固体物理专题 PPT课件
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固体物理知识总结PPT课件
惯用元胞、轴矢
三、常见晶体结构举例
致密度η（又称空间利用率）、配位数、密 堆积
1. 简单立方（sc） 配位数＝6，惯用元胞包含格点数 = 1 惯用元胞包含格原子数 = 1
2. 面心立方（fcc） 配位数＝12，惯用元胞包含格点数＝4 惯用元胞包含格原子数 = 4
3.体心立方（bcc) 配位数＝8，惯用元胞包含格点数＝2 惯用元胞包含格原子数 = 2
1.决定散射的诸因素 （1）原子散射因子 （2）几何结构因子
2.衍射极大的条件（必要条件）
即当 k－k0＝S＝Gh 时，所有元胞间的
散射光均满足相位相同的加强条件，产生衍
射极大。
（反射球）
4.消光条件
第二章 晶体结合
一、原子的负电性
负电性＝常数（电离能＋亲和能）
电离能：让原子失去电子所必需消耗的能量
第四章 固体能带论 基本近似：绝热近似、单电子近似 一、固体电子的共有化和能带 二、布洛赫（Bloch）定理
1.布洛赫定理：表述及讨论 2. Bloch 定理的证明 3.布洛赫定理的一些重要推论 4.能态密度 三、近自由电子模型 1.索末菲（Sommerfeld）模型
（1）自由电子(半量子)模型
（2）自由电子费米（Femi）气模型 2.近自由电子模型
亲和能：处于基态的中性气态原子获得一个 电子所放出的能量
负电性大的原子，易于获得电子 负电性小的原子，易于失去电子 二、离子结合 三、共价结合 共价键的特性：饱和性、方向性 四、金属结合 五、范德瓦尔斯键结合 六、氢键结合
第三章 晶格振动
一、一维单原子晶格的振动
1. 物理模型 2.近似条件：近邻作用近似、简谐近似 3. 分析受力：牛顿方程 4. 定解条件―――玻恩－卡曼
三、常见晶体结构举例
致密度η（又称空间利用率）、配位数、密 堆积
1. 简单立方（sc） 配位数＝6，惯用元胞包含格点数 = 1 惯用元胞包含格原子数 = 1
2. 面心立方（fcc） 配位数＝12，惯用元胞包含格点数＝4 惯用元胞包含格原子数 = 4
3.体心立方（bcc) 配位数＝8，惯用元胞包含格点数＝2 惯用元胞包含格原子数 = 2
1.决定散射的诸因素 （1）原子散射因子 （2）几何结构因子
2.衍射极大的条件（必要条件）
即当 k－k0＝S＝Gh 时，所有元胞间的
散射光均满足相位相同的加强条件，产生衍
射极大。
（反射球）
4.消光条件
第二章 晶体结合
一、原子的负电性
负电性＝常数（电离能＋亲和能）
电离能：让原子失去电子所必需消耗的能量
第四章 固体能带论 基本近似：绝热近似、单电子近似 一、固体电子的共有化和能带 二、布洛赫（Bloch）定理
1.布洛赫定理：表述及讨论 2. Bloch 定理的证明 3.布洛赫定理的一些重要推论 4.能态密度 三、近自由电子模型 1.索末菲（Sommerfeld）模型
（1）自由电子(半量子)模型
（2）自由电子费米（Femi）气模型 2.近自由电子模型
亲和能：处于基态的中性气态原子获得一个 电子所放出的能量
负电性大的原子，易于获得电子 负电性小的原子，易于失去电子 二、离子结合 三、共价结合 共价键的特性：饱和性、方向性 四、金属结合 五、范德瓦尔斯键结合 六、氢键结合
第三章 晶格振动
一、一维单原子晶格的振动
1. 物理模型 2.近似条件：近邻作用近似、简谐近似 3. 分析受力：牛顿方程 4. 定解条件―――玻恩－卡曼
固体物理课件
e 2 晶体中有3N个振动模 晶体中有 个振动模 C = k ( ∑ B k T ) (eℏω j / kBT − 1)2 V 1） 爱因斯坦模型 ） j =1 B 假设N个原子构成的晶体 个原子构成的晶体， 假设 个原子构成的晶体，
所有的原子以相同的频率 ω0振动 2） 德拜模型 ） 以连续介质的弹性波来代表格 波，将晶格看作是各向同性的 连续介质
V (r + R) = V (r )
布洛赫定理
具有晶格周期性时， 布洛赫定理 —— 势场 V ( r ) 具有晶格周期性时，电子的波 函数满足薛定谔方程 ℏ2 2 [− ∇ + V ( r )]ψ ( r ) = E ψ ( r ) 2m —— 方程的解具有以下性质
ψ ( r + Rn ) = e ik ⋅R ψ ( r )
ω = 2
−
− i (ωt − naq )
2
β
m
ω
aq sin m 2
−π a
β
π π < q ≤ a a
q=
µn = µn+ N 2π
Na
× h —— h为整数 为整数
π a o 晶格振动波矢的数 目=晶体的原胞数 晶体的原胞数
能量本征值 ε n = ( n q + 1 ) ℏ ω q
q
晶格振动的能量量子； 声子 —— 晶格振动的能量量子；或格波的能量量子 当这种振动模处于 系统能量本征值
原子的振动 —— 晶格振动在晶体中形成了各种模式的波
模型 运动方程 试探解
m µ n = − β (µ n − µ n−1 ) − β (µ n − µ n+1 )
..
一维晶格振动 一维无限长原子链， ， ， 一维无限长原子链，m，a，β
第三章 固体物理ppt课件
§2
三维晶格的振动
设实际三维晶体沿基矢a1、a2、a3方向的初基原胞数分 别为N1、N2、N3，即晶体由N＝N1·N2·N3个初基原胞组成， 每个初基原胞内含s个原子。 一维情况下，波矢q和原子振动方向相同，所以只有纵波。 三维情况下，有纵波也有横波。
原则上讲，每支格波都描述了晶格中原子振动的一类运动 形式。初基原胞有多少个自由度，晶格原子振动就有多少种 可能的运动形式，就需要多少支格波来描述。
一个波矢为K的第S支模式处在第N个激发态，我们就说在晶 体中存在着N个波矢为K的第S支声子（因为给定了K与第S支模 式则ω可由色散关系唯一确定），在晶体中波矢为K的纵声学支 模式处于N激发态，我们就说晶体中有N个波矢为K的纵声学支 声子。
声子这个名词是模仿光子而来（因为电磁波也是一种简谐振 动）。声子与光子都代表简谐振动能量的量子。所不同的是光子 可存在于介质或真空中，而声子只能存在于晶体之中，只有当晶 体中的晶格由于热激发而振动时才会有声子，在绝对零度下，即 在0K时，所有的简正模式都没有被激发，这时晶体中没有声子， 称之为声子真空。声子与光子存在的范围不同，即寄居区不同。
每一组整数（L1,L2,L3 ）对应一个波矢量q。将这些波矢在倒空 间逐点表示出来，它们仍是均匀分布的。每个点所占的“体积” 等于“边长”为(b1/N1)、（b2/N2）、(b3/N3)的平行六面体的 “体积”，它等于： b b b 3 1 2 N N N 1 N 2 3 式中Ω*是倒格子初原胞的“体积”，也就是第一 布里渊区的“体积”，而Ω*＝（2π）3/Ω ，所以每个波 矢q在倒空间所占的“体积”为：
子的位移构成了波，这个波称之为格波，把寻求到的
运动方程的解带入运动方程就能找出ω 与q的关系即
固体物理基础精选课件PPT
而碳原子2P态只有二个电子，则可以认 为，这二个电子均是处于自旋均未配对的 状态，这时，它最多与其它原子间形成二 个共价键。
2021/3/2
12
实验事实
（1）金刚石中每个原子与周围四个原子形成结合。 （2）周围四个原子的排列呈四面体结构，具有等
同性，即碳原子与周围原子具有四个等价的共 价键。C原子的葫芦状杂化轨道必定大头相对， 以保证最大的电子云交叠，系统能量最低。
2021/3/2
16
由此可知
对同种元素，孤立原子和组成晶 体后的原子的最低能量状态的电 子云分布可以不同（电子态可不 同）。
2021/3/2
17
四.金属结合
由于负电性小的元素易于失去电子，而难 以获得电子，所以当大量负电性小的原子相 互接近组成晶体时，各原子给出自己的电子 而成为带正电的原子实，价电子则在整个晶 体中运动为所有原子所共有，因此可以认为 金属晶体是带正电的原子实规则分布在价电 子组成的电子云中。晶体的结合力主要为带 正电的原子实与负电子云之间的库仑力。
2021/3/2
15
说明：
（1）为什么一定要提出“杂化轨道”概念？
答：只有这样所得结论，才与其中实验结果（金 刚石有四个共价键且四个键等价指向四面体顶角 方向）一致。
(2) 孤立C原子的2S态能量E2s低于2P态能量E2P 即E2s< E2P，孤立C原子中的电子从2s态跃迁到2P 态，需吸收能量，即系统总能量上升，而在形成 金刚石晶体的过程中，各原子自旋“未配对”的 电子云交叠，系统能量反而下降，所以才可以结 合成稳定的晶体。
第二章 晶体结合
一．原子的负电性
原子得失价电子能力的一种度量。 其定义为：
负电性＝常数（电离能＋亲和能）
2021/3/2
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实验事实
（1）金刚石中每个原子与周围四个原子形成结合。 （2）周围四个原子的排列呈四面体结构，具有等
同性，即碳原子与周围原子具有四个等价的共 价键。C原子的葫芦状杂化轨道必定大头相对， 以保证最大的电子云交叠，系统能量最低。
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由此可知
对同种元素，孤立原子和组成晶 体后的原子的最低能量状态的电 子云分布可以不同（电子态可不 同）。
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四.金属结合
由于负电性小的元素易于失去电子，而难 以获得电子，所以当大量负电性小的原子相 互接近组成晶体时，各原子给出自己的电子 而成为带正电的原子实，价电子则在整个晶 体中运动为所有原子所共有，因此可以认为 金属晶体是带正电的原子实规则分布在价电 子组成的电子云中。晶体的结合力主要为带 正电的原子实与负电子云之间的库仑力。
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说明：
（1）为什么一定要提出“杂化轨道”概念？
答：只有这样所得结论，才与其中实验结果（金 刚石有四个共价键且四个键等价指向四面体顶角 方向）一致。
(2) 孤立C原子的2S态能量E2s低于2P态能量E2P 即E2s< E2P，孤立C原子中的电子从2s态跃迁到2P 态，需吸收能量，即系统总能量上升，而在形成 金刚石晶体的过程中，各原子自旋“未配对”的 电子云交叠，系统能量反而下降，所以才可以结 合成稳定的晶体。
第二章 晶体结合
一．原子的负电性
原子得失价电子能力的一种度量。 其定义为：
负电性＝常数（电离能＋亲和能）
《固体物理教案》课件
《固体物理教案》PPT课件第一章：引言1.1 固体物理的重要性介绍固体物理在科学技术领域中的应用，如半导体器件、磁性材料等。
强调固体物理对于现代科技发展的关键性作用。
1.2 固体物理的基本概念定义固体物理的研究对象和方法。
介绍晶体的基本特征和分类。
1.3 教案安排简介本教案的整体结构和内容安排。
第二章：晶体结构2.1 晶体的基本概念解释晶体的定义和特点。
强调晶体结构在固体物理中的核心地位。
2.2 晶体的点阵结构介绍点阵的基本概念和分类。
讲解点阵的周期性和空间群的概念。
2.3 晶体的空间结构介绍晶体的空间结构描述方法。
讲解晶体中原子的排列方式和空间群的对称性。
第三章：晶体物理性质3.1 晶体物理性质的基本概念介绍晶体物理性质的分类和特点。
强调晶体物理性质与晶体结构的关系。
3.2 晶体介电性质讲解晶体的介电性质及其与晶体结构的关系。
介绍介电材料的制备和应用。
3.3 晶体磁性质讲解晶体的磁性质及其与晶体结构的关系。
介绍磁材料的制备和应用。
第四章：固体能带理论4.1 能带理论的基本概念介绍能带理论的起源和发展。
强调能带理论在固体物理中的重要性。
4.2 紧束缚模型讲解紧束缚模型的基本原理和应用。
介绍紧束缚模型的数学表达式和计算方法。
4.3 平面紧束缚模型讲解平面紧束缚模型的基本原理和应用。
介绍平面紧束缚模型的数学表达式和计算方法。
第五章：半导体器件5.1 半导体器件的基本概念介绍半导体器件的定义和特点。
强调半导体器件在现代电子技术中的重要性。
5.2 半导体二极管讲解半导体二极管的工作原理和特性。
介绍半导体二极管的制备和应用。
5.3 半导体晶体管讲解半导体晶体管的工作原理和特性。
介绍半导体晶体管的制备和应用。
第六章：超导物理6.1 超导现象的基本概念介绍超导现象的发现和超导材料的特点。
强调超导物理在凝聚态物理中的重要性。
6.2 超导微观理论讲解超导微观理论的基本原理，如BCS理论。
介绍超导材料的制备和应用。
固体物理11090214PPT课件
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 1990 6. 王矜奉， 固体物理教程 （4版） 山东大学出版社 2004 （1999年初版）
7．Kittel C. Introduction to Solid State Physics, 8th ed. John Wiley ﹠ Sons Inc.,2005
➢ 面心立方（face-centered cubic, fcc）堆积 排列方式： ABCABC (立方密堆积)
典型晶体：Ca、Sr、Al、Cu、Ag
2.固体分类
（1）晶体（晶态） ：原子按一定的周期、排列规则的固体（长程有 序），例如：天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶都是 晶体.
图1 图3
图2
图1和图2是CaCO3和雪花结 晶的结构； 图3是高温超导体 YBaCuO 晶 体的结构。
（2）非晶体（非晶态）：原子的排列没有明确的周期性（短程有
中译本：固体物理导论 （原著8版）化学工业出版社，2005 8． Busch G. Sc文，瑞士联邦技术学院教材，1972) 9．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 1987 10．H E Hall Solid State Physics John Wiley ﹠ Sons Ltd 1974 (英国曼彻斯特大学教材) 11. Ashcroft, Mermin Solid State Physics 1976
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，半导体实际界面的研究在改善和稳定 半导体器件性能上已显示锐利的锋芒。
7．Kittel C. Introduction to Solid State Physics, 8th ed. John Wiley ﹠ Sons Inc.,2005
➢ 面心立方（face-centered cubic, fcc）堆积 排列方式： ABCABC (立方密堆积)
典型晶体：Ca、Sr、Al、Cu、Ag
2.固体分类
（1）晶体（晶态） ：原子按一定的周期、排列规则的固体（长程有 序），例如：天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶都是 晶体.
图1 图3
图2
图1和图2是CaCO3和雪花结 晶的结构； 图3是高温超导体 YBaCuO 晶 体的结构。
（2）非晶体（非晶态）：原子的排列没有明确的周期性（短程有
中译本：固体物理导论 （原著8版）化学工业出版社，2005 8． Busch G. Sc文，瑞士联邦技术学院教材，1972) 9．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 1987 10．H E Hall Solid State Physics John Wiley ﹠ Sons Ltd 1974 (英国曼彻斯特大学教材) 11. Ashcroft, Mermin Solid State Physics 1976
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，半导体实际界面的研究在改善和稳定 半导体器件性能上已显示锐利的锋芒。
大学固体物理ppt课件
离子、电子在外场中的势能 e z e z ez
V r2单m2↓电V子2r体V系Rrn 6
周期势场中单电子态薛定谔方程：
V单电r子2的mV2 本r征2态RV波n 函r数
r
E r
单电子本征态能量
布洛赫电子：这种无相互作用并在周期性势场中
运动的电子！
7
二、Bloch 定理证明：布洛赫定理内容
当势场具有晶格周期性时,
k x a eika k x
21
k x a
k x
i cos3
a
x
若若若若若iieikkieekkkek只只只i只ekccciciii只kkkkkkkkcoaioaoaoakk取取取s取xsoaxssxaxa取s3x布3a布3a3a布布aaaaa1aa1a,1a1,3里布里,a,x里ax里xxa133渊a渊,3ia3里i渊渊acaixic区,co区,co3区,区s渊o,osa内i5内s5as3ac内35a内5a的区a3i,a的3oiaca的ci的s值iox值oxc内5cs：s值oax：3值ox3aas：s3aa的：iaaa3ac3aaxaxa值oxaikxsik：xccoik3oaiskcaascaaok3oak3saxasxaxxk3k3axaikxexc3xei若k3xoaikasiekkea3只keci3ikkkik3akxoaaax取sxkak2x32布xaax1,e里3
如果引入矢量:
k
l1 N1
b1
l2 N2
b2
l3 N3
b3
根据倒格子基矢的定义：（i,j = 1，2，3）
i j, ai .bj 0
i j, ai .bj 2
e n1 n2 n3 123
i k .Rn
e N1
V r2单m2↓电V子2r体V系Rrn 6
周期势场中单电子态薛定谔方程：
V单电r子2的mV2 本r征2态RV波n 函r数
r
E r
单电子本征态能量
布洛赫电子：这种无相互作用并在周期性势场中
运动的电子！
7
二、Bloch 定理证明：布洛赫定理内容
当势场具有晶格周期性时,
k x a eika k x
21
k x a
k x
i cos3
a
x
若若若若若iieikkieekkkek只只只i只ekccciciii只kkkkkkkkcoaioaoaoakk取取取s取xsoaxssxaxa取s3x布3a布3a3a布布aaaaa1aa1a,1a1,3里布里,a,x里ax里xxa133渊a渊,3ia3里i渊渊acaixic区,co区,co3区,区s渊o,osa内i5内s5as3ac内35a内5a的区a3i,a的3oiaca的ci的s值iox值oxc内5cs：s值oax：3值ox3aas：s3aa的：iaaa3ac3aaxaxa值oxaikxsik：xccoik3oaiskcaascaaok3oak3saxasxaxxk3k3axaikxexc3xei若k3xoaikasiekkea3只keci3ikkkik3akxoaaax取sxkak2x32布xaax1,e里3
如果引入矢量:
k
l1 N1
b1
l2 N2
b2
l3 N3
b3
根据倒格子基矢的定义：（i,j = 1，2，3）
i j, ai .bj 0
i j, ai .bj 2
e n1 n2 n3 123
i k .Rn
e N1
固体物理学--ppt课件
22
简立方（Simple Cubic，简称 SC ）
三个基矢等长并且互相垂直。
a3 a
a2
原胞与晶胞相同。 a1
a1 ai a 2 aj a3 ak
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体心立方(Body
问题一
Centered
Cub8ic以1, 体B1心C原C2子个)为原顶子
点，分8别向三个顶角
体心立方晶胞中含有几个原子？ 原子引基矢。
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固体物理学原胞（原胞）特点：
只反映晶格周期性特征 体积最小的周期性重复单元 结点必为顶点，边长等于该方向周期的平行六
面体 六面体内部和面上皆不含其他的结点
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12
结晶学原胞（晶胞）的特点：
除反映晶体周期性特征外，还反映其特有 的对称性；
不一定是最小的重复单元； 结点不仅在顶角上，还可在体心或面心； 原胞边长总是一个周期，并各沿三个晶轴
任何基元中相应原子周围的情况相同，但每个基 元中各原子周围情况不同。
c 基元
b a
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3、晶格、原胞
晶格：通过点阵中 的结点，做许多平 行的直线族和平行 的晶面族，点阵就 成为一些网格，即 晶格。
原胞：用来反映晶 体周期性（及对称 性）特征的六面体 单元，有：
固体物理学原胞 结晶学原胞
问题二
体心立方原胞如何选取？
问题三
原胞的基a1矢 a形2 式 a？3
1 2
a3
问题原四胞体a1积 a？2 (i
j
k)
a2
a 2
(i
j
k)
a3
a 2
(i
j
k)
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固体物理学精品PPT课件
பைடு நூலகம்
4.最小内能性
由同一种化学成分构成的物质，在不同的条件下 可以呈现不同的物相，其相应的结合能或系统的内 能也必不相同。
但是，在相同的热力学条件下，在具有相同化学 成分物质的各种物态——气体、液体、非晶体、晶 体中，以晶体的内能最小，这个结论称为晶体的最 小内能性。
对于固体物质，由于晶体内能比非晶体内能小， 所以非晶体具有自发地向晶体转变的趋势；反之， 晶体不可能自发地转变为其它的物态形式。
在单晶体内部，原子都是规则地排列的。
* 多晶体( Multiple Crystal )
由许多小单晶(晶粒)构成的晶体，称为多晶体。 多晶体仅在各晶粒内原子才有序排列，不同晶粒内 的原子排列是不同的。
晶面的大小和形状受晶体生长条件的影响，它们 不是晶体品种的特征因素。
例如，岩盐（氯化钠）晶体的外形可以是立方体 或八面体，也可能是立方和八面的混合体，如图所 示。
有些晶体的解理性不明显，例如，金属晶体等。
晶体解理性在某些加工工艺中具有重要的意义， 例如，在划分晶体管管芯时，利用半导体晶体的解 理性可使管芯具有平整的边缘和防止无规则的断裂 发生，以保证成品率。
3.晶面角守恒定律
发育良好的单晶体，外形上最显著的特征是晶面 有规则地配置。一个理想完整的晶体，相应的晶面 具有相同的面积。晶体外形上的这种规则性，是晶 体内部分子或原子之间有序排列的反映。
晶格振动是晶体的特性之一。
§1.2 晶体的周期性
一、空间点阵学说 1.空间点阵
为了描述晶体结构的周期性，布拉菲在1848年提 出空间点阵学说，从而奠定了晶体结构几何理论的 基础。
按照空间点阵学说，晶体内部结构是由一些相同 的点子在空间规则地作周期性无限分布所构成的系 统，这些点子的总体称为点阵。
4.最小内能性
由同一种化学成分构成的物质，在不同的条件下 可以呈现不同的物相，其相应的结合能或系统的内 能也必不相同。
但是，在相同的热力学条件下，在具有相同化学 成分物质的各种物态——气体、液体、非晶体、晶 体中，以晶体的内能最小，这个结论称为晶体的最 小内能性。
对于固体物质，由于晶体内能比非晶体内能小， 所以非晶体具有自发地向晶体转变的趋势；反之， 晶体不可能自发地转变为其它的物态形式。
在单晶体内部，原子都是规则地排列的。
* 多晶体( Multiple Crystal )
由许多小单晶(晶粒)构成的晶体，称为多晶体。 多晶体仅在各晶粒内原子才有序排列，不同晶粒内 的原子排列是不同的。
晶面的大小和形状受晶体生长条件的影响，它们 不是晶体品种的特征因素。
例如，岩盐（氯化钠）晶体的外形可以是立方体 或八面体，也可能是立方和八面的混合体，如图所 示。
有些晶体的解理性不明显，例如，金属晶体等。
晶体解理性在某些加工工艺中具有重要的意义， 例如，在划分晶体管管芯时，利用半导体晶体的解 理性可使管芯具有平整的边缘和防止无规则的断裂 发生，以保证成品率。
3.晶面角守恒定律
发育良好的单晶体，外形上最显著的特征是晶面 有规则地配置。一个理想完整的晶体，相应的晶面 具有相同的面积。晶体外形上的这种规则性，是晶 体内部分子或原子之间有序排列的反映。
晶格振动是晶体的特性之一。
§1.2 晶体的周期性
一、空间点阵学说 1.空间点阵
为了描述晶体结构的周期性，布拉菲在1848年提 出空间点阵学说，从而奠定了晶体结构几何理论的 基础。
按照空间点阵学说，晶体内部结构是由一些相同 的点子在空间规则地作周期性无限分布所构成的系 统，这些点子的总体称为点阵。
固体物理绪论ppt课件
2. 金属的研究 —— 抽象出电子公有化的概念，再用单电 子近似的方法建立能带理论
3. 物质的铁磁性 —— 研究了电子与声子的相互作用，阐 明低温磁化强度随温度变化的规律
4. 超导的理论 —— 研究电子和声子的相互作用，形成库 柏电子对，库柏对的凝聚表现为超导电相变
六、固体物理学领域的一些重要进展 1. 人造材料、超晶格半导体、MBE、CVO等 2. 量子霍尔效应：电势差按量子变化而非连续变化 3. 降维效应：三维→二维→一维→零维（量子点） 4. 电荷密度波、自旋密度波 5. 无序：等效介质+微扰 6. 混合原子价 7. 3He的超流相（低温下流动无阻力） 8. 重整化群的方法（处理多体问题、相变、临界点等）
23. 生物物理（蛋白质、DNA等） 24. 软凝聚态物质（生物体、胶体、各种细小颗粒、沙堆
模型等） 25. 纳米材料 26. Bose-Einstein凝聚
……
《固体物理学》参考书目
1.《固体物理学》 —— 黄昆 韩汝琪，高等教育出版社
2. 《Introduction to Solid State Physics》Seventh Edition —— CHARLES KITTEKL, John Wiley
—— 费米发展了统计理论，为以后研究晶体中电子运动的 过程指出了方向
—— 20世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学
—— 固体能带论说明了导体与绝缘体的区别，并断定有 一类固体，其导电性质介于两者之间______半导体
—— 20世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半导体单晶的 出现并制成了晶体三极管______ 产生了半导体物理
程序）（急冷方式获得）
16. 细小体系、团簇、C60、介观物理 17. 有机导体、高分子材料（具有掺杂导电性） 18. 非线性、非平衡、孤子、突变、湍流 19. 量子计算机，由量子态控制（传统计算机由0、1控制） 20. 超硬材料，如导电性极强的金刚石半导体，性能稳定、
3. 物质的铁磁性 —— 研究了电子与声子的相互作用，阐 明低温磁化强度随温度变化的规律
4. 超导的理论 —— 研究电子和声子的相互作用，形成库 柏电子对，库柏对的凝聚表现为超导电相变
六、固体物理学领域的一些重要进展 1. 人造材料、超晶格半导体、MBE、CVO等 2. 量子霍尔效应：电势差按量子变化而非连续变化 3. 降维效应：三维→二维→一维→零维（量子点） 4. 电荷密度波、自旋密度波 5. 无序：等效介质+微扰 6. 混合原子价 7. 3He的超流相（低温下流动无阻力） 8. 重整化群的方法（处理多体问题、相变、临界点等）
23. 生物物理（蛋白质、DNA等） 24. 软凝聚态物质（生物体、胶体、各种细小颗粒、沙堆
模型等） 25. 纳米材料 26. Bose-Einstein凝聚
……
《固体物理学》参考书目
1.《固体物理学》 —— 黄昆 韩汝琪，高等教育出版社
2. 《Introduction to Solid State Physics》Seventh Edition —— CHARLES KITTEKL, John Wiley
—— 费米发展了统计理论，为以后研究晶体中电子运动的 过程指出了方向
—— 20世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学
—— 固体能带论说明了导体与绝缘体的区别，并断定有 一类固体，其导电性质介于两者之间______半导体
—— 20世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半导体单晶的 出现并制成了晶体三极管______ 产生了半导体物理
程序）（急冷方式获得）
16. 细小体系、团簇、C60、介观物理 17. 有机导体、高分子材料（具有掺杂导电性） 18. 非线性、非平衡、孤子、突变、湍流 19. 量子计算机，由量子态控制（传统计算机由0、1控制） 20. 超硬材料，如导电性极强的金刚石半导体，性能稳定、
固体(高中物理教学课件)完整版7
如图表示了岩盐晶体的平面结构：粉红点为氯离子，灰 点为钠离子，如果把它们用直线连起来，将构成一系列 大小相同的正方形，作分界线AA1，使它平行于正方形的 对角线，作分界线BB1，使它平行于正方形的一边。在两 线的左侧各取一个钠离子M和N，为了 比较这两个钠离子所受分界线另一侧 的离子对它作用力的大小，分别以M、 N为圆心，作两个相同的扇形，不考虑 扇形以外远处离子的作用。
碳原子按上图排列，依次成为石墨，金刚石，石墨烯，足球烯 。
五.晶体的微观结构
3.晶体与非晶体的转化：同种物质也可能以晶体和非晶 体两种不同的形态出现，也就是说，物质是晶体还是非 晶体，并不是绝对的。 例如，天然石英是晶体，而熔化以后再凝固的水晶（即 石英玻璃）就是非晶体 。有些非晶体在一定条件下也可 以转化为晶体。
( ACD ) A.构成晶体空间点阵的微粒，可以是分子，也可以是原 子或离子 B.晶体的微粒之所以能构成空间点阵，是由于晶体中微 粒之间相互作用很强，所有微粒都被牢牢地束缚在空间 点阵的结点上不动 C.所谓空间点阵与空间点阵的结点，都是抽象的概念； 结点是指组成晶体的微粒做永不停息的微小振动的平衡 位置；微粒在结点附近的微小振动，就是热运动 D.相同的微粒，可以构成不同的空间点阵，也就是同一 种物质能够生成不同的晶体，从而能够具有不同的物理 性质
单晶体：有规则的几何外形 多晶体：没有规则的几何外形 非晶体：没有规则的几何外形 形状是否规则不能做为晶体和非晶体的判断依据。
实验结果：玻璃片上石蜡熔化区域的形状近似于圆形， 表明玻璃沿各个方向的导热性能相同；云母片上石蜡熔 化区域的形状呈椭圆形，表明云母沿不同方向的导热性 能不同。
三.各向异性与各向同性 1.各向异性：沿不同方向的某些物理性质（可能 是热学、电学、光学性质）不同 2.各向同性：各个方向的所有物理性质都相同
碳原子按上图排列，依次成为石墨，金刚石，石墨烯，足球烯 。
五.晶体的微观结构
3.晶体与非晶体的转化：同种物质也可能以晶体和非晶 体两种不同的形态出现，也就是说，物质是晶体还是非 晶体，并不是绝对的。 例如，天然石英是晶体，而熔化以后再凝固的水晶（即 石英玻璃）就是非晶体 。有些非晶体在一定条件下也可 以转化为晶体。
( ACD ) A.构成晶体空间点阵的微粒，可以是分子，也可以是原 子或离子 B.晶体的微粒之所以能构成空间点阵，是由于晶体中微 粒之间相互作用很强，所有微粒都被牢牢地束缚在空间 点阵的结点上不动 C.所谓空间点阵与空间点阵的结点，都是抽象的概念； 结点是指组成晶体的微粒做永不停息的微小振动的平衡 位置；微粒在结点附近的微小振动，就是热运动 D.相同的微粒，可以构成不同的空间点阵，也就是同一 种物质能够生成不同的晶体，从而能够具有不同的物理 性质
单晶体：有规则的几何外形 多晶体：没有规则的几何外形 非晶体：没有规则的几何外形 形状是否规则不能做为晶体和非晶体的判断依据。
实验结果：玻璃片上石蜡熔化区域的形状近似于圆形， 表明玻璃沿各个方向的导热性能相同；云母片上石蜡熔 化区域的形状呈椭圆形，表明云母沿不同方向的导热性 能不同。
三.各向异性与各向同性 1.各向异性：沿不同方向的某些物理性质（可能 是热学、电学、光学性质）不同 2.各向同性：各个方向的所有物理性质都相同
固体物理课件ppt完全版_图文
一、简单立方晶格（SC格子） 1·配位数：每个原子的上下左右前后各有一个最近邻
原子 — 配位数为6
2·堆积方式：最简单的原子球规则排列形式 — 没有 实际的晶体具有此种结构
简单立方晶 格堆积方式
简单立方晶 格典型单元
3·原胞： SC格子的立方单元是最小的周期性单元 — 选取其本身为原胞
4·晶格的三个基矢：
③
∵面上原子密度大，对X 射线的散射强
∴简单的晶面族，在 X 射 线的散射中，常被选做 衍射面
金刚石晶格中双层密排面
第四节 倒格子
晶格的周期性描写方式: 正格子
※ 坐标空间（ 空间）的布拉伐格子表示 ※ 波矢空间（ 空间）的倒格子表示
Reason?
∵晶体中原子和电子的运动状态，以及各种微观粒子 的相互作用 → 都是在波矢空间进行描写的 晶格振动形成的格波，X 射线衍射均用波矢来表征
晶
列
1· 晶列：在布拉伐格子中，所有格点可以分列在一
系列相互平行的直线系上，这些直线系称
为晶列
2· 晶向：同一个格子可以形成方向不同的晶列，每 一个晶列定义了一个方向，称为晶向
3·晶向指数: 若从一个原子沿晶向到最近的原子的
位移矢量为
， 则用
标志晶向，称为晶向指数
同一晶向族的各晶向
4· 晶面：布拉伐格子的格点还可以看成分列在平行 等距的平面系上，这样的平面称为晶面。
倒易点阵本质
如果把晶体点阵本身理解为周期函数，则倒 易点阵就是晶体点阵的傅立叶变换，所以倒
易点阵也是晶体结构周期性的数学抽象，只
是在不同空间(波矢空间)来反映,其所以要变 换到波矢空间是由于研究周期性结构中波动 过程的需要。
一个三维周期性函数u(r)（周期为T=n1a1+ n2a2+ n3a3）
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固 体 物 理（II）
半导体中的电子过程 固体的介电性 固体的光学性质 固体的磁性 超导电性
非晶固体和准晶体
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第1章 半导体的电子过程
伴随着以半导体材料制造的电子元器件广泛地进入人 们的日常生活，半导体已成为家喻户晓的一个词汇。
半导体是一种特殊的固体材料。1931年，威尔逊根据 固体能带结构，把晶体划分为金属、半导体和电介质， 并建立了半导体导电的量子模型。1932年，提出了杂质 及缺陷能级的概念，取得了掺杂半导体导电机理的重大 突破，并为晶体管的诞生奠定了理论基础。 半导体元器件的功能基于半导体材料的电子性质，这 就是本章的主要内容。
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Si、Ge 金刚石型
As
Ga 闪锌矿型
本征半导体的正四面体结构
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（2）掺杂半导体(Doped Semiconductor) 以硅中掺磷和棚为例，说明掺杂半导体的晶体结构。
在硅晶体中，每个原子与最近邻的四个原子形成共价
键，从而使每个原子最外层都形成具有八个电子的稳定 结构，如图(a)所示。 如果晶体中的某 一硅原子被磷原子 所替代，则磷原子 与近邻硅原子形成 共价键后，尚多余 一个电子，如图(b) 所示。
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显然，对于硅或锗晶体，由于sp³ 轨道杂化，本应统一 的价带分成上、下各包含2N个量子态的能带。 其中，下能带恰 好容纳4N个价电子 而形成满带，上能 带则成为没有价电 子占据的空带。 在硅或锗晶体的 能带结构中，下能 带可视为价带，上 能带则为导带，如 右图所示。 在低温下，导带中实际上没有电子。
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第1节 半导体的基本特征
半导体结构 本征半导体的能带 杂质能级
第2节 半导体中的载流子分布
本征载流子密度 掺杂半导体的载流子分布
第3节 半导体的输运过程
半导体的电导率 半导体的霍尔效应 非平衡载流子的扩散
第4节 半导体器件的基本原理
芯片表面
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（1）在半导体中加入微量杂质后，可以使电导率发生 非常明显的变化； 例如，在半导体硅或锗中，掺入百万分支一数量级的 III族元素棚或V族元素磷，可使其室温电导率增加五、 六个数量级。 （2）金属的电阻温度系数很小，且为正值； 而半导体的电阻，既可以在某个温度范围内随温度升 高而增大，也可以在另一个温度范围内随温度升高而急 剧减小，即具有负的电阻温度系数。
(a)本征硅结构 (b) n 型硅结构
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同理，如果晶体中的某一硅原子被硼原子所替代，则 硼原子与近邻硅原子形成完整共价键尚缺一个电子。此 时，附近硅原子上的价电子不需要多大的能量就能够过 来填补这一空缺，从而使该原子处留下一个电子缺位， 如图(c)所示。
(b)n硅结构
(c) p 型硅结构上页
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金刚石的这种复式结构，相当于原来相互重叠的两个 面心立方格子，沿体对角线相互平移错开体对角线长度 的 1/4 套构而成。 III-V族化合物具有闪锌矿型结构，如图所示。 同金刚石型结构类似，闪锌矿 型结构也是复式格子，它相当于 两种不同原子所形成的面心立方 格子，沿体对角线平移 1/4 体对 角线的长度套构而成。 金刚石结构与闪锌矿结构的共 同特点是：每个原子同最近邻的 四个原子共价键合，形成正四面 体结构。
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上式给出的原子轨道的线性组合，称为杂化。 由于每一个轨道包含着 s/4 和 3p/4 的成分，因此称为 sp³ 杂化轨道。 IV族元素碳、硅和锗结合成晶体时，近邻原子间由sp³ 杂化轨道形成共价键而联系到一起。一个 s 原子轨道激 发到 p 轨道所需要的能量，由 原子结合成晶体时释放的内聚 能补偿。 成键后，四个共价键等同， 键角均为109º28’，如图所示 。 一个原子与近邻的四个原子 形成的共价键构成正四面体， 四个原子在四面体顶点上。
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sp³ 杂化轨道对硅或锗晶体的能带影响如图所示。 当近邻原子之间 的距离足够大时， 价电子仍处于原子 能级ns与np中。 随着原子间距的 减小，s与 p能级均 展宽成能带、且发 生交叠而成统一的 能带，原子轨道相 应杂化。 当原子间距达到平衡原子间距时，形成硅或锗晶体。 此时，统一的能带又分成上、下各包含2N个量子态的能 化对能带的影响
金刚石、硅和锗的价电子组态为ns² np² ，当形成晶体 时，有一个 s 电子激发到 p 态，从而使价电子组态变为 nsnp³ 。 1
(s px p y pz ) 1 在价电子组态 nsnp³ 2 1 中，一个 s 态电子与三 2 (s px p y pz ) 个 p态电子重新进行线 2 1 性组合，形成四个等价 3 ( s p x p y p z ) 的轨道，分别为 2 1 ( s p p p ) 4 x y z 2
双极型晶体管 习题
单极型晶体管
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§1.1 半导体的基本特征
一、半导体的结构
1. 半导体（Semiconductor）
半导体是指导电性能介于金属和绝缘体之间的、非离 子性的导电物质。 半导体一般为固体，例如，硅、锗、砷化镓是三种典 型的半导体材料。 在室温下，半导体的电阻率约为 103 ~ 109 Ω cm。 同金属相比，除电阻率的区别外，半导体的导电性能 还具有以下三个显著特征：
（3）当存在光照等情况时，半导体的电阻率将减小， 而金属的电阻率则不变。
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2. 半导体的晶体结构
（1）本征半导体 本征半导体是指，除晶格振动外，不存在任何杂质和 缺陷等不完整性的半导体。 IV族晶体锗、硅具有金刚石型结构，如图所示。
在金刚石结构中，除面 心立方晶胞所含的(绿色) 原子外，晶胞内体对角线 上还有四个(红色) 原子。 由于顶点原子与这两种原 子成键的取向不同，因此 这种结构是复式格子。
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半导体中的电子过程 固体的介电性 固体的光学性质 固体的磁性 超导电性
非晶固体和准晶体
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第1章 半导体的电子过程
伴随着以半导体材料制造的电子元器件广泛地进入人 们的日常生活，半导体已成为家喻户晓的一个词汇。
半导体是一种特殊的固体材料。1931年，威尔逊根据 固体能带结构，把晶体划分为金属、半导体和电介质， 并建立了半导体导电的量子模型。1932年，提出了杂质 及缺陷能级的概念，取得了掺杂半导体导电机理的重大 突破，并为晶体管的诞生奠定了理论基础。 半导体元器件的功能基于半导体材料的电子性质，这 就是本章的主要内容。
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Si、Ge 金刚石型
As
Ga 闪锌矿型
本征半导体的正四面体结构
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（2）掺杂半导体(Doped Semiconductor) 以硅中掺磷和棚为例，说明掺杂半导体的晶体结构。
在硅晶体中，每个原子与最近邻的四个原子形成共价
键，从而使每个原子最外层都形成具有八个电子的稳定 结构，如图(a)所示。 如果晶体中的某 一硅原子被磷原子 所替代，则磷原子 与近邻硅原子形成 共价键后，尚多余 一个电子，如图(b) 所示。
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显然，对于硅或锗晶体，由于sp³ 轨道杂化，本应统一 的价带分成上、下各包含2N个量子态的能带。 其中，下能带恰 好容纳4N个价电子 而形成满带，上能 带则成为没有价电 子占据的空带。 在硅或锗晶体的 能带结构中，下能 带可视为价带，上 能带则为导带，如 右图所示。 在低温下，导带中实际上没有电子。
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第1节 半导体的基本特征
半导体结构 本征半导体的能带 杂质能级
第2节 半导体中的载流子分布
本征载流子密度 掺杂半导体的载流子分布
第3节 半导体的输运过程
半导体的电导率 半导体的霍尔效应 非平衡载流子的扩散
第4节 半导体器件的基本原理
芯片表面
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（1）在半导体中加入微量杂质后，可以使电导率发生 非常明显的变化； 例如，在半导体硅或锗中，掺入百万分支一数量级的 III族元素棚或V族元素磷，可使其室温电导率增加五、 六个数量级。 （2）金属的电阻温度系数很小，且为正值； 而半导体的电阻，既可以在某个温度范围内随温度升 高而增大，也可以在另一个温度范围内随温度升高而急 剧减小，即具有负的电阻温度系数。
(a)本征硅结构 (b) n 型硅结构
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同理，如果晶体中的某一硅原子被硼原子所替代，则 硼原子与近邻硅原子形成完整共价键尚缺一个电子。此 时，附近硅原子上的价电子不需要多大的能量就能够过 来填补这一空缺，从而使该原子处留下一个电子缺位， 如图(c)所示。
(b)n硅结构
(c) p 型硅结构上页
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金刚石的这种复式结构，相当于原来相互重叠的两个 面心立方格子，沿体对角线相互平移错开体对角线长度 的 1/4 套构而成。 III-V族化合物具有闪锌矿型结构，如图所示。 同金刚石型结构类似，闪锌矿 型结构也是复式格子，它相当于 两种不同原子所形成的面心立方 格子，沿体对角线平移 1/4 体对 角线的长度套构而成。 金刚石结构与闪锌矿结构的共 同特点是：每个原子同最近邻的 四个原子共价键合，形成正四面 体结构。
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上式给出的原子轨道的线性组合，称为杂化。 由于每一个轨道包含着 s/4 和 3p/4 的成分，因此称为 sp³ 杂化轨道。 IV族元素碳、硅和锗结合成晶体时，近邻原子间由sp³ 杂化轨道形成共价键而联系到一起。一个 s 原子轨道激 发到 p 轨道所需要的能量，由 原子结合成晶体时释放的内聚 能补偿。 成键后，四个共价键等同， 键角均为109º28’，如图所示 。 一个原子与近邻的四个原子 形成的共价键构成正四面体， 四个原子在四面体顶点上。
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sp³ 杂化轨道对硅或锗晶体的能带影响如图所示。 当近邻原子之间 的距离足够大时， 价电子仍处于原子 能级ns与np中。 随着原子间距的 减小，s与 p能级均 展宽成能带、且发 生交叠而成统一的 能带，原子轨道相 应杂化。 当原子间距达到平衡原子间距时，形成硅或锗晶体。 此时，统一的能带又分成上、下各包含2N个量子态的能 化对能带的影响
金刚石、硅和锗的价电子组态为ns² np² ，当形成晶体 时，有一个 s 电子激发到 p 态，从而使价电子组态变为 nsnp³ 。 1
(s px p y pz ) 1 在价电子组态 nsnp³ 2 1 中，一个 s 态电子与三 2 (s px p y pz ) 个 p态电子重新进行线 2 1 性组合，形成四个等价 3 ( s p x p y p z ) 的轨道，分别为 2 1 ( s p p p ) 4 x y z 2
双极型晶体管 习题
单极型晶体管
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§1.1 半导体的基本特征
一、半导体的结构
1. 半导体（Semiconductor）
半导体是指导电性能介于金属和绝缘体之间的、非离 子性的导电物质。 半导体一般为固体，例如，硅、锗、砷化镓是三种典 型的半导体材料。 在室温下，半导体的电阻率约为 103 ~ 109 Ω cm。 同金属相比，除电阻率的区别外，半导体的导电性能 还具有以下三个显著特征：
（3）当存在光照等情况时，半导体的电阻率将减小， 而金属的电阻率则不变。
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2. 半导体的晶体结构
（1）本征半导体 本征半导体是指，除晶格振动外，不存在任何杂质和 缺陷等不完整性的半导体。 IV族晶体锗、硅具有金刚石型结构，如图所示。
在金刚石结构中，除面 心立方晶胞所含的(绿色) 原子外，晶胞内体对角线 上还有四个(红色) 原子。 由于顶点原子与这两种原 子成键的取向不同，因此 这种结构是复式格子。
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