导体、半导体与绝缘体
涨知识了第2讲-金属、半导体、绝缘体
涨知识啦2—导体、半导体和绝缘体
自“涨知识啦”第一讲发布之后，引起了很大的反响，有网友在后台留言说对半导体材料概念不太清楚，不知如何区分，因此，本周小赛将向大家讲解导体、半导体和绝缘体的概念与区别。
固体根据导电性可划分为导体、半导体和绝缘体，其划分和其能带电子填充情况有关。
在形成固体材料前，孤立原子外围电子受原子核势场的影响，在原子能级上规律排布，形成电子轨道。
当原子逐渐靠近形成固体时，原子间电子轨道逐渐交叠，单个电子能级将被分裂成多个电子能级形成能带，原子间距离越近，能级分裂越严重。
从示意图中可以看到，分裂后的能带对应于不同的电子轨道，原子内层电子轨道对应能量低的能带，电子首先填满能量低的能级，被电子填满的能带称为满带或价带，无电子填充的能带称为空带或导带，价带与导带之间无能级分布区域称为禁带。
下图为热力学温度为零时三种材料能带示意图。
绝缘体与半导体形成的能带结构相似，下面是被电子占满的价带，上方是未被电子占据的导带。
当外界温度升高或有光照射时，价带顶的少量电子将会吸收能量越过禁带被激发到无电子占据的空带，导带底部将会有少量电子存在，价带顶同时也留下了电子空位，此时在外加电场下，导带中的电子和价带中的电子空位将同时参与导电，这些价带中的电子空位被称为空穴。
半导体和绝缘体的主要区别是禁带宽度，绝缘体的禁带宽度较大，在一般条件下，能够被激发到导带的电子很少，导电性很差。
而金属能带中价电子占据部分能级，为半满带，因此金属具有较好的导电性能。
（资料来源：半导体物理，刘恩科著）。
导体半导体和绝缘体的能带论解释
导体半导体和绝缘体的能带论解释篇一：嘿，朋友！你知道吗？在神奇的物理世界里，导体、半导体和绝缘体可有着超级有趣的秘密，而能带论就是解开这些秘密的关键钥匙！咱先来说说导体。
你想想看，导体就像是一条畅通无阻的高速公路，电子在上面能自由地奔跑，毫无阻碍。
为啥呢？因为导体的能带结构就决定了这一点！导体的价带和导带是部分重叠的，这意味着电子不需要额外的能量就能轻松地从价带跃迁到导带，然后欢快地流动起来，形成电流。
这难道不神奇吗？就好像你在游乐场里，不需要排队等待，直接就能坐上最刺激的过山车一样！再看看半导体，它就像是一个有点小脾气的家伙。
半导体的价带和导带之间有个能隙，不过这个能隙比较小。
这就像是有一道小门槛，电子要费点劲才能跨过去。
在常温下，只有一小部分电子有足够的能量跨越这个能隙，进入导带参与导电。
这是不是有点像一群小伙伴要翻过一个不太高的墙去探险，只有几个勇敢又有力气的能翻过去？而绝缘体呢，那简直就是一堵高高的围墙！绝缘体的能隙非常大，电子几乎没办法跨越这个巨大的鸿沟。
所以在一般情况下，电流在绝缘体中几乎无法通过，就好像你想翻过一座高耸入云的山峰，那几乎是不可能的事儿！有一次，我和几个物理爱好者朋友一起讨论这个话题。
小李就说：“这导体就像是个热情奔放的舞者，随时都能展现出灵动的舞姿。
”小王接着道：“那半导体岂不是个犹豫不决的孩子，有时候能勇敢地迈出一步，有时候又缩回去了。
”我笑着回应：“哈哈，那绝缘体就是个顽固的老头，把一切都拒之门外！”咱再深入想想，这导体、半导体和绝缘体的能带特性，在我们的日常生活中可有着大用处呢！比如半导体，它被广泛应用在各种电子设备里，像手机、电脑的芯片，不就是利用了半导体的特性嘛！所以啊，通过能带论来理解导体、半导体和绝缘体，就像是打开了一扇通往微观世界的神奇大门。
我们能更清楚地看到物质内部的奥秘，也能更好地利用这些特性来创造更美好的科技生活。
总之，导体、半导体和绝缘体的能带论解释让我们对物质的导电性能有了更深刻的认识，也为我们探索和利用材料的特性提供了有力的理论支持。
导体、半导体和绝缘体的能带论解释
原因是明显的：在4.2节已经指出，周期场的微扰使布里 渊区附近界面内的能量下降，而等能面的凸出正意味着达 到同样的能量E ，需要更大的k 值，当能量E超过边界上A 点的能量EA，一直到E 接近于在顶角C点的能量EC（即达 到第一能带的顶点）时，等能面将不再是完整的闭合面， 而成为分割在各个顶角附近的曲面。
导体含有不满带；只有满带和空带的材料为非 导体，其中禁带宽度大于5eV 的材料为绝缘体， 禁带宽度为约1 至3eV 的材料为半导体。二价的 晶体中，一般只有满带和空带，为非导体；但 是，二价金属材料中，由于最高的满带与最低 的空带发生了交叠，出现了不满带而成为导体。
三、导体、半导体和绝缘体的能带
由此我们给出对近自由电子能态密度的估计：在能量没有 接近EA时，N(E)和自由电子的结果相差不多，随着能量的 增加，等能面一个比一个更加强烈地向外突出，态密度也 超过自由电子，在EA处达到极大值，之后，等能面开始残 破，面积开始下降，态密度下降，直到EC时为零。所以近 自由电子近似下的N(E)如图所示。
二、不同能带的导电性
2、不满带电子在无阻尼情况下也不导电 ✓ 不满带中的电子，若无外 电场作用，其平衡分布在 空 间是对称的，与满带情况类 似，电子电流相互抵消，无 宏观定向流动。 ✓在稳恒外电场作用下，无阻尼的晶体电子的运动 是布洛赫振荡，电子在实空间的局域振荡也没有 宏观定向流动，即不满带电子在无阻尼情况下也 不导电。
ki k
I(k ) (e)(k ) 0
所以， k 态缺失电子的近满带电子电流为
I(k ) e(k )
四、近满带和空穴
上式表明， k 态缺失电子的近满带电子电流，等效于一个正
电荷产生的电流，其运动速度等于 k 态电子的速度。这种等
无机材料物理性能考题-08
无机材料物理性能考试题一、简答题（30分）1.比较陶瓷材料在受张应力作用时，名义应变与实际应变的大小。
2.阐述粘弹性的概念；或说出陶瓷材料σmax=(a/ρ)1/2的含义。
3.说明材料的塑性形变与应变硬化现象。
4.说明延性--脆性转变温度（DBTT）在材料设计与选型中的作用。
5.说明材料厚度对断裂韧性的影响。
6.什么是材料的疲劳破坏。
7.写出下列方程式中各符号的含义σ=Nqμ,J=σE.8.简要说明四种极化形式及对材料光学与介电性能之影响9.说明压电效应其应用。
10.简要说明光导纤维的全反射原理。
二、计算与证明题（40分）1.证明ε=ε0+P/ξ2.已知BaTiO3电介质的极板间距d＝0.02cm，在3kV时，电量为10C，请设计该电容，BaTiO3的介电强度为120V/m。
3.若Ge与ZnO的禁带宽度分别为（Eg）0.67eV和3.2eV，计算使之产生光导的波长.4.一柱状材料受到100MPa的拉应力，变形前后的尺寸分别为Φ10×40mm 和Φ9.9986×40.019mm,若变形后材料的保持弹性，计算该材料的弹性模量，剪切模量及泊松比。
5、己知ρ(T)＝ρ0[1+αe△T],μe=1.22×10-3m2/VS(T=250C),αe =0.00429(0C)-1；求1500C时该导体中的电子迁移率。
6、已知ɛ＝α△T，一根铝杆和一根尼龙杆在20℃时同长，其弹性模量分别是70GPa，线膨胀系数分别是25×10-6和80×10-6℃-1.着两杆均受到5MPa的热应力，计算二杆同长时的温度。
三、论述题（30分）1、比较金属，陶瓷与有机高分子材料的应力--应变特性。
σdɛ,可视作单位体积的能量，或韧性；说明它与KIc＝σ(π2、若U=ʃεa)1/2的关系.3、比较Inglis 孔板理论与Griffith微裂纹理论。
4、举例说明一种断裂韧性测试的方法5、说明电子电导与离子电导的温度系数。
导体半导体和绝缘体的区别
导体、半导体和绝缘体的区别导体、半导体和绝缘体的区别我们知道导体是导电的那么为什么导体会导电而绝缘体又不会呢？同时我们也经常见到个词叫半导体。
半导体又是什么？那么接下来我们先来了解下他们是什么。
在了解完后再来说他们的区别吧。
导体是什么?导体(conductor)是指电阻率很小且易于传导电流的物质。
导体中存在大量可自由移动的带电粒子称为载流子。
在外电场作用下，载流子作定向运动，形成明显的电流。
金属是最常见的一类导体。
金属原子最外层的价电子很容易挣脱原子核的束缚，而成为自由电子，留下的正离子(原子实)形成规则的点阵。
金属中自由电子的浓度很大，所以金属导体的电导率通常比其他导体材料的大。
金属导体的电阻率一般随温度降低而减小。
在极低温度下，某些金属与合金的电阻率将消失而转化为“超导体”。
半导体是什么?半导体( semiconductor)，指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。
半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。
如二极管就是采用半导体制作的器件。
半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。
无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。
今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。
定义物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。
我们通常把导电性差的材料，如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体。
而把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。
可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。
与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。
本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。
导体半导体绝缘体的导电原理
导体半导体绝缘体的导电原理导体、半导体和绝缘体，这几个词一听就有点复杂，但其实道理简单得很。
想象一下，导体就像一条热腾腾的火锅，里面的食材自由自在地在汤里翻滚。
铜、铝这些金属就是真正的火锅大厨，它们的电子像小朋友一样，在里面欢快地游来游去，随时准备传递电流。
你一插电，立马就能点亮灯泡，简直是瞬间变魔术。
再说半导体，它就像是一块精致的蛋糕，甜中带点咸。
这个家伙可调皮了，不像导体那么直接。
它有时候能导电，有时候又不行。
硅就是个典型的例子。
它在温暖的日子里表现得很听话，电子们活跃得不得了，可是一到冷天，就懒洋洋的，完全不想工作。
这种特性让它在电子产品中大显身手，比如手机、电脑里都有它的身影，真是个了不起的家伙。
说到绝缘体，那就像是个坚不可摧的堡垒，保护着里面的一切。
塑料、玻璃这些材料，根本不让电子进来，它们就像门口的保安，严防死守。
你要是想让电流穿过它们，简直是痴人说梦。
它们的结构复杂，电子根本没地方去，想动动都难。
因此，绝缘体在电线的外层总是能见到，给我们提供了安全感，不让电流随便乱窜。
再深入一点说，导体的电子排列比较松散，电流一来，它们就欢快地流动；而半导体里，电子的排列则稍微紧凑些，它们需要一定的能量才能被激活。
就像你想看一部精彩的电影，得先有一张票，这票就是电流带来的能量。
绝缘体呢，它们的电子排列得紧得不能再紧，根本没法流动。
在生活中，想象你家里的电器，基本上都是利用这些材料的特性。
插座、开关、电线，都是经过精心设计的。
用导体来传导电流，半导体来调控电流，绝缘体来确保安全，这三者的完美结合，简直就是电力世界里的“三剑客”。
我们还可以看到，随着科技的发展，半导体材料的应用越来越广泛。
那些小小的芯片，不就是依赖于这些材料的性质吗？它们让我们的手机更智能，让我们的生活更便捷，真的是功不可没。
有时候想想，科技的进步真的是靠这些不起眼的材料推动的，简直令人感叹。
导体、半导体、绝缘体，它们不仅仅是冷冰冰的材料，而是我们生活中不可或缺的朋友。
1.1二极管
点接触型
1.1.2 二极管的主要参数
1．最大整流电流 I FM 二极管在室温下长期运行允许通过的最大正向平均电流。 2．最高反向工作电压 V RM 二极管正常工作时所允许外加的最大反向电压。 3．反向电流 I R 在二极管加反向电压而未击穿时的反向电流值。
作业：P31 一、填空题：1、2；二、判断题：1；三、选择题：2；五、综合题：1
半导体元件
⒈ 导体、半导体与绝缘体
⑴ 导体： 电阻率ρ＜10-6Ω· m；
⑵ 绝缘体：电阻率ρ＞108Ω· m； ⑶ 半导体：电阻率介于导体与绝缘体之间
如硅(Si)或锗(Ge)半导体。
2. P型半导体和N型半导体
⑴ 本征半导体。
纯净的半导体材料称为本征半导体。 本征半导体电导率低，为提高导电性能，需掺杂，形 成杂质半导体。 根据掺杂的物质不同，可分两种：
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载流 子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。 载流子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
3、杂质半导体
1. N型半导体
多数载流子 空穴比未加杂质时的数目 多了？少了？为什么？ 杂质半导体主要靠多数载 流子导电。掺入杂质越多， 多子浓度越高，导电性越强， 实现导电性可控。 磷（P）
5
2. P型半导体
多数载流子
P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强，
3
在杂质半导体中，温度变化时， 载流子的数目变化吗？少子与多 子变化的数目相同吗？少子与多 子浓度的变化相同吗？
硼（B）
电工电子学导体、绝缘体和半导体的能带论解释
绝缘体：禁带宽度一般都较宽， Eg >几个eV。 如－Al2O3： Eg~ 8 eV；NaCl： Eg~ 6 eV。
因此几乎所有杂质原子都处于基态。如果电子在与杂质的 散射中把能量交给杂质原子，电子能量将失去过多，以致 费米球内没有空态可以接纳它。因此，杂质散射所产生的 电阻与温度无关，它是T0时的电阻值，称为剩余电阻。
通常，可用室温电阻率与
(0)之比R来表征样品的纯度。 如： (0)＝1.710－9(cm)的Cu
+ ev k B
e + ev k B 为正电荷e在电磁场中所受的力。
所以，在有电磁场存在时，近满带的电流变化就如同 一个带正电荷e，具有正有效质量m*的粒子一样。
结论：当满带顶附近有空状态k时，整个能带中的电流 以及电流在外电磁场作用下的变化，完全如同一个带正 电荷e，具有正有效质量m*和速度v(k)的粒子的情况一 样。我们将这种假想的粒子称为空穴。
禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半 导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。
半导体价带中的大量电子都是价键上的电子（称为价电子）， 不能够导电，即不是载流子。只有当价电子跃迁到导带（即本 征激发）而产生出自由电子和自由空穴后，才能够导电。空穴 实际上也就是价电子跃迁到导带以后所留下的价键空位（一个 空穴的运动就等效于一大群价电子的运动）。因此，禁带宽度 的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量， 也就是产生本征激发所需要的最小能量。
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6.7 导体、半导体与绝缘体
第六章 能带理论
P127图6.12导体、半导体与绝缘体的能带模型
EF EF
Eg
导体A
半导体B
绝缘体C
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第六章 能带理论
• 导体，在外电场的作用下，大量共有化电子很易 获得能量，集体定向流动形成电流。 • 绝缘体：在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。从能级图上 来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带 （Eg 约3～6 eV），共有化电子很难从低能级 （满带）跃迁到高能级（空带）上去。 • 半导体：的能带结构,满带与空带之间也是禁带， 但是禁带很窄（E g 约3 eV以下 )。
• 因此，晶体中的载流子除电子外还可以有 空穴，既可以单独存在也可以同时存在。
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第六章 能带理论
§6.7.3导体、半导体与绝缘体的区分
• 既然满带电子不导电只有不满带电子才有 导电性，所以根据能带结构及其填充情况 就可以判断晶体是否为导体。当原子结合 成晶体后，原子的内层满壳层电子将填满 相应的一系列能带，这些电子的数量虽然 很大，但不参与导电，只须考虑外层价
电子的能带填充情况就可以判断晶体 的导电性。
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第六章 能带理论
• [1] 能量最高的满带与最低的空带有重叠， 结果两个能带都不满，晶体仍是导体。 • [2] 能量最高的满带与最低的空带没有重 叠，被禁带分开，这种晶体是绝缘体或半 导体。
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第六章 能带理论
一、能带的填充类型
能带中的量子态
完全被占据时 满带 最高的满带 称价带
部分被占据时
完全不被占据而为空时
不满带或 空带 未满带 最低的空带或未满 带称导带
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第六章 能带理论
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第六章 能带理论
§6.7.2 电子与空穴
• 只有不满的能带才有导电的功能，其电流 的载流子自然是电子。但当一个能带只含 有少量的空状态而大部分状态被电子占据 时，我们称这些空状态为空穴。为描述这 种近满能带的导电性，通常不用其中的大 量电子而用少量的空穴，可以使问题大为 简化也更为直观。
n e
E g / k BT
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6.7 导体、半导体与绝缘体 电阻率
第六章 能带理论
金属
金属电阻率随T上升而增大
半导体 半导体的电阻率即温度上升而下降
T
总的说来，导体与半导体的区别最关键的因素是能带结构不同。
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第六章 能带理论
• 称最高的满带为价带， • 最低的空带为导带。 • 电子可以从价带激发到导带，价带中产生 空穴，导带中出现电子，空穴和电子都参 与导电成为载流子。
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第六章 能带理论
P127图6.12导体、半导体与绝缘体的能带模型 导带 导带 EF
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第六章 能带理论
局限性的原因
• 能带理论是在单电子近似的基础上建立的， 只考虑电子受晶格周期场的作用，忽略了 电子间的相互作用，由于电子间存在相互 作用，即使考虑屏蔽效应，亦不能完全认 为是互相独立的，实际上是互相关联的， 即一个电子的状态必然受到其它电子的影 响。这种效应称为关联作用（实际上指电 子间存在相互作用） ，能带理论局限性是 由于忽略了电子间关联作用所造成的
5画图说明导体、半导体和绝缘体能 带结构的基本特征
• 解：在导体中，除去完全充满的一系列能带外，还有只是 部分地被电子填充的能带，后者可以起导电作用，称为导 带。 • 在半导体中，由于能量最高的满带与上面的空带没有重叠, 但禁带宽度Eg小,存在一定的杂质，或由于热激发使导带 中存有少数电子，或满带中缺了少数电子，从而导致一定 的导电性。 • 在绝缘体中，电子恰好填满了最低的一系列能带，再高的 各带全部都是空的，所有被电子填充的能带都是满带，能 量最高的满带与上面的空带没有重叠,禁带宽度Eg较宽 ~ 3 eV 以上.由于满带不产生电流，所以尽管存在很多 电子，并不导电。
部分 填充 能带
最低的空带
Eg
价带 价带
最高的满带
EF
满带
导体A
半导体B
绝缘体C
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第六章 能带理论
导体与半导体的区别
• 在金属导体中，载流子一般为电子，一般 载流子的浓度n是确定的与温度无关。 • 而在半导体中，在绝对零度下没有载流子， 只有在T≠0时，由于热激发，导带中才有 电子，同时价带中出现空穴，所以载流子 的浓度n与温度密切相关，一般随T按指数 规律变化
第六章 能带理论
§6.8 能带理论的主要成就
一 能带理论的主要成就： • [1]指出晶体中电子的能谱分成许多能带。晶体 的性质决定于其能带结构及电子的填充情况，这 就为理解晶体的各种物理性质提供理论基础。 • [2]根据能带结构及电子的填充情况可区分晶体 的导电性质，说明为什么可以区分导体、半导体 与绝缘体。 • [3]现有的半导体材料与器件是在能带理论的基 础上建立与发展的，所取得的成就有目共睹
E
E
K
K
V
V
K K
P125-图6.11 电场作用下不满带中的电子分布示意图
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第六章 能带理论
• 排了电子但未排满的称为未(不)满带 • 未排电子的称为空带。 • 两个能带之间的禁带是不能排电子的。 • [1]满带不导电 • [2]不满能带才有导电性
k
的周期函数
布里渊区中空出的部分与离开的部分相同 整个能带中电子分布情况实际上没有变化 结论 因此满带在电场作用下不导电
2
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第六章 能带理论
如果能带不满，只有部分状态被电子占据，则在电场作用下， 整个电子分布向电场反方向移动， 如下图，这时沿电场正、反方向运动的电子数不相等， 破坏了原来的对称分布，总的电流不为零，所以不满带可以导电。
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第六章 能带理论
二 能带理论的局限性
• 不能解释超导，铁磁性等，即使在判断晶体是否是导体时， 也不是所有情况下都是正确的，在一些过渡金属的氧化物， 如 • Mn2+O2-,Fe2+O2-,Co2+O2-,Ni2+O2• 其中：Mn2+， 3d5;Fe2+ , 3d6;Co2+ 3d7;Ni2+, 3d8 ;O2-, 2p6 • 它们的晶体结构都是NaCl结构，过渡金属离子的3d能带是 不满的，O2-的2p能带是填满的，按能带理论，这些氧化物 应该是导体，但实验发现它们是绝缘体（或半导体），但对 于Ti2+O2-和V2+O2-，Ti2+（3d2），V2+（3d3），3d 带不满，实验发现是导体，与能带理论的结论一致。可见， 根据能带是否填满不足以正确判断这类氧化物的导电性，对 于更复杂的过渡金属氧化物和其它化合物也有类似的情况， 这说明能带理论是有局限性的。
6.7 导体、半导体与绝缘体
第六章 能带理论
§6.7 导体、半导体与绝缘体
• 根据能带结构及电子的填充情况可以说明 为什么晶体可以区分为导体、半导体与绝 缘体，这是能带理论的巨大成就。
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第六章 能带理论
§6.7.1 能带的填充与导电性
由于 E ( k ) 是
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第六章 能带理论
• 可以证明，缺少一个电子的能带所产生的电流与 一个带正电荷的载流子以速度 v ( k ) 运动时所产生 的电流相同。这样，缺少一个电子的能带其所有 2N-1个电子对电流的贡献便可以归结为一个带 正电荷e的空穴的贡献。可以把空穴看成具有正 有效质量 m h ( k ) 的准粒子。