2022-2023学年高二物理竞赛 原子的能级和晶体的能带 课件(共13张PPT)

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2022-2023学年高二物理竞赛 原子的能级和晶体的能带 课件(共13张PPT)

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(共13张PPT)
原子的能级和晶体的能带
重点:
电子的共有化运动
原子能级分裂以及能带的形成
导带、价带与禁带
原子的能级和晶体的能带
纤锌矿型结构
材料:ZnS, ZnSe,CdS
与闪锌矿型结构相比
相同点:
以正四面体结构为基础构成
区别:
具有六方对称性,而非立方对称性
共价键的离子性更强
纤锌矿型结构晶胞图
属于纤锌矿型结构的晶体有:BeO、ZnO、AIN等
一、电子的共有化运动
孤立原子:1s, 2s, 2p,3s, 3p, · · · 等电子壳层
晶体:不同原子的内外各电子壳层出现交叠,电子可由一个原子转移到相邻的原子,因此,电子可以在整个晶体中运动,称为电子的共有化运动
二、原子能级分裂以及能带的形成
分裂的每一个能带称为允带
允带之间无能级称为禁带
内层原子受到的束缚强,共有化运动弱,
能级分裂小,能带窄;外层原子受束缚弱,
共有化运动强,能级分裂明显,能带宽。
以金刚石结构单晶硅材料为例
能级sp3杂化后,硅原子最外层有四个能量状态;若晶体中有N个原子,能级分裂后形成两个能带,各包含2N个状态。
能量高的能带有2N个状态,全空,称为导带;能量低的能带有2N个状态,全满,成为满带或价带。
2学时
半导体(硅、锗)能带的特点:
存在轨道杂化,失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带,上能带称为导带,下能带称为价带
低温下,价带填满电子,导带全空,升温或光照下价带中的一部分电子跃迁到导带,使晶体呈现弱导电性。
导带与价带间的能隙(Energy gap)称为禁带(forbidden band).禁带宽度取决于晶体种类、晶体结构及温度。
当原子数很大时,导带、价带内能级密度很大,可以认为能级准连续
能带产生的原因:
定性理论(物理概念):晶体中原子之间的相互作用(电子共有化运动),使能级分裂形成能带。
定量理论(量子力学计算):电子在周期场中运动,其能量不连续形成能带。
能带(energy band)包括允带和禁带。
允带(allowed band):允许电子能量存
在的能量范围。
禁带(forbidden band):不允许电子存
在的能量范围。
允带又分为空带、满带、导带、价带。
空带(empty band):不被电子占据的允带。
满带(filled band):允带中的能量状态(能
级)均被电子占据。
导带(conduction band):电子未占满的允带
(有部分电子。)
价带(valence band):被价电子占据的允带
(低温下通常被价电子占满)。
共价键理论
共价键理论主要有三点:
晶体的化学键是共价键,如 Si,Ge。
共价键上的电子处于束缚态,不能参与导电。
处于束缚态的价电子从外界得到能量,
有可能挣脱束缚成为自由电子,参与导电。

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