導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體

1、6.7 導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)及電子的填充情況可以說明為什么晶體可以區(qū)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體，這是能帶理論的巨大成就。1由于是的周期函數(shù)布里淵區(qū)中空出的部分與離開的部分相同整個能帶中電子分布情況實(shí)際上沒有變化因此滿帶在電場作用下不導(dǎo)電結(jié)論6.7.1 能帶的填充與導(dǎo)電性2如果能帶不滿，只有部分狀態(tài)被電子占據(jù)，則在電場作用下，整個電子分布向電場反方向移動，如下圖，這時沿電場正、反方向運(yùn)動的電子數(shù)不相等，破壞了原來的對稱分布，總的電流不為零，所以不滿帶可以導(dǎo)電。P125-圖6.11 電場作用下不滿帶中的電子分布示意圖 EEKKKKVV3排了電子但未排滿的稱為未(不)滿帶未排電子的稱為空帶

2、。兩個能帶之間的禁帶是不能排電子的。1滿帶不導(dǎo)電2不滿能帶才有導(dǎo)電性46.7.2 電子與空穴 只有不滿的能帶才有導(dǎo)電的功能，其電流的載流子自然是電子。但當(dāng)一個能帶只含有少量的空狀態(tài)而大部分狀態(tài)被電子占據(jù)時，我們稱這些空狀態(tài)為空穴。為描述這種近滿能帶的導(dǎo)電性，通常不用其中的大量電子而用少量的空穴，可以使問題大為簡化也更為直觀。5可以證明，缺少一個電子的能帶所產(chǎn)生的電流與一個帶正電荷的載流子以速度 運(yùn)動時所產(chǎn)生的電流相同。這樣，缺少一個電子的能帶其所有2N-1個電子對電流的貢獻(xiàn)便可以歸結(jié)為一個帶正電荷e的空穴的貢獻(xiàn)?？梢园芽昭闯删哂姓行з|(zhì)量 的準(zhǔn)粒子。因此，晶體中的載流子除電子外還可以有空穴，

3、既可以單獨(dú)存在也可以同時存在。66.7.3導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)分既然滿帶電子不導(dǎo)電只有不滿帶電子才有導(dǎo)電性，所以根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)及其填充情況就可以判斷晶體是否為導(dǎo)體。當(dāng)原子結(jié)合成晶體后，原子的內(nèi)層滿殼層電子將填滿相應(yīng)的一系列能帶，這些電子的數(shù)量雖然很大，但不參與導(dǎo)電，只須考慮外層價(jià)電子的能帶填充情況就可以判斷晶體的導(dǎo)電性。71 能量最高的滿帶與最低的空帶有重疊，結(jié)果兩個能帶都不滿，晶體仍是導(dǎo)體。 2 能量最高的滿帶與最低的空帶沒有重疊，被禁帶分開，這種晶體是絕緣體或半導(dǎo)體。8導(dǎo)體，在外電場的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動形成電流。絕緣體：在外電場的作用下，共有化電子很難接受外

4、電場的能量，所以形不成電流。從能級圖上來看，是因?yàn)闈M帶與空帶之間有一個較寬的禁帶（Eg 約36 eV），共有化電子很難從低能級（滿帶）躍遷到高能級（空帶）上去。半導(dǎo)體：的能帶結(jié)構(gòu),滿帶與空帶之間也是禁帶， 但是禁帶很窄（E g 約3 eV以下 )。9稱最高的滿帶為價(jià)帶，最低的空帶為導(dǎo)帶。電子可以從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，導(dǎo)帶中出現(xiàn)電子，空穴和電子都參與導(dǎo)電成為載流子。10P127圖6.12導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體的能帶模型 導(dǎo)體A 半導(dǎo)體B 絕緣體C EF EF Eg 價(jià)帶導(dǎo)帶最高的滿帶最低的空帶導(dǎo)帶價(jià)帶滿帶部分填充能帶11導(dǎo)體與半導(dǎo)體的區(qū)別在金屬導(dǎo)體中，載流子一般為電子，一般載流子的濃度

5、n是確定的與溫度無關(guān)。 而在半導(dǎo)體中，在絕對零度下沒有載流子，只有在T0時，由于熱激發(fā)，導(dǎo)帶中才有電子，同時價(jià)帶中出現(xiàn)空穴，所以載流子的濃度n與溫度密切相關(guān)，一般隨T按指數(shù)規(guī)律變化12金屬電阻率隨T上升而增大 總的說來，導(dǎo)體與半導(dǎo)體的區(qū)別最關(guān)鍵的因素是能帶結(jié)構(gòu)不同。 T金屬半導(dǎo)體電阻率半導(dǎo)體的電阻率即溫度上升而下降136.8 能帶理論的主要成就 一 能帶理論的主要成就：1指出晶體中電子的能譜分成許多能帶。晶體的性質(zhì)決定于其能帶結(jié)構(gòu)及電子的填充情況，這就為理解晶體的各種物理性質(zhì)提供理論基礎(chǔ)。2根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)及電子的填充情況可區(qū)分晶體的導(dǎo)電性質(zhì)，說明為什么可以區(qū)分導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體。3現(xiàn)有的半導(dǎo)體

6、材料與器件是在能帶理論的基礎(chǔ)上建立與發(fā)展的，所取得的成就有目共睹 14二 能帶理論的局限性 不能解釋超導(dǎo)，鐵磁性等，即使在判斷晶體是否是導(dǎo)體時，也不是所有情況下都是正確的，在一些過渡金屬的氧化物，如Mn2+O2-,Fe2+O2-,Co2+O2-,Ni2+O2-其中：Mn2+， 3d5;Fe2+ , 3d6;Co2+ 3d7;Ni2+, 3d8 ;O2-, 2p6它們的晶體結(jié)構(gòu)都是NaCl結(jié)構(gòu)，過渡金屬離子的3d能帶是不滿的，O2-的2p能帶是填滿的，按能帶理論，這些氧化物應(yīng)該是導(dǎo)體，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它們是絕緣體（或半導(dǎo)體），但對于Ti2+O2-和V2+O2-，Ti2+（3d2），V2+（3d3），3

7、d帶不滿，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是導(dǎo)體，與能帶理論的結(jié)論一致。可見，根據(jù)能帶是否填滿不足以正確判斷這類氧化物的導(dǎo)電性，對于更復(fù)雜的過渡金屬氧化物和其它化合物也有類似的情況，這說明能帶理論是有局限性的。15局限性的原因能帶理論是在單電子近似的基礎(chǔ)上建立的，只考慮電子受晶格周期場的作用，忽略了電子間的相互作用，由于電子間存在相互作用，即使考慮屏蔽效應(yīng)，亦不能完全認(rèn)為是互相獨(dú)立的，實(shí)際上是互相關(guān)聯(lián)的，即一個電子的狀態(tài)必然受到其它電子的影響。這種效應(yīng)稱為關(guān)聯(lián)作用（實(shí)際上指電子間存在相互作用） ，能帶理論局限性是由于忽略了電子間關(guān)聯(lián)作用所造成的 16一、能帶的填充類型能帶中的量子態(tài)完全不被占據(jù)而為空時完全被占據(jù)時部分被占據(jù)時不滿帶或未滿帶空帶滿帶最高的滿帶稱價(jià)帶最低的空帶或未滿帶稱導(dǎo)帶175畫圖說明導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體能帶結(jié)構(gòu)的基本特征解：在導(dǎo)體中，除去完全充滿的一系列能帶外，還有只是部分地被電子填充的能帶，后者可以起導(dǎo)電作用，稱為導(dǎo)帶。在半導(dǎo)體中，由于能量最高的滿帶與上面的空帶沒有重疊,但禁帶寬度Eg小,存在一定的雜質(zhì)，或由于熱激發(fā)使導(dǎo)帶中存有少數(shù)電子，或滿帶中缺了少數(shù)電子，從而導(dǎo)致一定的導(dǎo)電性。在絕緣體中，電子恰好填滿了最低的一系列能帶，再高的各帶全部都是空的，所有被電子