《材料的导电性能》PPT课件.ppt
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1、概述材料的导电性能 半导体物理 金属电导 5.5 超导物理 2个学时4个学时4个学时第第5章章 导电物理导电物理 2个学时10个学时1材料的导电性能 能带结构能带结构导电材料与电阻材料导电材料与电阻材料 其他材料的导电性能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根据原子结构理论,每个电子都占有一个分立的能级。泡利(分立的能级。泡利(Pauli)不相容原理指)不相容原理指出,每个能级只能容纳出,每个能级只能容纳2个电子。个电子。3当当N个原子相互靠近形成一个固体时,泡利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,即在整个固体中,也不相容原理仍然成立,即在整个固体中,也只
2、能有只能有2个电子占据相同的能级。当这两个个电子占据相同的能级。当这两个原子的距离足够近时,它们的原子的距离足够近时,它们的2s轨道的电子轨道的电子就会相互作用,以致不能再维持在相同的能就会相互作用,以致不能再维持在相同的能级。当固体中有级。当固体中有N个原子,这个原子,这N个原子的个原子的2s轨道的电子都会相互影响。这时就必须出现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个不同的分立能级来安排所有这些2s轨道轨道的电子(这些电子共有的电子(这些电子共有2N个)。个)。2s轨道的轨道的N个分立的能级组合在一起,成为个分立的能级组合在一起,成为2s的能带。的能带。4图
3、电子数量增加时能级扩展成能带图电子数量增加时能级扩展成能带 5图钠的能带结构 导带导带 禁带禁带 6由于钠只有由于钠只有1个个3s电子,所以在电子,所以在3s价带上,价带上,只有一半的能级被电子所占据。自然,这些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,被电子占据的能级应该是能量较低的能级,而而3s价带中能量较高的处于上方的能级很少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没有电子
4、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。上失去了电子,产生了相同数量的空穴。7图能带中电子随温度升高而进行能级跃迁图能带中电子随温度升高而进行能级跃迁(a)绝对零度时绝对零度时,所有外层电子占据低的能级所有外层电子占据低的能级;(b)温度升高温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级部分电子被激发到原未被填充的能级 8镁原子的核外电子结构为镁原
5、子的核外电子结构为1s22s22p63s2。像。像镁这样的周期表镁这样的周期表A族元素的最外层族元素的最外层3s轨道轨道有有2个电子,所以按理说它的个电子,所以按理说它的3s能带就会被能带就会被电子全部占满。电子全部占满。但是,由于固体镁的但是,由于固体镁的3p能带与能带与3s能带有重叠,能带有重叠,这种重叠使得电子能够激发到这种重叠使得电子能够激发到3s和和3p的重叠的重叠能带里的高能级,所以镁具有导电性。能带里的高能级,所以镁具有导电性。9能带重叠现象能带重叠现象 图镁的能带结构图镁的能带结构 10从钪到镍的过渡族金属中,未被电子充满的从钪到镍的过渡族金属中,未被电子充满的3d能带和能带和
6、4s能带发生重叠。这种重叠使得能带发生重叠。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。铜中的内层够理想。但铜是一个例外。铜中的内层3d能能带已经被电子充满,这些电子被原子紧紧束带已经被电子充满,这些电子被原子紧紧束缚,不能与缚,不能与4s能带相互作用。由于铜中的能带相互作用。由于铜中的3d能带和能带和4s能带之间基本没有相互作用,能带之间基本没有相互作用,所以铜的导电性非常好。银和金的情况与铜所以铜的导电性非常好。银和金的情况与铜类似。类似。11周期
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