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电磁场与物质的相互作用，
上一小节我们讲了作为信息载体的电磁场，
这一小节我们开始讲物质
物质定义有广义狭义两种。
广义定义是指一切自然存在，
狭义定义是构成宇宙万物的实物、场等客观事物。
物质存在的空间形式有两种：
一种是实体性物质，像气、液、固态物体等，
另一种是能量性场物质，
像电场、磁场、引力场、电磁场等。
我们这里讨论与电磁场相互作用的“物质”
仅限于第一种实体性物质
自然界中的实体性物质结构复杂多样，
不同的学科有不同的分类方法
在物理学中，物质可以分为固态、液态、气态和等离子态。
固、液、气三态是我们所熟知的，
所谓的等离子态是物质的第四态，
一般并不为常人所知
实际上宇宙空间里大部分物质的存在状态都是等离子态，
地球上的很多现象也和等离子态相关，
比如闪电、极光、还有平时我们用的霓虹灯等
我们前面提到的电离层，实际上就是一层等离子态的物质
前面还提到过，电磁波借以传播的物质叫做电磁波的介质，
介质的成分、形状、密度、运动状态，
决定了电磁波传输的方向和波长
另一方面，介质中电荷载体与电磁场的相互作用
是所有电子、光电子器件的基础
一般情况下，可以制成器件的电磁波的介质材料是固态的。
固体材料往往是由大量原子或分子组成的，
每个立方厘米中大约有10的23次方个原子或者分子。
如此巨大数目的原子/分子以一定的方式排列，
原子/分子排列的方式称为固体的结构
固态材料依照原子/分子排列的规则程度可分为晶体和非晶体
晶体内原子/分子是严格有序地按照一定方式重复排列的，
所以，晶体具有规则的几何外形、固定的熔点、
晶面角守恒、物理性质的各向异性等基本特征
晶体还可以分为单晶与多晶
我们这个学科用于器件研究的材料目前基本上都是晶体，
半导体材料就是最典型的晶体
这里给大家看两种最常用的半导体的晶体结构
个是金刚石结构，一个是闪锌的结构。
金刚石结构是最重要的半导体
硅（Si）和锗（Ge）的晶体结构，
而闪锌矿结构是光电子器件的材料
InP（磷化铟）和GaAs（砷化镓）的基本晶体结构
晶体中原子/分子的排布方式将直接决定材料的能带结构，
从而决定了这种材料的光、电、磁的性质
下面讲一下晶体中的能带。
要理解能带的概念，首先看一下原子的构成
我们知道，原子是由原子核和围绕原子核运动的电子组成的
原子核中有质子和中子。这是硅原子的模型。
最外面的四个电子称为价电子
要描述原子中电子的运动规律要用到量子力学中波函数的概念
电子的运动状态，可以用波函数来描述，
这个波函数是由电子所处的势能环境决定的
独立原子中电子只受一个原子核中心势场的吸引，
所允许的电子的能量状态是分壳层和次壳层排列的
这些壳层称为能级
我们在中学化学中应该学到，
有1s、2s2p、3s3p3d等等
根据泡利不相容原理，每个能级上只能填充两个自旋相反的电子
与独立的原子不同，
晶体中的外层电子是在周期性分布的势场中运动。
当一个个独立的原子聚集形成晶体时
每一个独立的能级就变成了能带
为了理解这个过程，我们先考虑两个原子的情况
当两个原子距离很远时，他们之间相互影响可以忽略。
每个原子中电子的能级与单独原子时的情况相同。
当这两个原子逐渐靠近时，
它们的电子波函数将逐渐重叠
这时，作为一个系统，
泡利不相容原理不允许一个量子态上
有两个完全相同状态的电子。
于是，原来孤立状态下的每个能级将一分为二
更多的原子聚集在一起时，也是一样的，
原来独立原子的能级将分裂成更多的能级，
分裂出的能级数等于聚集的原子的数目
比如四个原子聚集时，原来的能级一分为四
由于能级分裂后的总宽度取决于原子的间距，
这基本是一个定值，
不因原子的聚集数的多少而有太大的改变
而实际晶体中原子的数目非常大，
在有限的总宽度中分裂出非常多的能级必然导致能级的间隔非常小
以至于可以认为分裂后的能级形成一能量近似连续的区域，
这样的一个能量区域就称为一个能带，或者称为允带，
也就是说电子允许存在的能量状态
这些能量区域之外的间隔是电子不允许存在的能量状态
我们称能量区域之外的地带被称为禁带
实际晶体中的电子运动状态都可以用能带理论来描述
最外层的能带称为“导带”，
次外层的能带称为“价带”。
根据能带理论，充满电子的能带不导电，
只有部分填充的能带可以导电
可以看到，导体的外层能带是部分填充的能带，
而绝缘体最外层的能带是被全部填满的
那么半导体的能带是怎么样的呢
半导体的能带结构在绝对零度时和绝缘体的十分类似
——最外层的能带是被全部填满的
但是，所不同的是半导体的禁带宽度比较小。
我们一般是在室温下研究问题，
所以只要温度高于绝对零度，
意味着电子会有热运动的能量，
这个能量就会使半导体中一部分满带里的电子
被热激发到更外层的能带上去
这时，最外层的能带里有了被激发的电子，成为部分填充的能带
而原来是满带的价带里的一些电子
被激发后留下了带正电荷的“空位”，
我们称之为“空穴”
这些空穴也成为了导电的重要角色，
而价带也变成不完全填充的能带
这时半导体中最外层能带（导带）和次外层能带（价带）
都具有导电的特性
与金属材料不同，半导体导电和金属材料非常不一样。
金属中参与导电的只有电子，
而半导体中影响其电特性的除了电子外，还有空穴
原则上来说，禁带宽度远大于2eV，
即使在常温，或者更高的温度下
也不具有导电特性的材料称为绝缘体
而那些禁带宽度不大，小于2eV，
由于热激发造成在室温下产生准自由电子、空穴
而具有导电能力的一类材料称为半导体
当然最近一些新的材料的研究，
一些禁带宽度大于2ev的材料
也具有非常好的半导体特性，
我们称之为宽禁带半导体
半导体材料是最重要的电磁场介质之一，
也是支撑我们学科器件的基础材料
前面讲到的导体、绝缘体、半导体都是天然的晶体。
目前随着纳米科技的发展，
人们纳米加工的能力越来越强，
使得各种结构的纳米材料成为可能
人们可以不再依赖于自然界赋予我们的有限的材料，
可以随心所欲地制造材料，
来实现我们所需要的特性
代表性的纳米结构有光子晶体，碳纳米管、纳米线、量子点等
那么基于纳米结构，
我们可以制作出具有天然材料所不具备的
新功能的纳米器件
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 电磁学和分析数学发展史：磁学
-第三节 电磁学与分析数学发展史：静电
-第四节 电磁学和分析数学发展史：动电
-第五节 电子器件的发明及电子技术的发展
-第六节 电磁学的广泛应用
-第七节 电磁系统理论
-第八节 电子科学技术各学科间的关系
-第九节 电子科学技术的学科体系
-第一讲：电磁学与分析数学史概览--第一次作业
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 电磁场（一）
-第三节 电磁场（二）
-第四节 物质
--第四节 物质
-第五节 电磁场与物质的相互作用：非共振作用
-第六节 电磁场与物质的相互作用：共振作用
-第七节 电磁场理论与电路理论
-第一节 空间离散化
-第二节 静场电路分析
-第三节 非静场电路抽象
-第三讲：电路抽象--电路抽象 练习题
-第四节 电路元件抽象
-第五节 非线性元件抽象
-第六节 电路抽象三原则
-第七节 分层抽象思想
-第八节 电路基本问题
-第九节 数字化抽象
-第三讲：电路抽象--Quiz 3
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 什么是比特
-第三节 比特与编码
-第四节 比特与信息
-第五节 比特的用途示例
-第六节 什么是逻辑
-第七节 逻辑的用途示例
-第八节 与数字电路的关系
-第九节 小结
--第九节 小结
-第四讲：比特与逻辑--Quiz4
-第一节：从算盘到ENIAC
-第二节：通用计算机模型
-第三节：指令集体系结构
-第四节：程序和程序设计语言
-第五节：处理器的工作原理
-第六节：性能问题
--第六节：性能问题
-第七节：小结
--第七节：小结
-第一节：数据与数据处理技术的发展
-第二节：数据处理举例
-第三节：数据模型和算法的概念
-第四节：问题的抽象和建模
-第五节：数值分析问题研究
-第六节：数据和算法的关系I
-第七节：数据和算法的关系II
-第八节：大数据
--第八节：大数据
-第九节：数据挖掘技术和数据算法的展望
-第六讲：数据与算法--Quiz6
-第一节：基本内容简介
-第二节：信息的基本概念和传输的几种方式
-第三节：交换的概念和网络的几种形式
-第四节：模拟与数字通信
-第五节：调制和解调
-第六节：传输涉及的基本理论
-第七节：信息论和几种相关的编码方式
-第八节：多址方式
--第八节：多址方式
-第九节：交换的基本概念
-第十节：网络分层的基本概念
-第十一节：互联网的基本原理和有限状态机模型
-第七讲：通讯与网络--Quiz7
-第一讲：内容简介
--第一讲：内容简介
-第二讲：信息与媒体
-第三讲：人类感知与认知
-第四讲：智能信息处理
-第五讲：媒体与认知相互作用
-第六讲：媒体认知应用
-第七讲：总结
--第七讲：总结
-第八讲：媒体与认知--Quiz8
-期末考试--Final Exam
