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1、5.1概述5.2材料的导电性能5.4半导体物理5.3金属电导5.5超导物理2个学时4个学时4个学时第5章导电物理2个学时10个学时15.2材料的导电性能5.2.1能带结构5.2.3导电材料与电阻材料5.2.4其他材料的导电性能2材料的性能决定于：组成结构5.2.1能带结构材料结构的类型聚集态结构气、液、固；固态中有晶态和非晶态。物相结构：混合物、晶态、非晶态显微结构：取向空间位置分布：多组分、多相材料的均匀性分子与晶体结构基团结构分子结构：相对分子量、相对分子质量分布、支化度、交联度晶体结构构型与构象电子结构3从连续能量分布的价电子在
2、均匀势场中的运动，到不连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动，再到不连续能量分布的价电子在周期性势场中的运动，分别是经典自由电子论、量子自由电子论、能带理论这三种分析材料导电性理论的主要特征。5.2.1能带结构能带理论是在量子自由电子论的基础上，考虑了离子所造成的周期性势场的存在，从而导出了电子的分布特点，并建立了禁带的概念。4电子的运动状态的表征：5.2.1能带结构粒子性与波动性经典物理：状态用物理量描述。量子力学：状态用波函数描述。薛定谔方程Schrodinger在1926年建立了非相对论粒子的波函数随时间演化的方程。量子数（n
3、主，l角，m磁，ms自旋）5原子的壳层结构：5.2.1能带结构1916年柯塞尔(W.Kossel)对多电子的原子系统提出了壳层结构学说：主量子数n相同的电子分布在同一壳层上。主量子数n相同而角量子数l不同的电子分布在不同的分壳层或支壳层上。l=0,1,2,3,4...…如：n=3,l=0,1,2…分别称为3s态,3p态,3d态…主量子数n愈小其相应的能级愈低。在同一壳层中,角量子数l愈小,其相应的能级愈低。6多电子的原子系统中,核外电子在不同的壳层上的分布遵从下面两条基本原理：1.泡利不相容原理一个原子系统内，不能有两个或两个以上电
4、子具有完全相同的量子态(n,l,ml,ms)。利用泡利不相容原理可以计算各个壳层中可能占有的最多电子数。5.2.1能带结构电子的分布规律：7对给定的一个n,l=0,1,2,…,(n-1),共n个值；ml=0,±1,±2,…,±l，共(2l+1)个值；共2个值;(2l+1)2=2n2所以各壳层能容纳的最多电子数为n=1,2,3,4，5,……KLMNO……最多电子数：28183250…...量子态数为5.2.1能带结构8对给定的一个l(角)的分壳层,ml=0,±1,±2,…,±l，共(2l+1)个值(磁)；共2个值;量子态数为2(2l+
5、1)所以各分壳层能容纳的最多电子数为l=0,1,2,3,4……spdfg……最多电子数：26101418……5.2.1能带结构9电子在各壳层、分壳层的填充由左向右：n=1234……KLMN……1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f14…...2.能量最小原理原子系统处在正常状态时,每个电子总是尽可能占有最低的能级。5.2.1能带结构10对于由大量原子结合而成,若要研究多原子中电子的运动,原则上说,应当去解多原子、多电子系统的薛定谔方程。下面从泡利不相容原理出发来研究能带的形成。1.电子的共有化固体中的原子排列是
6、很紧密，因而各相邻原子的波函数(或者说外电子壳层)将发生重叠。因此，各相邻原子的外层电子，很难说是属于那个原子，而实际上是处于为各邻近原子乃至整个固体所共有的状态。这种现象称之为电子的共有化。5.2.1能带结构112.能带的形成设有N个原子结合成固体，原来单个原子时处于1s能级的2N个电子现在属于整个原子系统(固体)所共有，根据泡利不相容原理，不能有两个或两个以上电子具有完全相同的量子态(n,l,ml,ms),因而就不能再占有一个能级，而是分裂为N个微有不同的分立能级。由于N是一个很大的数，这些分立能级相距很近，看起来几乎是连续的，从
7、而形成一条有一定宽度E的能带。1s1s能带图5.1能带的形成12图5.2电子数量增加时能级扩展成能带5.2.1能带结构13能带的重叠现象：14能带类型：填满电子的能带称为满带。未填满电子的能带称为导带。没有电子填充的能带称为空带。显然空带也属导带。由价电子能级分裂而成的能带称为价带。在能带之间没有可能量子态的能量区域叫禁带。5.2.1能带结构15导带中的能级未被占满，一个电子在外力作用下向其它能级转移时，不一定有相反方向的转移来抵消，所以导带具有导电作用。图5.4由于满带中所有能级都被电子占满，因此一个电子在外力
8、作用下向其它能级转移时，必然伴随着相反方向的转移来抵消，所以满带是不导电的。图5.3电子在能带中的填充和运动16从能带上看，半导体和绝缘体的能带没有本质区别：都具有填满电子的满带和隔离满
