第二十二章固体能带理论基础

金刚石晶体的能带 随原子间距的变化
§22-3 电子填充能带的情况 金属导体、 绝缘体和本征半导体
一. 电子填充能带的情况 当温度接近 0 K时，电子由低能级到高能级逐个填充能带。
一般，原子的内层能级都被电子填满，成为满带。价电子引起的能带（价 带）可能是满带，也可能不是满带。
有些能带相互交叠形成混合能带，交叠后的能带还可能再分裂为上下两个 能带。
轮船正招式成商立局，标志着中国新式航运业的诞生。
(2)1900年前后，民间兴办的各种轮船航运公司近百家，几乎都是
在列强排挤中艰难求生。
2．航空
(1)起步：1918年，附设在福建马尾造船厂的海军飞机工程处开始
研制 。
(2)发展水：上1飞918机年，北洋政府在交通部下设“
”；此后十年间，航空事业获得较快发展。
晶体点阵和晶胞
体心立方 晶胞
面心立方 晶胞
雪花的晶体
金刚石的点阵结构
§22-2 自由原子中电子的能级 晶体的能带
一. 自由原子中电子的能级 多电子原子中，主量子数为n 角量子数为l = 0,1,2,…的能级分别为
ns,np,nd,…能级。所有 s能级都是非简并的，只有一个量子态(l =0, ml=0 )，可 容纳 2 个电子。 p 能级是 3 度简并的， l =1 , ml =-1,0,1，可容纳 6 个电子。 d 能级是 5 度简并的， l =2 , ml = -2,-1,0,1,2，可容纳10个电子。
一. 本征半导体的导电机制
价带中少数电子被热激发进入 导带，在电场作用下，导带中的电 子和满带中的空穴都可引起电流。
跃迁 电子
3p 导带
Eg 禁带 3s 填满的能带
空穴
导带中的电子是负载流子，形成电子流；满带中的空穴是正载流子，形成 空穴电流。总电流是电子流和空穴电流的代数和。
二. 杂质半导体的导电机制
第二十二章固体能带理论基础
了解固体能带的形成，并用能带观点区分导体、半导体和绝缘体。 了解本征半导体、 n 型半导体和 p 型半导体。
§22-1 晶体
晶体由相同的原子或原子群在空间规则地排列而成，每一个原子群构成晶 体的基本结构单元（基元）。基元的重心在空间规则排列形成晶格（晶体点 阵）。
晶 胞
1. n 型半导体 杂质原子在紧靠导带边沿形成附加的施主能级，电子因热激 发由施主能级跃迁到导带中可形成电子电流。
跃迁电子
Si
Si
Si
导带
பைடு நூலகம்
Si
P +净正电荷
施主能级
Si
Si
Si
多余的 共价键
价电子
价带
四价的硅、锗掺入五价的磷、砷形成的n 型半导体
2. p 型半导体 杂质原子在紧靠价带边沿形成附加的受主能级，电子因热激 发由价带跃迁到受主能级中在价带中留下空穴，可形成空穴电流。
二. 金属导体、绝缘体和半导体 1. 导体 较低的能带都被电子填满，上面的能带只是部分地被电子填充。
当无外电场时，晶体中的电 子速度分布对称，不引起宏观电 流。
3s 未填满的导带
Eg 禁带 2p 填满的能带
当有外电场时，晶体中的运动着电子有些被加速，有些被减速，即有些动 能增加有些动能减小。只有当电子所在的能带内有未被占据的空能级，即为非 满带时，这样的跃迁才有可能实现。
当温度接近 0 K时，价带都被 电子填满，价带以上的能带都是空 带。因此和绝缘体一样都没有导电 性。
能有 跃些 入电 空子 带可
3p 空带
Eg 禁带 3s 填满的能带
本征半导体的禁带比绝缘体的窄很多，在常温下，少数电子经热激发可越 过禁带跃迁到空带中，这时，半导体就具有一定的导电性。
§22-4 半导体的导电机制 p-n 结
一般来说，角量子数为 l 的能级是 (2l +1) 度简并的， 对应于每一个这样 的能级有(2l +1) 个量子态，可容纳2(2l +1)个电子。
二. 晶体的能带
在实际晶体中，原子中的外层电子在相邻原子的势场作用下，可以在整 个晶体中作共有化运动，原来自由原子的简并能级分裂为许多和原来能级很 接近的能级，形成能带。
3．发展 (1)原因： ①甲午战争以后列强激烈争夺在华铁路的 修。筑权 ②修路成为中国人 救的亡强图烈存愿望。 (2)成果：1909年 京建张成铁通路车；民国以后，各条商路修筑 权收归国有。 4．制约因素 政潮迭起，军阀混战，社会经济凋敝，铁路建设始终未入 正轨。
二、水运与航空
1．水运 (1)1872年,
2. 绝缘体 完全填满的能带上面都是空带。
满带和空带之间是较宽的禁带。除 非外电场相当强，否则不能使电子获得 足够的能量从满带跃迁到空带。
2p
空带
Eg 禁带
2s 填满的能带
即使有外电场，也不可能改变电子速度分布的对称性，即不能引起电子的 定向流动而形成电流。
金刚石是典型的绝缘体。
3. 本征半导体 不含杂质的纯净半导体。
筹办航空事宜
处
三、从驿传到邮政 1．邮政 (1)初办邮政： 1896年成立“大清邮政局”，此后又设 ， 邮传邮正传式部脱离海关。 (2)进一步发展：1913年，北洋政府宣布裁撤全部驿站； 1920年，中国首次参加 万国。邮联大会
2．电讯 (1)开端：1877年，福建巡抚在 架台设湾第一条电报线，成为中国自 办电报的开端。
历史ⅱ岳麓版第13课交通与通讯 的变化资料
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一、铁路，更多的铁路 1．地位 铁路是 交通建运设输的重点，便于国计民生，成为国民经济 发展的动脉。 2．出现 1881年，中国自建的第一条铁路——唐山 至开胥平各庄铁 路建成通车。 1888年，宫廷专用铁路落成。
Ge
Ge
Ge
Ge
B - 净负电荷
导带
Ge
Ge
Ge
留下的 共价键
空穴
空穴
受主能级 价带
四价的硅、锗掺入三价的硼、镓形成的p 型半导体
三. p-n 结
空穴 p 区
I2
I2 +
n 区 电子
相互扩散
I1
p区 U n区
动态平衡
U0
I1
U
- 正向电流
I2 U I1 -
U
U + 反向抑制
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N 个原子组成的晶 体，角量子数为 l 的能 级对应的能带包含(2l +1) N个能级。
E 能带
禁带
能带
间距减小能级分裂 2s 分 立 的 1s 能 级
d0
d
6个原子组成的晶体
自由原子中电子的能级越高，对应的能带越宽。
E
3p
3s
2p
d0
d
钠晶体的能带随
原子间距的变化
E 禁带
3N 2p 2s
N
d0
d