半导体物理基础分析
电子电路分析与设计-半导体器件及其基本应用第三版教学设计
电子电路分析与设计-半导体器件及其基本应用第三版教学设计一、教学目标本次课程教学旨在使学生理解半导体器件的基本工作原理、常用类型、主要特性参数和基本应用，以及掌握半导体器件的基础电路计算方法和应用技巧，为后续电路设计与分析课程打下基础。
二、教学内容1. 半导体物理基础1.1 常见的半导体材料和性质分析1.2 PN结的基本构成、硅PN结的特性及其工作原理1.3 热平衡状态下PN结结电容、逆向击穿及其应用1.4 光电二极管和光敏电阻的基本原理及其应用2. 半导体二极管及其应用2.1 硅PN结二极管的基本特性参数、符号标志和重要性能指标2.2 压敏二极管、稳压二极管和二极管电路的设计和分析2.3 高频二极管应用技术、振荡器和测量仪器中的应用3. 半导体三极管及其应用3.1 NPN和PNP三极管的基本结构和性质分析3.2 放大三极管和稳压三极管的工作原理和应用技巧3.3 交流工作状态下的三极管单管和共射/共基/共集放大电路分析4. 可控硅和场效应晶体管4.1 可控硅的基本原理、结构和性能参数分析4.2 可控硅的应用:触发电路和直流控制电路4.3 动态场效应晶体管和MOSFET的特性、工作原理及其应用技巧5. 电路计算和分析5.1 半导体器件的基本电路计算方法和步骤5.2 基于器件的实际参数，设计和计算半导体电路的基本原理和技巧5.3 通过电路仿真软件验证理论设计的正确性和实用性三、教学方法本课程采用网络课堂教学的方式，学生通过在线观看视频，完成在线测验和互动交流，深入理解课程核心内容的基本原理和实践操作技巧。
四、教学资源本课程的主要教学资源包括以下内容：1.讲授视频:通过网络课堂教学平台提供，供学生随时观看和复习。
2.电子教材:根据教学大纲编写的电子教材，方便学生随时查阅和学习。
3.实验器材和电路仿真软件:为学生提供必要的实验器材和电路仿真软件，帮助学生深入理解半导体器件的工作原理和应用技巧。
4.课后作业:通过网络课堂教学平台提交，检验学生对课程内容的理解和应用能力。
半导体物理学中的半导体能带理论与能带间隙分析
半导体物理学中的半导体能带理论与能带间隙分析半导体能带理论是半导体物理学的基础，它是理解半导体行为和特性的重要理论模型。
半导体能带理论将电子在半导体中的运动和能量分布描述为围绕原子核的能带结构。
在能带理论中，半导体的电子由两个主要的能带组成，即价带和导带。
价带中的电子处于较低能量状态，不参与电流传导；而导带中的电子能量较高，可以导致电流流动。
能带之间的能量差称为能带间隙。
半导体能带理论的发展可以追溯到20世纪中叶，此前，人们对于材料中电子行为的理解仅仅局限于金属和绝缘体的行为。
通过实验观察到的现象和理论推导，科学家们开始认识到，半导体具有介于金属和绝缘体之间的特性。
他们发现，在某些特殊的材料中，电子的行为与能量与电路中电流的行为有着密切的关系。
半导体能带理论的核心概念是“带隙”或“能带间隙”。
在半导体中，价带和导带之间的能量差距被称为能带间隙。
这个能带间隙决定了半导体的导电性能以及其他许多特性。
能带间隙大小与材料的种类密切相关。
一般来说，带隙较小的半导体在室温下更容易导电，而带隙较大的半导体则需要更高的能量激发才能导电。
能带理论还解释了半导体中电子行为的一些重要特性。
例如，材料中的电子处于能带中的不同态，在外加电场或热激发等作用下，电子可以跃迁自价带到导带，形成电流。
此外，能带理论还解释了半导体中的禁带掺杂。
掺杂是指向半导体中引入一些杂质，以改变其导电性能。
半导体通过掺杂可以增加其导电性能，例如从n 型半导体变为p型半导体。
能带理论的发展不仅为半导体物理学提供了基本的理论基础，也为半导体器件的设计和制造提供了重要的指导作用。
半导体器件例如晶体管、二极管和光电二极管等都是基于半导体能带理论的原理工作的。
在设计和制造这些器件时，能带理论不仅可以提供有关器件特性和性能的重要信息，还可以指导材料选择和结构优化，从而获得更好的器件性能。
值得一提的是，尽管半导体能带理论已经广泛应用于半导体物理学和器件工程中，但这并不意味着它是完美的。
半导体物理-第1章-半导体中的电子态
金刚石结构的(111) 面层包含了套构的原 子，形成了双原子层 的A层。以双原子层的 形式按ABCABC层排 列
金刚石结构的[100]面的投 影。0和1/2表示面心立方 晶格上的原子，1/4，3/4 表示沿晶体对角线位移1/4 的另一个面心立方晶格上的 原子。
2.每个原子最外层价电子为一个s态电子和三个p态电 子。在与相邻四个原子结合时，四个共用的电子对完全 等价，难以区分出s与p态电子，因而人们提出了“杂 化轨道”的概念：一个s和三个p轨道形成了能量相同 的sp3杂化轨道。之间的夹角均为109°28 ’。
3. 结晶学元胞为立方对 称的晶胞，可看作是两 个面心立方晶胞沿立方 体的空间对角线互相位 移了1/4对角线长度套 构而成。
Ψ(r,t) = Aexp[i2π(k ·r – v t)]
(3)
其中k 为波矢，大小等于波长倒数1/λ ，方
向与波面法线平行，即波的传播方向。得
能量：E = hν
动量：p = hk
（4） （5）
对自由电子，势能为零，故薛定谔方程为：
2
2m0
d 2 (x)
dx2
E (x)
(6)
由于无边界条件限制，故k取值可连续变化。即：与经 典物理（粒子性）得出相同结论。
能带形成的另一种情况
硅、锗外壳层有4个价电子，形成晶体时，产生SP杂化 轨道。原子间可能先进行轨道杂化（形成成键态和反键 态），再分裂成能带。
原子能级
反成键态
成键态
半导体（硅、锗）能带的特点
存在轨道杂化，失去能带与孤立原子能级的对应关系。 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。
半导体物理学中载流子的输运特性分析
半导体物理学中载流子的输运特性分析半导体物理学是研究半导体材料中电荷载流子的性质和运动的学科。
对于这些半导体材料电流输送特性的研究，对于现代电子设备和信息技术的发展起着至关重要的作用。
本文将探讨半导体物理学中载流子的输运特性分析。
一、载流子的定义和类型在半导体物理学中，载流子是指携带电荷的粒子，它们在半导体材料中负责电流的输送。
根据带电荷性质的不同，载流子分为正电荷的空穴和负电荷的电子。
空穴是电子跳出离子晶格位置后在其原处留下的带正电荷的空位，而电子则是负电荷的粒子。
二、载流子的产生和输运载流子的产生主要通过固体材料的激发过程来实现。
当外界施加电场、光照或温度变化等激励时，电子会从价带跃迁到导带形成电子-空穴对。
这些电子和空穴会受到电场力的作用向着电场方向运动，从而形成了电流。
在半导体中，电子由于能级差距小，其导电性能强于绝缘体材料。
三、载流子的输运特性在半导体材料中，载流子的输运特性决定了材料的电导率和电流的传输效率。
其中，电流主要通过两种方式传输：漂移和扩散。
1. 漂移：漂移是指由于外加电场的作用，携带电荷的载流子在晶体中受到电场力的驱动而移动。
漂移速度与电场强度成正比，与载流子迁移率成正比。
而载流子的迁移率受到材料中杂质、晶格缺陷等因素的影响。
因此，提高半导体材料的纯度和结晶度可以提高载流子的迁移率，进而提高电导率。
2. 扩散：扩散是指由于载流子浓度差异引起的材料中的载流子传输。
当载流子浓度不均匀时，通过自由运动的载流子将会发生扩散，以实现浓度均匀分布。
扩散速度与浓度梯度成正比，与扩散系数成正比。
扩散系数受到温度、材料的缺陷和掺杂等因素的影响。
四、载流子输运的限制因素在实际的半导体器件中，载流子的输运过程会受到一些因素的限制，主要包括散射、载流子密度限制和表面反射等。
1. 散射：散射是指载流子在晶体中与杂质、晶格缺陷或声子等相互作用后改变原始运动状态的过程。
散射会使得载流子的迁移率降低，影响载流子的输运效率。
半导体物理与器件第六章1剖析
•
直接复合：
Ec
间接复合：
•
Et
Ec
°
Ev
°
Ev
表面复合 按复合发生的位置分 体内复合 辐射复合 按放出能量的形式分 无辐射复合 如：发射光子 （发光） 发射声子
（发热）
如：俄歇复合
G：载流子的产生率，单位时间，
单位体积内产生的导带电子或价 带空穴数。个/cm-3
R：电子一空穴对的复合率，单
位时间，单位体积内复合消失的 导带电子和价带空穴数。个/cm-3
Ev
①非简并情况下各过程的俘获或发射载流子的情况
过程1：定义单位时间、单位体积，复合中心Et 从导带俘 获的电子数为电子俘获率。
电子的俘获率取决于：
导带的电子浓度→n 复合中心上的空态→Nt-nt
Et的电子俘获率：
Rcn n( Nt nt ) Cn n( Nt nt )
Cn为比例系数，称为电子俘获截面系数
热产生：热激发产生载流子，如:导带与价带之间直接 热产生（产生电子空穴对），杂质电离产生（电子或 空穴） 光产生：光照激发产生载流子（产生电子和空穴对） 电注入：外加电压注入载流子（注入电子或空穴）
载流子的复合 按复合过程分为两种：
直接复合：导带与价带之间直接跃迁复合 间接复合：通过禁带中的能级（复合中心）复合
导带电子和价带空穴系统具有统一的费米能级EF
对非简并半导体 n0 p0 N v N c exp(
Eg kT
) ni2
上式为非简并半导体处于热平衡的判据
外界作用（如光照等）可以改变半导体的热平衡 状态，使其处于非平衡状态，载流子浓度比平衡 时多（ 少）一部分，称为非平衡载流子或过剩载 流子
半导体物理第七章总结复习_北邮分析
第七章一、基本概念1.半导体功函数: 半导体的费米能级E F 与真空中静止电子的能量E 0的能量之差。
金属功函数：金属的费米能级E F 与真空中静止电子的能量E 0的能量之差2.电子亲和能: 要使半导体导带底的电子逸出体外所需的最小能量。
3. 金属-半导体功函数差o: (E F )s-(E F )m=Wm-Ws4. 半导体与金属平衡接触平衡电势差: q W W V sm D -=5.半导体表面空间电荷区 : 由于半导体中自由电荷密度的限制，正电荷分布在表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区。
表面空间电荷区=阻挡层=势垒层6.电子阻挡层：金属功函数大于N 型半导体功函数（Wm>Ws ）的MS 接触中，电子从半导体表面逸出到金属，分布在金属表层，金属表面带负电。
半导体表面出现电离施主，分布在一定厚度表面层内，半导体表面带正电。
电场从半导体指向金属。
取半导体内电位为参考，从半导体内到表面，能带向上弯曲，即形成表面势垒，在势垒区，空间电荷主要有带正电的施主离子组成，电子浓度比体内小得多，因此是是一个高阻区域，称为阻挡层。
【电子从功函数小的地方流向功函数大的地方】7.电子反阻挡层：金属功函数小于N 型半导体功函数（Wm<Ws ）的MS 接触,电子从金属流向半导体,半导体表面带负电,金属表面带正电,电场方向指向半导体。
从半导体内到表面，能带下弯曲，半导体表面电子浓度比体内高（N 型反阻挡层）。
8.半导体表面势垒(肖特基势垒)高度:s m s D W W qV qV -=-=9.表面势垒宽度：10.半导体表面势: 取半导体体内为参考电位，半导体表面的势能Vs 。
11 .表面态: 在半导体表面处的禁带中存在着表面态，对应的能级称为表面能级。
表面态一般分为施主型和受主型两种。
若能级被电子占据时呈中性，施放电子后呈正电性，成为施主型表面态；若能级空着的时候为电中性，接收电子后带负电，则成为受主型表面态。
完整word版,半导体物理实验——晶体结构构建、仿真与分析
实验报告
一、实验目的和任务
1.熟悉典型半导体晶体结构，掌握Material Studio软件构建晶体结构；
2.理解晶体电子结构，使用Material Studio进行晶体电子结构仿真与分析。
二、实验原理
晶体的主要特点是原子的排列是长程有序的，或者说原子的排列具有周期性。
因此整个晶体可以看做是由构成晶体的基本的结构单元（单个原子、多个原子、离子、分子或者某些基团等）沿三个不同的方向周期性地重复堆积的结果。
这些“构成晶体的基本结构单元”简称为基元。
空间点阵学说认为晶体的内部结构可以概括为一些相同的阵点在空间有规则地做周期性的无限分布。
阵点就是基元的代表点。
每个基元的代表点，必须选择在基元中的同类原子上，也可以选择在基元的重心上。
图 1.1
三、实验设备
硬件设备：电脑，软件：Material Studio 7.0。
基于密度泛函平面波赝势方法的Material Studio 的CASTEP包可以对许多体系包括象半导体、陶瓷、金属、矿石、沸石等进行第一原理量子力学计算。
典型的功能包括研究表面化学、带结构、态密度、和光学性质。
它也能够研究体系电荷密度的空间分布和体系波函数。
CASTEP 还可以用来计算晶体的弹性模量和相关的机械性能，如泊松系数等。
CASTEP中的过度态搜索工具提供了研究气相或者材料表面化学反应的技术。
物理半导体教案设计
一、教案设计概述1. 教学目标：(1) 让学生了解半导体的基本概念及其在生活中的应用。
(2) 让学生掌握半导体的导电性能及其影响因素。
(3) 培养学生动手实验、观察、分析问题的能力。
2. 教学内容：(1) 半导体的概念及其分类。
(2) 半导体的导电性能及其影响因素。
(3) 半导体在生活中的应用实例。
(4) 简单半导体器件的工作原理。
3. 教学方法：(1) 采用讲授法讲解半导体的基本概念、分类及其导电性能。
(2) 采用实验法让学生观察半导体导电性能的变化。
(3) 采用案例分析法分析半导体在生活中的应用实例。
(4) 采用小组讨论法让学生探讨简单半导体器件的工作原理。
二、教学准备1. 教材：半导体物理教程。
2. 实验器材：半导体器件、导线、电源、灯泡等。
3. 课件：半导体物理性质、应用实例、器件工作原理等。
三、教学过程1. 导入：通过展示半导体器件在生活中应用的图片，引发学生对半导体的好奇心，激发学习兴趣。
2. 讲解：(1) 讲解半导体的基本概念及其分类。
(2) 讲解半导体的导电性能及其影响因素。
(3) 讲解半导体在生活中应用的实例。
3. 实验：让学生动手进行半导体导电性能实验，观察并记录实验现象。
4. 总结：对半导体的基本概念、导电性能及其应用进行总结。
四、作业布置1. 复习半导体物理性质及其导电性能。
2. 分析生活中的半导体应用实例。
五、教学反思本节课通过讲解、实验、总结的形式，使学生了解了半导体的基本概念、导电性能及其应用。
在教学过程中，要注意引导学生观察实验现象，培养学生的动手实验能力。
通过案例分析法让学生了解半导体在生活中的应用，提高学生的学习兴趣。
在下一节课中，将继续讲解半导体器件的工作原理，培养学生分析问题的能力。
六、教学拓展1. 讲解半导体器件的工作原理。
(1) 讲解二极管、三极管等基本半导体器件的工作原理。
(2) 分析半导体器件在电子电路中的应用。
2. 案例分析：分析半导体器件在现代通信、计算机、家用电器等领域的应用实例。
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半导体物理基础
一．半导体中的电子状态 二．半导体中杂质和缺陷能级 三．半导体中载流子的统计分布 四．半导体的导电性 五．非平衡载流子 六．pn结
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半导体物理基础
微电子学简介:
固态电子学分支之一
微电子学
光电子学
研究在固体（主要是半导体〕材料上构成 的微小型化器件、电路、及系统的电子学 分支学科
h 2k2 2mn*
u k mn*
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自由电子的速度
▪ 微观粒子具有波粒二象性
p m0u
p2 E
2m0
(r, t) Aei(Krt)
p K
E hv
u k m0
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半导体中电子的加速度
▪ 半导体中电子在一强度为 E的外加电场作用 下，外力对电子做功为电子能量的变化
▪ 微观粒子具有波粒二象性
p m0u
p2 E
2m0
(r, t) Aei(Krt)
p K
E hv
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半导体中电子的运动
▪ 薛定谔方程及其解的形式
V (x) V (x sV (x)(x)
E(x)
k (x) uk (x)eikx
布洛赫波函数
uk (x) uk (x na)
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半导体物理基础
微电子学研究领域
•半导体器件物理 •集成电路工艺 •集成电路设计和测试
微电子学发展的特点
向高集成度、低功耗、 高性能高可靠性电路方 向发展
与其它学科互相渗透， 形成新的学科领域： 光电集成、MEMS、生 物芯片
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半导体及其基本特性
什么是半导体？ 固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
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半导体物理基础
一．半导体中的电子状态 二．半导体中杂质和缺陷能级 三．半导体中载流子的统计分布 四．半导体的导电性 五．非平衡载流子 六．pn结 七．金属和半导体的接触 八．半导体表面与MIS结构
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半导体的纯度和结构
▪ 纯度
➢ 极高，杂质<1013cm-3
有效质量的意义
▪ 自由电子只受外力作用；半导体中的电子 不仅受到外力的作用，同时还受半导体内 部势场的作用
金刚石结构
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金刚石晶体结构
半 导 体 有: 元 素 半 导 体 如Si、Ge
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闪锌矿晶体结构
金刚石型
闪锌矿型
半 导 体 有: 化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS
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练习
1、单胞是基本的、不唯一的单元。（ ） 2、按半导体结构来分，应用最为广泛的是 （ ）。 3、写出三种立方单胞的名称，并分别计算 单胞中所含的原子数。 4、计算金刚石型单胞中的原子数。
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原子的能级的分裂
▪ 原子能级分裂为能带
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Si的能带 （价带、导带和带隙〕
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半导体的能带结构
导带 Eg
价带
价带：0K条件下被电子填充的能量的能带 导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
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自由电子的运动
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....
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半导体中E（K）与K的关系
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E(0)
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固体材料的能带图
固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
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半导体、绝缘体和导体
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半导体的能带
▪ 本征激发
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练习
1、什么是共有化运动？
2、画出Si原子结构图（画出s态和p态并注明该能 级层上的电子数）
3、电子所处能级越低越稳定。
（）
4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子，他们 在某处出现的几率是恒定不变的。 （ ）
5、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中 的差别。
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半导体中E（K）与K的关系
▪ 在导带底部，波数 k 0，附近 k 值很小， 将 E(k) 在 k 0 附近泰勒展开
E(k
)
E(0)
(
dE dk
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dE fds fudt
dk dE f dE dt
f dk
dk
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a
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1
d dt
(dE ) dk
1
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f d2E 2 dk 2
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半导体中电子的加速度
令
1 mn*
1
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即 mn* d 2E
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dk 2
a
mn*
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▪ 结构
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晶体结构
▪ 单胞
➢ 对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的 最小单元
注：（a）单胞无需是唯一的
（ b）单胞无需是基本的
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晶体结构
▪ 三维立方单胞
➢ 简立方、
体心立方、
面立方
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金刚石晶体结构
原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 构成一个正四 面体，具有 金 刚 石 晶 体 结 构
自由电子的能量
▪ 微观粒子具有波粒二象性
p m0u
p2 E
2m0
(r, t) Aei(Krt)
p K
E hv
E 2k2 2m0
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半导体中电子的平均速度
▪ 在周期性势场内，电子的平均速度u可表示 为波包的群速度
u dv E hv u 1 dE
dk
dk
E(k)
E(0)
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半导体物理基础
▪ 教材: • 半导体物理 季振国 浙江大学出版社 ▪ 参考书：
➢ 《半导体物理学》（第八版），刘恩科著， 电子工业出版社
➢ 《半导体物理学基础教程》，冯文修等著， 国防工业出版社
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半导体物理基础
▪ 课程考核办法 :
➢ 本课采用开卷笔试的考核办法。 ➢ 总评成绩构成比例为：平时成绩20%； 课
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▪ 电子壳层
原子的能级
▪ 不同支壳层电子
➢ 1s；2s，2p；3s，2p，3d；…
▪ 共有化运动
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Si原子的能级
▪ 电子的能级是量子化的
n=3 四个电子
n=2 8个电子
+14
n=1
H
2个电子
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原子的能级的分裂
▪ 孤立原子的能级 4个原子能级的分裂