材料的导电性能ppt课件.ppt

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1、3.2能带结构及导电材料第3章导电物理13.2.1能带结构3.2.2导电材料与电阻材料3.2.3其他材料的导电性能2根据原子结构理论，每个电子都占有一个分立的能级。Pauli不相容原理，每个能级只能容纳2个电子电子填充能带的原则：2、首先填充能量最小的状态1、泡利不相容原理：不能有两个电子处于完全相同的量子态3能带结构：能量能带能带禁带平衡间距原子间距能级能级孤立原子的能级考察N个相同原子组成的固体：原子距离很大（无相互作用、孤立原子）时：每个原子的能级构造相同；系统的能级相当于N度简并的孤立原子能级。原子相互靠近结合成晶体（原子间有相互作用）：电子除受自身原子的作用外，还受周围原

2、子势场的作用系统的电子能态结构：N度简并的能级N个彼此相距很近的能级，展宽为能带固体电子能带的形成4能级分裂的原因：电子波函数叠合、相互作用的结果能级分裂：从价电子到内层电子。能量能带能带禁带平衡间距原子间距能级能级孤立原子的能级内层能级只有原子非常接近时才发生分裂，即使分成能带、能带也很窄固体电子能带结构：原子间处于平衡间距时的能带结构电子填充能带的原则：2、首先填充能量最小的状态1、泡利不相容原理：不能有两个电子处于完全相同的量子态形象电子图5电子数量增加时能级扩展成能带举例，一个原子到N个原子的2s轨道变迁：6当N个原子相互靠近形成一个固体时，泡利不相容原理仍然成立，即在整个

3、固体中，也只能有2个电子占据相同的2s能级。当两个原子的距离足够近时，它们的2s轨道的电子就会相互作用，以致不能再维持在相同的能级。当固体中有N个原子，这N个原子的2s轨道的电子都会相互影响。这时就必须出现N个不同的分立能级来安排所有这些2s轨道的电子（这些电子共有2N个）。2s轨道的N个分立的能级组合在一起，成为2s的能带。举例，一个原子到N个原子的2s轨道变迁：7孤立原子的能量较高的空能级，原子结合成晶体、形成的能带后仍是空着的（一）金属的电子能带结构钠原子的电子结构：满电子能级钠晶体的与之相应能带也是全满带与之相应能带是半满带8导带禁带钠的能带结构：能级分布取决于原子之间的距

4、离9钠只有1个3s电子，在3s价带只有一半的能级被电子所占据。自然，这些被电子占据的能级应该是能量较低的能级，而3s价带中能量较高的处于上方的能级很少有电子占据。当温度为绝对零度时，只有下面一半的能级被电子占据，上面一半的能级没有电子占据。能带中有一半的能级被电子占据的能级称为费密能级。而当温度大于绝对零度时，有一些电子获得了能量，跳到价带里的较高能级，而在相对应的较低的能级上失去了电子，产生了相同数量的空穴。钠的能带结构10图：能带中电子随温度升高而进行能级跃迁绝对零度时,所有外层电子占据低的能级;温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级这些激发电子和空穴都是携带电荷的载流子1

5、1能带的交叠现象：Mg金属电子能带3s3p镁原子的电子结构：满电子能级镁晶体的与之相应能带也是全满带与之相应能带是空带镁晶体的3s与3p能带存在交叠12能带重叠现象Mg的能带结构13镁原子的核外电子结构为1s22s22p63s2。像镁这样的周期表ⅡA族元素的最外层3s轨道有2个电子，所以按理说它的3s能带就会被电子全部占满。但是，由于固体镁的3p能带与3s能带有重叠，这种重叠使得电子能够激发到3s和3p的重叠能带里的高能级，所以镁具有导电性。Mg的能带结构14铝原子的电子结构：满电子能级与之相应能带仅部分填充Al金属电子能带3p3s铝晶体的与之相应能带也是全满带能带与能带存在交叠1

6、5过渡族金属的电子结构16从钪到镍的过渡族金属中，未被电子充满的3d能带和4s能带发生重叠。这种重叠使得电子能够被激发到高能量的能级。能带之间的复杂的相互作用使得这些金属的导电性不够理想。但铜是一个例外。铜中的内层3d能带已经被电子充满，这些电子被原子紧紧束缚，不能与4s能带相互作用。由于铜中的3d能带和4s能带之间基本没有相互作用，所以铜的导电性非常好。银和金的情况与铜类似。17极小的能量即可激发费米能级附近的价电子成为自由电子金属是良导体并非说有价电子都能参与导电、只有被激发到费米能级以上的电子（自由电子）才能导电金属中自由电子的数密度：金属的能带结构特征：存在未满的价带或存在

7、价带和其上的空带交叠被价电子占据的最高能级上存在许多空能级最高能级：费米能级(Fermilevel),Ef18周期表ⅣA族元素，如C：1S22S22P2Si：1S22S22P63S23P2Si单晶：杂化分裂成两个各包含4N个能级的能带：价带导带4N个价电子恰好填满价带，导带全空非金属类-杂化能带结构：19周期表ⅣA族元素，如碳、硅、锗、锡，在最外层p轨道有2个电子，化合价为4。根据前面的讨论，因为这些元素的p能带没有被电子充满，似乎应该具有良好的导电性。但实际情况却不