现代功能材料复习合辑PPT课件

第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.1 原子的电子排列
第一节 原子的电子排列 一、原子的微观结构
1.主量子数 n (n =1、2、3、4……)
主量子数确定核外电子离原子核的远近和能级的高低。
2.次量子数 l (l = 0、1、2、3……)
次量子数反映的是电子轨道的形状。
在由主量子数n确定的同一主壳层上的电子的能量有差异，可分成 若干个能量水平不同的亚壳层，其数目随主量子数而定，习惯上以s、 p、d、f 表示 。
单个原子的电子只能占据特定的轨道或能级， 在每个能级上可容许有两个自旋方向相反的电子。
各能级之间存在着能隙。 能隙是电子能量的“真空”地带。
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第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性
二、金属的能带结构与导电性
• 金属的能带结构
重要概念：
满带：被电子填满的能带。 空带：没有被电子填充的能带。 价带：被价电子占据的能量最高的能带。 导带：价带以上的空带。
3.磁量子数m (m = 0、±1、±2、±3……)
磁量子数表示电子云在空间的伸展方向，它确定轨道的空间取向。
4.自旋量子数ms (ms = +1/2、-1/2)
自旋量子数表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。
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第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性
第二节 固体的能带理论与导电性 一、能带的形成
基本原理：
对于单个原子：
单个原子的电子处在不同的分立能级或轨道上。
例如，一个原子有一个2s 能级，3个2p 能级，5个3d 能级。
不同能级之间的电子能量各不相同。 电子的能量就是其所在能级的能量。
最低能量原理
电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。
最多轨道规则（洪特规则）
相同能量的轨道（也称等价轨道）上分布的电子将尽可能分占不同的 轨道，而且自旋方向相同。
作为洪特规则的特例，对于角量子数相同的轨道，当电子层结构为全充满、 半充满或全空的状态是比较稳定的。即：
全充满: p 6或d 10或f 14 ；半充满: p 3或d 5或f 7 ； 全空: p 0或d 0或f 0 。
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第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.3 半导体
本征半导体的电荷迁移率
n(qμeμh)
半导体材料的能隙与电子运动性
材料
能隙 /eV
电子运动速率 孔运动速率
/ cm2·(V·s)-1
/ cm2·(V·s)-
1
C(金刚石) 5.4
1800
1400Siຫໍສະໝຸດ 1.1071900
500
Ge
0.67
3800
电导率和载流子：
载流子迁移率：在外加电场作用下，载流子在原子尺度的结构中移 动的难易程度，即：
电导率：由载流子浓度n、每个载流子所带电荷q、载流子迁移率
决定，即：
1 nqμ
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第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性
金属的电阻率与温度的关系
一般而言，金属的电阻率与温度的关系是线性的，且具有正的温度 系数，即随着温度上升，电阻率增加。
1850
Sn
0.08
2500
2400
两个规律：
① 沿周期表下移，即依C(金刚石)、Si、Ge、Sn的顺序，能隙依次减小； ② 在给定的半导体中，电子迁移率大于同一半导体中空穴的迁移率。
f（E）的物理意义：代表在一定温度下电子占有能量为E的状态的几率。
Ef ：费米能
费米能的意义
（1）Ef 以下基本上是被电子填满的，Ef 以上的能级基本上是空的。 （2）由于热运动，电子可具有大于Ef 的能量而跃迁到导带中，但只集 中在导带的底部。同样理由，价带中的空穴也多集中在价带的顶部。
（3）对于一般金属，Ef 处于价带和导带的分界处。对于半导体，Ef 位 于禁带中央。
3s和3p能带重叠，形成扩展能带
3p0 3s2 2p6 2s2 1s2
(b)碱土金属Mg
各种金属的能带结构
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第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性
电荷载流子
定义：载带电荷运动的粒子称为电荷载流子。 基本类型：
① 电子和阴离子 负电荷载流子，也称为负型载流子。 ② 阳离子 正电荷载流子，也称为正型载流子。如Pb2+。 ③ 空穴 正电荷载流子。在半导体中尤为重要。
半导体的电导率对材料的纯度的依赖性极为敏感。
例如，百万分之一的硼含量就能使纯硅的电导率成万倍增加。如果所 含杂质的类型不同，导电类型也不同（如电子电导或空穴电导）。
电阻率受外界条件（如热、光等）的影响很大。
温度升高或受光照射时均可使电阻率迅速下降。一些特殊的半导体在 电场或磁场的作用下，电阻率也会发生变化。
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第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性
导带
Ev
价
带
导体
导带
Ec Eg
Ev
价 带
半导体
导带
Ec
Eg
Ef
Ev
价
带
绝缘体
导体、半导体和绝缘体的能带结构 （ Ev代表价带的最高能量， Ec代表导带的最低能量，Ef是费米能）
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第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.3 半导体 第三节 半导体 半导体导电特性的两个显著的特点：
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第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.1 原子的电子排列
二、原子核外电子的分布 三个基本原理：
泡利不相容原理
在一个原子中不可能存在四个量子数完全相同（即运动状态完全相同） 的两个电子。或者，在同一个原子中，最多只能有两个电子处在同样能 量状态的轨道中，而且这两个电子的自旋方向必定相反。
原理：由于晶体热扰动的强度随温度的上升而成比例地增加，减
少了晶体的规则性而使电子的平均自由程减小，从而减小了金属中电子
的迁移率，使电阻率增大。
电阻温度系数yT与温度T和电阻率的关系：
T0(1yTT)
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第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性
三、费米能级
• 费米分布函数 f（E） f(E) 1 e(EEf )/kT 1
金属导电机理：
价带上的电子跃迁到导带上成为自由电子，自由电子在电场作用 下作定向运动形成电流。
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第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性
导带
价带
3s1
2p6 2s2 1s2
(a)碱金属Na
4s和3d能带重叠，形成扩展能带
4s2 3d6 3p6 3s2 2p6 2s2 1s2 (c)过渡金属Fe