固体与半导体物理-前言

贵州大学新型光电子材料与技术研究所
• 1906年爱因斯坦发表关于固体热容的量子理论. • 1907年外斯(P.E.Weiss)发表关于磁性的分 子场理论，提出了磁畴的假说. • 1908年昂尼斯 (H.K.Onnes) 液化了最后一种气 体——氦，达到4.2K的低温. • 1911年，昂尼斯发现超导电性——低温下汞。铅， 锡等失去了电阻
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• 结果发现，当晶轴与x射线同向时，底片上出现了 规则排列的黑点。从而证实了x射线的波动性和晶 体结构的空间点阵的正确性。 • 1913年布拉格父子(W.H. and W.L.Bragg) 建立了布 拉格公式： 2dsinθ=nλ 正确解释了晶体的x射线的衍射图样。从而可以测 定固体物质的晶格常数 。
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• 1926年 薛定谔（E.Schrodinger）发表量子 力学的波动力学，并证明波动力学 与矩阵力学是等价的。 • 正因为有了19世纪末、20世纪初一系列辉 煌的发现，特别是量子力学和相对论的建 立，到20世纪20~30年代固体物理成为了一 门独立的科学.
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• 1913年玻尔建立了氢原子结构理论. • 1915年爱因斯坦建立了广义相对论
• 1919年巴克豪森发现磁畴.
• 1921年瓦拉塞克（H.Valassic）发现铁电性.
• 1924年德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性.
• 1925年泡利（W.Pauli）发表不相容原理。同年，海 森伯建立量子力学的矩阵力学，乌伦贝克 （G.E.Uhlenbeck）和高德斯密特（W.S.A.Goudsmit） 提出电子自旋假说.
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• 劳厄与布拉格父子的工作成为了晶体结构分析的基础。 从此以后，世界上的所有固体物质都可以用x射线衍射技 术测定其原子内部的排列情况。 目前，科学家已经积累 了上百万种物质的x射线衍射图。从单质元素、化合物、 高分子到生物大分子的螺旋结构，都可以测定。 • 在此基础上，又发展了多种衍射技术：如电子衍射技术、 中子衍射技术等，对固体的结构有了全面的认识。 可以说， x射线衍射技术是固体物理学的一个开端。
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• 1912年：劳厄（M.V.Laue）提出X射线衍射方案， 弗里德里希（W.Friedrich）和尼平 （P.Knipping）进行了实验，证实了x射线的波动 性。 • 1913年布拉格父子(W.H.Bragg and W.L.Bragg) 发明了x射线衍射仪，建立了布拉格公 式，从而可以测定固体物质的晶格常数。
3、晶体结构理论与实验方法
• 1912年，劳厄提出：晶体的相邻原子的间 距与 x射线的波长是同一数量级，则x射线 通过晶体时会发生衍射。 弗里德里希 （W.Friedrich）和尼平（P.Knipping）进行 了X射线衍射实验，将一块亚硫酸铜晶体放 在一束准直了的x射线中，而在晶体后面一 定距离放了照相机底片。
• 1928~1930年布洛赫解决了第二个问题，海森伯解 决了第一个问题。 • 布洛赫认为：金属中的电子，是在离子中运动的， 不能忽略离子的影响。他用量子力学的观点，处理 了金属中电子的运动规律：
ik r ( r ) u ( r )e k k ( r ) u ( r R) u k k
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2、晶格振动理论 • 1819年 杜隆(P.L.Dulong)—帕替(A.T.Petit) 根据大量实验结果，总结了一条规律：固 体的比热Cv是一个与温度T无关的常数（约 为3R=6 卡/度•克原子）。 • 后来实验发现，随着温度下降，比热下降， T 0 K, Cv 0
• 1912年，德拜修正了量子热容量理论，认为晶格 振动是连续介质中传播的弹性波，得出的结论是： 低温下，比热与温度的三次方成正比，即德拜定 律。 • 玻恩和冯卡门（Born and T.v.Katman）建立了简 单晶格的动力学方程，提出了声子的概念，为晶 格动力学理论大发展奠定了基础。
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1945年 Bell Lab成立固体物理研究组：研究人员 有巴丁（J.Bardeen）肖克利(B.Shockley)、摩尔 (H.R.Moor)等。 1946 高质量的锗单晶问世 1947 锗接触三极管（Transistor） 1950 锗结型三极管（PNP或NPN型） 1952 高质量硅单晶问世 1954 Integrated Circuit（IC）问世
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内容提要
•
晶体几何结构理论(第一章)
晶体结构，对称性，倒格子
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固体原子物理(第二、三章)
晶体结合，晶格振动
固体电子物理(第四、五和六章)
能带理论，金属电子论，
半导体物理学(刘恩科，第一至五章)
半导体的晶体结构和能带结构，缺陷理论， 载流子统计理论，半导体导电，非平衡载流子
上课认真听讲，课前预习，课后复习 按时完成作业 上网查阅相关资料 考核方法： 作业 20%，考勤10%，课堂考查10%，期末 考试60%.
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一、固体物理学的发展简史
• 人类历史的发展是从使用、制造固体材料工具开始的：
石器时代、青铜时代、铁器时代、钢铁时代、高分子时代、 信息时代
a、铁磁物质内部存在强大的等效磁场—分子场， 可以使内部各区域磁化。 b、存在磁畴。外磁场的作用是使不同磁畴的磁化 强度矢量取向一致。 • 郎之万和外斯的工作成为了系统的磁性理论的开始。
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三、固体物理学的理论基础
• 1926年量子力学诞生，成为描述微观粒子运动规律的理论。 量子力学创始人之一的海森伯及其学生布洛赫（F.Bloch） 最先将量子力学应用到固体物理领域。 • 随后，经布里渊（A.Brillouin）、朗道（л.д.ландау）、莫 特（N.F.Mott）、佩尔斯（R.E.Peierls）、威尔逊 (A.H.Welson)、赛兹(F.Seitz)、威格纳(E.P.Wigner)等的努 力，固体物理学发展成为了一门新兴学科。
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4、固体的磁性
• 1905年，法国物理学家郎之万(P.Langevin) 发表关于顺磁性的经典理论: 顺磁性是物质 原子的固有磁矩在外磁场中取向排列的结 果。 • 温度升高，顺磁性减小。
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• 1907年法国物理学家外斯(P.E.Weiss)发表关于磁性 的分子场理论，提出了磁畴的假说：
五、半导体物理发展简况
• 1837 法拉第观察到硫化银有负的电阻温度系数。 同年，布劳恩（F.Braun）第一次观察到整流效 应。 1879 霍尔（E.H.Hall）发现霍尔效应
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1883 弗立兹（C.E.Fritts）制成了硒整流器
1911 梅里特（E.Merritt）制成了硅整流器 1926 锗整流器问世
布洛赫定理
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• 布洛赫定理为现代固体理论奠定了基础。 固体中的电子是按照能带进行分布排列的， 称为能带理论。
• 1931年，威尔逊建立了金属和绝缘体相区 别的能带模型wk.baidu.com并预言在金属和绝缘体之 间存在半导体。
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• 海森伯建立了固体磁性量子理论： 认为交 换积分是分子场的主要来源；交换积分在 铁磁性中作用巨大。
• 1895年居里（P.Curie）在研究了不同材料的磁性 之后建立了居里定律.
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• 1895年伦琴(W.L.Ronrgen)发现了X射线 . • 1900年普朗克（M.Planck）提出了能量量 子化思想，并推导了黑体辐射公式. • 1902年勒纳德(Lanerd)发现光电效应的基本规 律：电子的最大速度与光强无关. • 1905年爱因斯坦(A.Einstein)发表光量子假 说：解释了光电效应.
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• 布洛赫1925年时（时年20岁）接触了量子 力学。 1927年他到莱比锡大学海森伯处攻 读博士学位，海森伯让他用量子力学处理： • a. 铁磁性理论——揭示外斯场的本质。 • b. 金属电导——解决特鲁德和索末菲未解 决的问题。
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• 1897年汤姆生发现电子。
• 1900年特鲁德(Drude)提出了第一个固体理论模型——特 鲁德自由电子气模型, 成功解释了金属的欧姆定律和维德 曼-夫兰兹定律。 但不能解释许多其他的物理现象：电子 比热，固体磁化率等。
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• 1925年，泡利提出不相容原理.
• 1926年费米（E.Feimi）狄拉克（P.A.M.Dirac）独 立提出量子统计分布规律。 • 1927年，索末菲（H.Sommofei）认为金属里的电 子应该服从费米—狄拉克量子统计分布规律，由 此得出了费米面、费米能级等重要概念。 但仍未 能说明霍尔系数的变化规律、电阻与温度的关系 等。
• 早期，人们对固体材料的物理性能如熔点、硬度、机械强度、 磁性、摩擦生电等有了基本的了解， 但其基本的科学规律 一直未能求解。 • 工业革命后，自然科学发展迅速，电学、磁学、热学、光学、 晶体学等学科进步神速，在一定程度上为固体物理学的发展 创造了条件。
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• 1611年，开普勒就思考雪花为什么是六角形？ • 1827年，欧姆经过对不同固体材料的导电性研究 建立了欧姆定律. • 1830年布拉菲（A.Bravais）建立了晶体结构的空 间点阵学说. • 1843年，法拉第发现硫化银的电阻随温度的升高 而下降.
固体物理学
与
半导体物理学
张晋敏 jmzhang@gzu.edu.cn 贵州大学理学院电子科学系 贵州大学新型光电子材料与技术研究所
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教材与参考书
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教材：
黄昆原著，韩汝琦改编：固体物理学
----高等教育出版社
刘恩科：半导体物理学
---- 国防工业出版社
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主要参考书：
1. 方俊鑫，陆栋：固体物理学，上，下册
• 1931年布洛赫提出自旋波的概念，进一步 发展了铁磁理论。
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四、固体物理学的主要研究领域
介电物理 晶体物理 铁电物理 半导体物理
铁磁物理
纳米物理
超导物理
非晶物理
• 尤其是半导体物理、磁性物理、晶体物理、介电 物理方面的发展，使人类进入了信息时代！
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学习固体物理的方法
• 掌握良好的物理思想和熟练的数学处理方 法； • 注意基本知识、基础概念的准确掌握； • 学习各种模型的建立方法与处理问题的思 路，注意处理过程中所用到的近似方法； • 在理解的基础上记忆。
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课程学习要求
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----上海科学技术出版社
2. 蒋平，徐至中：固体物理学
----上海科学技术出版社
3. 基泰尔 (Charles Kittel)：固体物理导论
----科学出版社
C. Kittel 《Introduction of Solid State Physics》 7th John Wiley & Sons, Inc.,1996
二、固体物理的产生
• 19世纪末到20世纪初，金属电导理论、晶 体微观模型、晶格振动理论、固体磁性理 论取得了重要进展。 • 科学的发展促进了固体物理学的发展，固 体物理学作为一门新学科在物理学领域内 诞生了。
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1、金属电子论
• 经验规律：金属导电规律如欧姆定律（电压、电流与电阻 之间的关系）、维德曼-夫兰兹定律（电导率与热导率之 间的关系）等，已经可以解释不少物理现象。
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• 1907年，爱因斯坦提出了量子的热容量理 论，爱因斯坦假设晶体中所有的原子振动 的频率是一样的，则有: Cv ~exp(1/T)，当 T 0 K, Cv 0的结果。
• 爱因斯坦的结果与实验有所不同，实验结 果是： Cv ~T3
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