710055.12----⨯=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==ηε （1.2.3）K k T B F F 92.410381.1106.801742323=⨯⨯==--ε（1.2.4）4 1.3低温下金属钾的摩尔电子热容量的实验测量结果为1108.2--⋅=K mol TmJ C e ，在自由电子气体模型下估算钾的费米温度F T 及费米面上的态密度()F g ε。
固体物理课后习题答案
(
) )
)
1 3 a 4
a 2
(
(
)
2π ⎧ b a 2 × a3 1 = ⎪ Ω ⎪ 2π ⎪ a 3 × a1 ⎨b 2 = Ω ⎪ 2π ⎪ ⎪b3 = Ω a1 × a 2 ⎩
(
) ) )
(
(
Ω = a1 ⋅ a 2 × a 3 =
i a a 2 × a3 = 2 a 2 j 0 a 2
(
k 0 a =i a 2 2 0
(
)
⎞ 2π k⎟= −i + j + k 同理 ⎠ a
(
)
(
)
(
)
2π ⎧ ⎪b1 = a −i + j + k ⎪ 2π ⎪ i− j+k ⎨b 2 = a ⎪ 2π ⎪ ⎪b3 = a i + j − k ⎩
(
)
(
)
(
)
由此可得出面心立方格子的倒格子为一体心立方格子； 所以体心立方格子和面心立方格子互为正倒格子。 2.2 在六角晶系中，晶面常用四个指数（hkil）来表示，如图 所示，前三个指数表示晶面族中最靠近原点的晶面在互成 1200的 共面轴 a1 , a2 , a3 上的截距为
设两法线之间的夹角满足
K 1 i K 2 = K1 i K 2 cos γ
K 1iK 2 cos γ = = K1 i K 2 2π 2π (h1 i + k1 j + l1 k )i (h2 i + k2 j + l2 k ) a a 2π 2π 2π 2π (h1 i + k1 j + l1 k )i (h1 i + k1 j + l1 k ) i (h2 i + k2 j + l2 k )i (h2 i + k2 j + l2 k ) a a a a
《固体物理学》概念和习题 答案
《固体物理学》概念和习题固体物理基本概念和思考题：1.给出原胞的定义。
答：最小平行单元。
2.给出维格纳-赛茨原胞的定义。
答：以一个格点为原点，作原点与其它格点连接的中垂面(或中垂线)，由这些中垂面(或中垂线)所围成的最小体积(或面积)即是维格纳-赛茨原胞。
3.二维布喇菲点阵类型和三维布喇菲点阵类型。
4. 请描述七大晶系的基本对称性。
5. 请给出密勒指数的定义。
6. 典型的晶体结构（简单或复式格子，原胞，基矢，基元坐标）。
7. 给出三维、二维晶格倒易点阵的定义。
8. 请给出晶体衍射的布喇格定律。
9. 给出布里渊区的定义。
10. 晶体的解理面是面指数低的晶面还是指数高的晶面为什么11. 写出晶体衍射的结构因子。
12. 请描述离子晶体、共价晶体、金属晶体、分子晶体的结合力形式。
13. 写出分子晶体的雷纳德-琼斯势表达式，并简述各项的来源。
14. 请写出晶格振动的波恩-卡曼边界条件。
15. 请给出晶体弹性波中光学支、声学支的数目与晶体原胞中基元原子数目之间的关系以及光学支、声学支各自的振动特点。
（晶体含N个原胞，每个原胞含p个原子，问该晶体晶格振动谱中有多少个光学支、多少个声学支振动模式）16. 给出声子的定义。
17. 请描述金属、绝缘体热容随温度的变化特点。
18. 在晶体热容的计算中，爱因斯坦和德拜分别做了哪些基本假设。
19. 简述晶体热膨胀的原因。
20. 请描述晶体中声子碰撞的正规过程和倒逆过程。
21. 分别写出晶体中声子和电子分别服从哪种统计分布（给出具体表达式）22. 请给出费米面、费米能量、费米波矢、费米温度、费米速度的定义。
23. 写出金属的电导率公式。
24. 给出魏德曼-夫兰兹定律。
25. 简述能隙的起因。
26. 请简述晶体周期势场中描述电子运动的布洛赫定律。
27. 请给出在一级近似下，布里渊区边界能隙的大小与相应周期势场的傅立叶分量之间的关系。
28. 给出空穴概念。
29. 请写出描述晶体中电子和空穴运动的朗之万（Langevin）方程。
固体物理参考书目
固体物理参考书目通用教材（近期的和有较大影响的）1．阎守胜，固体物理基础＊北大出版社 20002．陈长乐，国体物理学西北工大出版社 19983．黄昆，韩汝琦，国体物理学高等教育出版社 1988第1版，（根据黄昆，国体物理学人民教育出版社 1966版扩充改编）4．方俊鑫，陆栋，国体物理学（上，下两册）上海科技出版社 1980，1981 （根据谢希德，方俊鑫，国体物理学 1965版扩充改编）5．顾秉林，王喜坤，固体物理学＊清华大学出版社 19906. 王矜奉，固体物理教程（4版）山东大学出版社 2004 （1999年初版）6．Kittel C. Introduction to Solid State Physics, 8th ed.John Wiley ﹠ Sons Inc.,2005 （作者是在固体物理研究领域有过重要贡献的美国加州大学Bekeley分校物理学教授，该书1953年首次出版后受到广泛重视，后于1956，1966，1971，1976，1986，1996，年不断修订再版，成为大学固体物理的标准教材之一，2005年是第8版。
我国曾先后翻译出版了1956年的第2版和1976年的第5版。
）中译本：固体物理导论（原著8版）化学工业出版社，20057． Busch G. Schade H. 固体物理学讲义高等教育出版社 1987(原文为德文，瑞士联邦技术学院教材，1972)8．M A Omar Elementary Solid State Physics: Principle and Applications中译本：固体物理学基础北京师范大学出版社 19879．H E Hall Solid State Physics John Wiley ﹠ Sons Ltd 1974(英国曼彻斯特大学教材)中译本：固体物理学高等教育出版社 198310．N W Ashcroft, N D Mermin Solid State Physics, ＊ 1976(美国康乃尔大学教材，是公认的固体物理权威著作)更深入的教材1．冯端，金国钧，凝聚态物理学（上卷）高等教育出版社 20032．J Callaway, Quanyum Theory of The Solid State 1976中译本：固体量子理论科学出版社 19843. O Madelung, Introduction to Solid State Theory Springer 19784. J M Ziman, Principles of the Theory of Solid Cambridge University Press 19725．William Jones, Norman H March, Theoretical Solid State Physics,Vol 1: The equilibrium properties of perfect crystalline solidVol 2；The non-equilibrium properties and DisorderJohn Wiley ﹠ Sons Ltd 19737. 李正中固体理论高等教育出版社 19858．冯端，金国钧，凝聚态物理新论上海科技出版社 1992相关教材和参考读物1．H M Rosenberg The Solid State Oxford Press 19832. 拉顿，约翰威尔逊固体物理基础天津科学技术出版社 1984 3．吕世骥范印哲固体物理教程北大出版社 19904．陈洗. 国体物理基础华中工学院出版社 19865．李延福. 国体物理学青海人民出版社 19856．苟清泉. 国体物理学简明教程人民教育出版社 19787．黄波，聂承昌. 固体物理学问题和习题国防工业出版社 1988 8．刘有之等. 固体物理学习指导，高等教育出版社 19889．陈金富国体物理学学习参考书高等教育出版社 198610．王矜奉等固体物理概念题和习题指导山东大学出版社 200111. 沈以赴，固体物理基础教程化学工业出版社， 200512. 徐婉棠，吴英凯. 固体物理学. 北京师范大学出版社，199113. 蒋平，徐至中. 固体物理简明教程. 复旦大学出版社， 2000 14． A J Dekker, Solid State Physics, 1957中译本：德克尔国体物理学科学出版社 196515. 房晓勇等. 固体物理学. 哈尔滨工业大学出版社 2003。
固体物理习题解答
《固体物理学》习题解答( 仅供参考)参加编辑学生柯宏伟（第一章），李琴（第二章），王雯（第三章），陈志心（第四章），朱燕（第五章），肖骁（第六章），秦丽丽（第七章）指导教师黄新堂华中师范大学物理科学与技术学院2003级2006年6月第一章晶体结构1. 氯化钠与金刚石型结构是复式格子还是布拉维格子，各自的基元为何？写出这两种结构的原胞与晶胞基矢，设晶格常数为a。
解：氯化钠与金刚石型结构都是复式格子。
氯化钠的基元为一个Na+和一个Cl－组成的正负离子对。
金刚石的基元是一个面心立方上的Ｃ原子和一个体对角线上的Ｃ原子组成的Ｃ原子对。
由于NaCl和金刚石都由面心立方结构套构而成，所以，其元胞基矢都为：123()2()2()2a a a ⎧=+⎪⎪⎪=+⎨⎪⎪=+⎪⎩a j k a k i a i j 相应的晶胞基矢都为：,,.a a a =⎧⎪=⎨⎪=⎩a ib jc k2. 六角密集结构可取四个原胞基矢123,,a a a 与4a ,如图所示。
试写出13O A A '、1331A A B B 、2255A B B A 、123456A A A A A A 这四个晶面所属晶面族的晶面指数()h k l m 。
解：(1)．对于13O A A '面，其在四个原胞基矢上的截矩分别为：１，１，12-，１。
所以，其晶面指数为()1121。
(2)．对于1331A A B B 面，其在四个原胞基矢上的截矩分别为：１，１，12-，∞。
所以，其晶面指数为()1120。
(3)．对于2255A B B A 面，其在四个原胞基矢上的截矩分别为：１，1-，∞，∞。
所以，其晶面指数为()1100。
(4)．对于123456A A A A A A 面，其在四个原胞基矢上的截矩分别为：∞，∞，∞，１。
所以，其晶面指数为()0001。
3. 如将等体积的硬球堆成下列结构，求证球体可能占据的最大体积与总体积的比为： 简立方：6π；体心立方：8；面心立方：6；六角密集：6；金刚石：16。
清华大学固体物理：固体物理习题解答
1， 设晶体中每个振子的零点振动能为12ω，使用德拜模型求晶体的零点振动能。
证明:根据量子力学零点能是谐振子所固有的，与温度无关，故T=0K 时振动能0E 就是各振动模零点能之和。
()()()000012mE E g d E ωωωωωω==⎰将和()22332sVg v ωωπ=代入积分有 402339168m m s V E N v ωωπ==，由于098m B D B D k E Nk ωθθ==得 一股晶体德拜温度为~210K ，可见零点振动能是相当大的，其量值可与温升数百度所需热能相比拟． 2，根据k aπ=±状态简并微扰结果，求出与E -及E +相应的波函数ψ-及ψ+?，并说明它们的特性．说明它们都代表驻波，并比较两个电子云分布2ψ说明能隙的来源(假设n V =*n V )。
＜解＞令k aπ=+，k aπ'=-，简并微扰波函数为00()()k k A x B x ψψψ=+0*()0n E k E A V B ⎡⎤-+=⎣⎦()00n V A E k E B '⎡⎤+-=⎣⎦ 取E E +=带入上式，其中0()n E E k V +=+V(x)<0,0n V <,从上式得到B= -A,于是0()()n n i x i x a akk A x x e e ππψψψ-'+⎡⎤⎡⎤=-=-⎢⎥⎣⎦⎣⎦n x a π 取E E -=，0()n E E k V -=- ,n n V A V B A B =-=得到0()()n n i x i x aa kk A x x e e ππψψψ-'-⎡⎤⎡⎤=-=-⎥⎣⎦⎦n x a π 由教材可知，+ψ及-ψ均为驻波． 在驻波状态下，电子的平均速度()k ν为零．产生驻波因为电子波矢n k a π=时，电子波的波长22ak nπλ==，恰好满足布拉格发射条件，这时电子波发生全反射，并与反射波形成驻波由于两驻波的电子分布不同，所以对应不同代入能量。
固体物理学讲义.（ＰＤＦ）
绪论一固体物理的研究对象固体物理是研究固体的结构及其组成粒子原子离子电子等之间相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科 固体按结构分类取向对称晶体学上不允许的长程平移序和同时具有长程准周期性准晶准晶体短有序程无明确周期性非晶态非晶体长程有序规则结构晶态晶体:)(,:)(,:)( 二固体物理的发展过程人们很早注意到晶体具有规则性的几何形状还发现晶体外形的对称性和其他物理性质之间有一定联系因而联想到晶体外形的规则性可能是内部规则性的反映十七世纪C Huygens 试图以椭球堆集的模型来解释方解石的双折射性质和解理面十八世纪RJH 认为方解石晶体是由一些坚实的y ua &&相同的平行六面体的小基石有规则地重复堆集而成的到十九世纪费多洛夫熊夫利巴罗等独立地发展了关于晶体微观几何结构的理论系统为进一步研究晶体机构的规律提供了理论依据1912年劳埃首先提出晶体可以作为X 射线的衍射光栅索末菲发展了固体量子论费米发展了统计理论在这些研究的基础上逐渐地建立了固体电子态理论能带论和晶格动力学固体的能带论提出了导电的微观机理指出了导体和绝缘体的区别并断定有一种固体它们的导电性质介乎两者之间叫半导体四十年代末五十年代初以锗硅为代表的半导体单晶的出现并以此制成了晶体三极管进而产生了半导体物理这标志着固体物理学发展过程的又一次飞跃为了适应微波低噪音放大的要求曾经出现过固体量子放大器脉泽1960年出现的第一具红宝石激光器就是由红宝石脉泽改造而成的可以说固体物理学尖端技术和其他学科的发展相互推动相辅相成的作用反映在上述的固体新材料与新元件的发现和使用上新技术和其他学科的发展也为固体物理学提供了空前有利的研究条件三固体物理的学科领域随着生产及科学的发展固体物理领域已经形成了象金属物理半导体物理晶体物理和晶体生长磁学电介质包括液晶物理固体发光超导体物理固态电子学和固态光电子学等十多个子学科同时固体物理的本身内核又在迅速发展中主要有1研究固体中的元激发及其能谱以更深入更详细地分析固体内部的微观过程揭示固体内部的微观奥妙2研究固体内部原子间结合力的综合性质与复杂结构的关系掌握缺陷形成和运动以及结构变化相变的规律从而发展多功能的复合材料以适应新的需要3研究在极低温超高压强磁场强辐射条件下固体的性质4表面物理----在研究体内过程的基础上进入了固体表面界面的研究5非晶态物理----在研究晶态的基础上开始进入非晶态的研究即非晶体中原子电子的微观过程四固体物理的研究方法固体物理主要是一门实验性学科但是为了阐明所揭示出来的现象之间的内在的本质联系就必须建立和发展关于固体的微观理论实验工作与理论工作之间要相互密切配合以实验促进理论以理论指导实验相辅相成相得益彰第一章晶体结构固体的结构决定其宏观性质和微观机理本章主要阐明晶体中原子排列的几何规则性1-1 一些晶格的实例晶体组成微粒具有空间上按周期性排列的结构基元当晶体中含有多种原子多种原子构成基本的结构单元格点结点结构中相同的位子图1-1-1 结构中相同的位子点阵晶体中格点的总体又称为布拉菲点阵布拉菲格子这种格子的特点是每点周围的情况都一样如果晶体由完全相同的一种原子组成则这种原子所组成的网格也就是布拉菲格子和结点所组成的相同如果晶体的基元中包含两种或两种以上的原子则每个基元中相应的同种原子各构成和结点相同的网格不过这些网格相对地有位移而形成所谓的复式格子显然复式格子是由若干相同的布拉菲格子相互位移套构而成晶格通过点阵中所有节点的平行直线簇和平行平面簇构成的网格元胞反映晶格周期性的最小重复单元侧重最小重复单元每个元胞中只有一个格点晶胞晶体学单胞既反映晶格周期性又反映晶格的空间对称性的最小重复单元侧重空间对称性每个元胞可能不止一个格点一单原子组成的元素晶格1简单立方晶格图1-1-2 原子球的正方排列及其各层球完全对应层叠形成的简单立方晶格2体心立方晶格的典型单元及堆积方式图1-1-3体心立方晶格的典型单元及体心立方晶格的堆积方式3原子球最紧密排列方式与面心立方晶格和六角密排晶格图1-1-4原子球最紧密排列方式当层叠是ABABAB方式则构成六角密排晶格当层叠是ABCABCABC方式则构成面心立方晶格4金刚石类晶格金刚石类晶格是由面心立方单元的中心到顶角引8条对角线在其中互不相邻的4条对角线的中点各加一个原子就得到金刚石类晶格结构也可看成面心立方沿体对角线平移1/4体对角线套购而成除金刚石外半导体硅和锗也具有类似金刚石类晶格结构图1-1-5金刚石类晶格结构的典型单元二化合物晶体的结构1NCl类晶格结构其好似于简单立方晶格只是每一行相间地排列着正的和负的离子N a+和Cl-碱金属和卤族元素的化合物都具有类似的结构Cl类晶格结构2C其好似体心立方晶格只是体心和顶角是不同的离子3闪锌矿ZS类晶格结构和金刚石类晶格结构相仿只要在金刚石晶格立方单元的对角线位置上放置一种原子在面心立方位置上放置另一种原子441-2晶格的周期性对于晶格的周期性通常用元胞和基矢来描述图1-2-1 中除4外均为最小单元由此元胞的选取并不是唯一的但各种晶格元胞都有习惯的选取方式并用元胞的边矢量作晶格的基矢基矢之间并不都相互正交图1-2-1平面元胞示意图1 简单立方晶格的元胞三个基矢分别zy x e a a e a a e a v v v v v v ===32,,为a 13321a a a a =×⋅vv r2 面心立方晶格的元胞三个基矢分别为)(2),(2),(2321j i a a j i a a j i a a v v v v v v v v v +=+=+=43321a a a a =×⋅vv r3体心立方晶格的元胞三个基矢分别为)(2),(2),(2321k j i a a k j i a a k j i a a v v v v v v v v v v v v −+=+−=++−=23321a a a =×⋅v v r a)3322a l a l ++}设为元胞中任意一处的位子矢量r vQ代表晶体中的任一物理量则Q ()(11a l r Q r +=vv l 1l 2l 3为整数即任意两元胞中相对应的点的物理性质相同我们可以用表示一种空间点阵{a l a l a l v v v 321++即一组l 1l 2l 3的取值表示格子中的一个格点l 1l 2l 3所有可能的集合就表示一个空间格子实际晶体可以看成在上述空间格子的每个格点上放置一组基元可为多种原子这个空间格子表征了晶格的周期性称为布拉菲格子Cu 的面心立方晶格Si 的金刚石晶格和NaCl 晶格均具有相同的布拉菲格子—面心立方格子它们的晶格结构虽然不同但具有相似的周期性自然界中晶格的类型很多但只可能有十四种布拉菲格子。
清华大学微电子本科生培养课程设置
一、简介微纳电子系本科生一级学科名称为电子科学与技术,二级学科名称为微电子学。
二、课程设置课程编号:30260093 课程名称:固体物理学课程属性:专业核心课开课学期:09秋任课教师:王燕内容简介:固体物理学是固体材料和固体器件的基础。
该课程主要研究晶体的结构及对称性,晶体中缺陷的形成及特征,晶格动力学,能带理论的基础知识以及晶体中的载流子输运现象等。
是微纳电子专业的核心课。
课程编号:40260103 课程名称:数字集成电路分析与设计课程属性:专业核心课开课学期:09秋任课教师:吴行军内容简介:本课程从半导体器件的模型开始, 然后逐渐向上进行, 涉及到反相器, 复杂逻辑门 (NAND , NOR , XOR , 功能模块(加法器,乘法器,移位器,寄存器和系统模块(数据通路,控制器,存储器的各个抽象层次。
对于这些层次中的每一层,都确定了其最主要的设计参数,建立简化模型并除去了不重要的细节。
课程编号:40260173 课程名称:数字集成电路分析与设计(英课程属性:专业核心课开课学期:09秋任课教师:刘雷波内容简介:数字集成电路的分析与设计,包括:CMOS 反相器、组合和时序逻辑电路分析与设计、算术运算逻辑功能部件、半导体存储器的结构与实现、互连线模型与寄生效应的分析。
并介绍常用数字集成电路的设计方法和流程。
课程编号:30260072 课程名称:微电子工艺技术课程属性:专业核心课开课学期:09秋任课教师:岳瑞峰内容简介:本课程授课目的是使学生掌握微电子制造的各单项工艺技术, 以及亚微米 CMOS 集成电路的工艺集成技术。
本课程讲授微电子制造工艺各单项工艺的基本原理(包括氧化、扩散、离子注入、薄膜淀积、光刻、刻蚀、金属化工艺等,并介绍常用的工艺检测方法和 MEMS 加工技术、集成电路工艺集成技术和工艺技术的发展趋势等问题。
另通过计算机试验,可学习氧化、扩散、离子注入等工艺设备的简单操作和模拟。
课程编号:40260054 课程名称:半导体物理与器件课程属性:专业核心课开课学期:09春任课教师:许军内容介绍:主要讲授半导体材料的基本物理知识,半导体器件的工作原理以及现代半导体器件的新进展。
固体物理知识点
《固体物理》知识点
1、晶体：由离子、原子或分子（统称为粒子）有规律的排列而成，具有周期性和对称 性的固体。 2、非晶体：有序度仅限于几个原子，不具有长程有序性和对称性的固体。 3、晶格：晶体中微粒重心做周期性排列所组成的骨架称为晶格。 4、格点：微粒重心所处的位置称为晶格的格点（或结点） 。 5、点阵：格点的总体成为点阵。 6、晶体的周期性：晶体中微粒的排列按照一定的方式不断的做周期性的重复，这样的 性质称为晶体结构的周期性。 7、晶体的对称性：晶体经过某些对称操作后，仍能恢复原装的特性。 （有轴对称、面对 称、体心对称即点对称） 。 8、密勒指数：某一晶面分别在三个晶轴上的截距的倒数的互质整数比称为此晶面的 Miller 指数。 若另一格子的基矢为 b1 , b2 , b3 ， 且与 a1 , a 2 , a 3 9、 倒格子： 设一晶格的基矢为 a1 , a 2 , a 3 ， 存在以下关系： bi ∗ a j = 2πδ ij ⎨
1 1 k B T 为平均动能， k B T 为平均势能， k B 为玻尔兹曼常数，若固体中有 N 个原子， 2 2
则总的平均能量为 E = 3 Nk BT （N 哥原子——3N 个独立的谐振子） 。则固体的比热为
CV = (
∂E )V ，其摩尔热容 CV = 3 N A k B = 3R ，即比热是一个与温度无关的常数，这即为有 ∂T
-1-
r r r
r r r
r r r
固体物理知识点
16、 金刚石的结构特点： 金刚石晶胞中由于位于四面体中心的原子和顶角原子价键的取 向各不相同（即中心原子和顶角原子的周围情况不同） ，所以是复式格子。这种复式格子是 由两个面心立方格子沿体对角线方向位移 1/4 体对角线长度套构而成的。 17、声子：晶格振动能量是量子化的，以 hν l 为单位来增减能量， hν l 就称为晶格振动 能量的量子，即声子。 18、非简谐效应：在晶格振动势能项中，考虑了 δ 以上 δ 高次项的影响，此时势能曲
809《固体物理》
809《固体物理》中科院研究生院硕士研究生入学考试《固体物理》考试大纲本《固体物理》考试大纲适用于中国科学院凝聚态物理及相关专业的硕士研究生入学考试。
《固体物理》是研究固体的结构、组成粒子的相互作用以及运动规律的学科，是物理研究的一个重要组成部分，是许多学科专业的基础课程。
本科目的考试内容包括晶体结构、晶格振动、能带理论和金属电子论等。
要求考生深入理解其基本概念，有清楚的物理图象，能够熟练掌握基本的物理方法，并具有综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力。
一、考试内容（一）晶体结构1、单晶、准晶和非晶的结构上的差别2、晶体中原子的排列特点、晶面、晶列、对称性和点阵的基本类型3、简单的晶体结构4、倒易点阵和布里渊区5、X射线衍射条件、基元的几何结构因子及原子形状因子（二）固体的结合1、固体结合的基本形式2、分子晶体与离子晶体，范德瓦尔斯结合，马德隆常数（三）晶体中的缺陷和扩散1、晶体缺陷：线缺陷、面缺陷、点缺陷2、扩散及微观机理3、位错的物理特性4、离子晶体中的点缺陷和离子性导电（四）晶格振动与晶体的热学性质1、一维链的振动：单原子链、双原子链、声学支、光学支、色散关系2、格波、简正坐标、声子、声子振动态密度、长波近似3、固体热容：爱因斯坦模型、德拜模型4、非简谐效应：热膨胀、热传导5、中子的非弹性散射测声子能谱（五）能带理论1、布洛赫定理2、近自由电子模型3、紧束缚近似4、费密面、能态密度和能带的特点（六）晶体中电子在电场和磁场中的运动1、恒定电场作用下电子的运动2、用能带论解释金属、半导体和绝缘体，以及空穴的概念3、恒定磁场中电子的运动4、回旋共振、德·哈斯-范·阿尔芬效应（七）金属电子论1、金属自由电子的模型和基态性质2、金属自由电子的热性质3、电子在外加电磁场中的运动、漂移速度方程、霍耳效应二、考试要求（一）晶体结构1.理解单晶、准晶和非晶材料原子排列在结构上的差别2.掌握原胞、基矢的概念，清楚晶面和晶向的表示，了解对称性和点阵的基本类型3.了解简单的晶体结构4.掌握倒易点阵和布里渊区的概念，能够熟练地求出倒格子矢量和布里渊区5.了解X射线衍射条件、基元的几何结构因子及原子形状因子(二)固体的结合1.了解固体结合的几种基本形式2.理解离子性结合、共价结合、金属性结合、范德瓦尔斯结合等概念(三)晶体中的缺陷和扩散1.掌握线缺陷、面缺陷、点缺陷的概念和基本的缺陷类型2.了解扩散及微观机理3.了解位错的物理特性4.大致了解离子晶体中的点缺陷和离子性导电(四)晶格振动与晶体的热学性质a)熟练掌握并理解其物理过程，要求能灵活应用：一维链的振动（单原子链、双原子链）、声学支、光学支、色散关系b)清楚掌握格波、简正坐标、声子、声子振动态密度、长波近似等概念c)熟练掌握并理解其物理过程，要求能灵活应用：固体热容：爱因斯坦模型、德拜模型d)了解非简谐效应：热膨胀、热传导e)了解中子的非弹性散射测声子能谱(五)能带理论a)深刻理解布洛赫定理b)熟练掌握并理解其物理过程，要求能灵活应用：近自由电子模型c)熟练掌握并理解其物理过程，要求能灵活应用：紧束缚近似d)深刻理解费密面、能态密度和能带的特点(六)晶体中电子在电场和磁场中的运动a)熟练掌握并理解其物理过程：恒定电场作用下电子的运动b)能够用能带论解释金属、半导体和绝缘体，掌握空穴的概念c)熟练掌握并理解其物理过程：恒定磁场中电子的运动d)能够解释回旋共振、德·哈斯-范·阿尔芬效应(七)金属电子论a)熟练掌握金属自由电子的模型和基态性质b)了解金属自由电子的热性质c)熟练掌握并理解其物理过程：电子在外加电磁场中的运动、漂移速度方程、霍耳效应三、主要参考书目黄昆原著，韩汝琦改编，《固体物理学》高等教育出版社，1988年10月编制单位：中国科学院研究生院编制日期：2006年6月6日修订日期：2008年7月6日。
固体物理学
（如Si，Ge，GaAs）
晶体又可分为：单晶和多晶，本节主要讲单晶。
单晶：在整块材料中，原子都是规则地、周期性地重
复排列的，一种结构贯穿整体，这样的晶体称 为单晶，如石英单晶，硅单晶。
多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成的
整块材料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。
非晶（体）的基本特点：
无规则的外形和固定的熔点，内部结构也
本章主要介绍晶体中原子排列的几何规则。
理想晶体：组成晶体的粒子以某种排列规则无 限排列下去形成的晶体，其中不存在任何杂质 和缺陷。
缺陷：就是一种违反现存的排列规律而出现的
一种异常现象。
简而言之，晶体结构就是组成晶体的微粒的排 列规则
由于晶体具有周期性，因此在固体物理中通常都是从分析一
个完整而无限的单晶模型开始（理想晶体）。
期性特征。
在十九世纪末，费多夫、熊夫利（A.Shoenflies）、巴罗（W. Barlow）等独立地发展了关于晶体几何结构的空间群理论。
1912年劳厄（Laue）首先提出的X射线衍射方法，从实验上验证
了群理论。经过几十年研究，对晶体的特征有了一定了解，但对 非晶研究远不如晶体，对准晶的研究更不全面。
准晶： 有长程的取向序，沿取向序的对称轴方向有准周期 性，但无长程周期性
准晶是介于周期晶体和非晶玻璃之间的一种新的固体物质 形态。
目前已经发现的准晶材料多数为金属键化合物，结构独特， 性质优异。
具有5重旋转对称性，但不具有长程的平移对称性，不能 用一个原胞平移复制出全部晶格。
Al65Co25Cu10合金 准 晶
Y
(11) 红镍矿
清华大学固体物理：第一章 自由电子论
1 金属中自由电子的量子态
金属中的传导电子好比理想气体，相互之间没有相互作用，各自独立地在平均势场中运动，通常取
平均势场为能量零点。要使自由电子逸出体外，必须克服电子的脱出功，因此金属中自由电子的能态，
可以从在一定深度的势阱中运动的粒子能态估算，通常设势阱深度是无限的，设金属中自由电子的平均
势能为零，金属外电子的平均势能为无穷大，则金属中自由电子的薛定谔方程为：
(1) 在两次碰撞间隙，忽略给定电子和其它电子及离子的相互作用。没有外加电磁场时，电子作匀速直 线运动，在有外加电磁场时，电子受电磁力，运动遵从牛顿运动定律。忽略其它电子和离子产生的复杂 的附加场。在两次碰撞间隙，忽略电子－电子之间的相互作用称为独立电子近似；忽略电子－离子之间 的相互作用称为自由电子近似。
x21 x y22 y
0 0
d
2 3 z
dz 2
k z2 3
z
0
(1.2.4)
这样问题简化为三个一维无限深势阱中粒子的量子态。设金属体是边长为 L 的立方体，周期性边界条件
为：
x L, y, z x, y, z x, y L, z x, y, z x, y, z L x, y, z
i
0
0 1
2
2
(1.1.26)
介质的复数折射率定义为：
n~ ~r12 n i
(1.1.27)
这里 n 是通常的折射率， 是消光系数。在光学实验中，通常不直接测量 n 和 ，而是测量反射率 R 和
吸收系数。它们之间的关系为：
R
n n
12 12
2 2
(1.1.28)
低频时 1 ， ~r i r " ，因此：
H Ex
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第二章：化学键与晶体形成
在固体物理发展的早期阶段，人们从化学的角度来研究固体，所以化很大的精力去计算各种固体的结合能(binding energy)，并依此对固体进行粗略的分类。
后来在原子物理和量子力学发展以后，人们依据电子在实空间的分布来对固体进行分类，也就是化学键或者是晶体的键合(crystal binding)的理论。
最精确的固体分类是在能带理论发展以后才实现的。
原子物理研究了单个原子中的电子能级.首先,考虑一个电子,单个电子是以一定的几率在原子核周围的空间中分布,几率分布的密度
()()2r r ψ=ρ(()r ψ是单个电子的波函数). 根据量子力学,三维空间中单
个电子的波函数),()()( φθ=ψlm n Y r R r 是能量E,轨道角动量2L
和分量z L 三个算符的共同本征函数,其量子数分别为n, l, m(221n E n -=,n=n ’+l+1),一组量子数确定电子的一个轨道.在考虑一个原子中的多个电子的时候,忽略了电子之间很强的库仑排斥作用(很奇怪和大胆的近似,但误差不大),认为多个电子根据泡利不相容原理(Pauli ’s exclusion principle)以及洪特规则(Hund ’s rule)依次排入单个电子的轨道.这就分别形成了（1s,2s,2p,3s,3p,3d,...）等电子壳层和亚壳层.
在原子结合成为固体的过程中，内部满壳层的电子(core electrons)基本保持稳定，价电子(valence electrons)在实空间会随着原子之间的相互作用重新分布。
按化学家的语言说，就是在原子之间形成了化学键(Chemical bond)。
不同的固体拥有不同的化学键。
晶体：原子、离子或分子呈空间周期性排列的固体，以区别于内部不具有周期性的非晶体。
原子间引力：一般来说，晶体比自由原子的空间混乱集合稳定，这意味着原子之间存在等效的相互吸引力(本质是库仑相互作
用加上量子效应)，从而构成晶体。
结合能：晶体能量比同样数量的自由原子集合的能量低，能差为结合能, 吸引力F=-dU/da。
化学键：也称原子键。
原子间引力作用构成原子之间的键(形象的说法)。
键保证晶体稳定。
2。
1 离子键、共价键与金属键(Ionic, Covalent and Metal Bonds) 离子键(Ionic Bond)：[以NaCl(Sodium Chloride)晶体为例]
饱和的电子壳层是最稳定的原子核外电子结构。
为了趋向于饱和壳层的结构，Na原子把唯一的价电子转移给附近的缺。