物性讲义(电学1)-导体-半导体-绝缘体资料共103页文档
导体、半导体和绝缘体
导体、半导体和绝缘体概述在物理学中，根据不同的导电性质，物质可以被分为三类：导体、半导体和绝缘体。
导体的电导率较高，可以轻易地传导电流，如铜、铝等金属；半导体的电导率介于导体和绝缘体之间，可以通过添加杂质等方法改变其导电性能，如硅、锗等；而绝缘体的电导率非常低，电流不能在其内部传播，如玻璃、陶瓷等。
导体物理特性导体是一种材料，能够轻松地传导电子。
这种传导过程涉及到电子的自由移动。
在导体中，电子不受束缚，被电场作用下移动自如。
这样的电子被称为自由电子。
这些自由电子随时可以离开原子，进入导体中的其他位置，并与其他自由电子碰撞，形成导电电流。
根据欧姆定律，电流强度与两端电压成正比。
就是说，电流强度增加，导体中的自由电子数量也会增加。
如果将较大的电压施加在导体上，就会增加存储在导体中的自由电子数量，进而导致电流的增加。
应用导体的导电性质使它成为许多电子应用的理想材料。
这种材料最广泛的应用是在导线和电线的制造中。
导体材料还可以用于制造电路板、集成电路、变压器等。
导体材料的进一步发展和应用为电子技术开创了更加广阔的领域。
半导体物理特性半导体材料的电导率介于导体和绝缘体之间。
在半导体材料中，电子位于能级中，分布在两侧霍尔展区的堆积能带中。
在去霍尔展区，则是禁带区。
通常情况下，半导体材料的禁带宽度远小于绝缘体材料。
半导体的本征杂质往往增加了其中的自由电子或空穴的数量。
通过加热材料，我们可以激发半导体中的电子，使之跳过禁带，并像导体中的电子一样形成电流。
在半导体中添加不同种类、不同浓度的杂质，则可以控制其电导率和其他性质。
应用半导体材料的应用很广泛，例如晶体管、太阳能电池、场效应晶体管等。
半导体在计算机技术中也扮演着重要角色，例如应用于微处理器、光学学技术等。
半导体技术用于制造现代耳机、随身听等设备。
绝缘体物理特性绝缘体的最大特点是其电导率极低，等几乎可认为不导电。
它也被称为非导体，不具有自由电子。
在绝缘体中，电子位于原子和分子中，分布在不同的能级，形成气体状态的电子云。
导体半导体和绝缘体
第一步绝热近似中，认为离子实在格点上固定不动，忽略
了晶格振动，这样在导电问题上忽略了声子与布洛赫电子的作 用；
第二步周期场近似中，认为晶格势能函数 V ( r ) 处处符合晶
格的严格周期性，忽略了晶体中的杂质和缺陷，这样在导电问 题上忽略了布洛赫电子与这些杂质和缺陷的作用。
6.8.2
纯金属的电阻率
高温 T
5 T 低温
1.实验规律：
2.理论解释 对于纯金属，杂质和缺陷可以忽略不计，电阻率主要来
自晶格振动对电子的散射作用。
虽然金属中存在大量的电子，但参与导电的仅仅是费米面附近 的电子。
电子与晶格
的相互作用
电子与声子
相互作用
费米面附近电子与
声子相互作用
费米面
E=EF的等能面称为费米面。
kh
k k k e k e
k k e
(2) E ( k h ) E ( k e ) h e
ห้องสมุดไป่ตู้
Ee (k e ) Ee ( k e ) Eh ( k e ) Eh (k h )
(3)
v( k h ) v( k e )
k h k e E h (k h ) Ee (k e )
满带：
dk 1 1 F e dt
A
k 轴上各点均以完全相同的速度移动，因此并不改变均 匀填充各 k 态的情况。从A´移出去的电子同时又从A移进
来，保持整个能带处于均匀填满的状况，并不产生电流。
导带： 在外场作用下，电子分布将向一方移，
A 破坏了原来的对称分布，而有一个小的偏移,
实际材料中存在的杂质与缺陷，也将破坏周期性势场，引 起电子的散射。在金属中杂质与缺陷的影响一般来说是不依赖 于温度T的，而与杂质、缺陷的浓度成正比。 在杂质浓度较小时，可以认为晶格振动与杂质、缺陷的散 射相互独立，总的散射概率之和用弛豫时间表示可以写成：
大学物理课件半导体基础
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区， 也称耗尽层。
扩散运动
扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。
(1-19)
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
在常温下，由于热激发，使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电 子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。
(1-9)
空穴
+4
+4
+4
+4
自由电子 束缚电子
(1-10)
2.本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。
+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下， 空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流 子。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
导体绝缘体半导体
光探测器利用半导体的光电效应检测光信号，广泛应用于 光纤通信、光传感等领域。
半导体材料的应用
硅材料
硅是最常用的半导体材料，具有 优良的物理和化学性质，在集成 电路、太阳能电池等领域有广泛 应用。
化合物半导体
化合物半导体如砷化镓、磷化铟 等具有更高的电子迁移率和光学 性能，在高速、高频电子器件和 光电子器件中有广泛应用。
绝缘体的原子或分子的电子结 构使其不易受到外部电场的影 响，因此其导电性能较差。
绝缘体的原子或分子的电子结 构使其不易受到外部磁场的影 响，因此其磁导率较低。
常见绝缘体材料
玻璃
玻璃是一种常见的绝缘体材料， 常用于制造绝缘器皿和绝缘材料。
塑料
塑料也是一种常见的绝缘体材料， 常用于制造电线绝缘层和电子设备 外壳。
电解质溶液
如食盐水、酸碱溶液等，也是良好的 导体。
02
绝缘体
定义
绝缘体：指在一定条件下，不导 电的物质。
绝缘体在极端的温度和压力下， 或受到某些外界因素影响时，其
导电性能可能会发生变化。
绝缘体通常具有较高的电阻，阻 止电流通过。
特性
绝缘体的电子结构使其不易失 去或获得电子，因此其导电性 能较差。
导体绝缘体半导体
目录
• 导体 • 绝缘体 • 半导体 • 导体的应用 • 绝缘体的应用 • 半导体的应用
01
导体
定义
01
导体是指能够让电流通过的物质 。在电场的作用下，导体内的自 由电子会向电场的反方向移动， 形成电流。
02
金属是最常见的导体，因为金属 内部的自由电子较多，容易形成 电流。
特性
半导体的应用
电子器件
01
半导体材料是制造电子器件的基础，如晶体管、集成电路、太
一、导体、绝缘体和半导体：
一、导体、绝缘体和半导体：大家知道，金属、石墨和电解液具有良好的导电性能，这些有良好导电性能的材料称为导体。
如电线是用铜或铝制成的，因为它们有很强的导电性和良好的延展性。
金属的导电性能由强到弱的顺序为：银、铜、金、铝、锌、铂、锡、铁、铅、汞。
居第一位的银，但因其产量少、价格贵，只在某些电气元件中少量用到。
石墨有良好的导电性，硬度低，在空气中不燃烧，是制造电极和碳刷的好材料。
金属和石墨所以具有良好的导电性，是因为它们中存在大量自由电子，。
酸、碱和盐类的熔化液也能导电。
这些溶解于水或在熔化状态下能导电的物质叫电解质。
电解质和水分子相互作用，能在溶液中分离为正离子和负离子，这些正、负离子能自由活动，形成导电溶液。
如包在电线外面的橡胶、塑料都是不导电的物质，成为绝缘体。
常用的绝缘体材料还有陶瓷、云母、胶木、硅胶、绝缘纸和绝缘油等，空气也是良好的绝缘物质。
绝缘物质的原子结构和金属不同，其原子中最外层的电子受原子核的束缚作用很强不容易离开原子而自由活动，因而绝缘体的导电作用很差。
导体和绝缘体的区别决定于物体内部是否存在大量自由电子，导体和绝缘体的界限也不是绝对的，在一定条件下可以相互转化。
例如玻璃在常温下是绝缘体，高温时就转变为导体。
此外，还有一些物质，如硅、锗、硒等，其原子的最外层电子既不象金属那样容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，也不象绝缘体那样受到原子核的紧紧束缚，这就决定了这类物质的导电性能介于导体和绝缘体之间，并且随着外界条件及掺入微量杂质而显著改变这类物质称为半导体。
一、导体、绝缘体和半导体：大家知道，金属、石墨和电解液具有良好的导电性能，这些有良好导电性能的材料称为导体。
如电线是用铜或铝制成的，因为它们有很强的导电性和良好的延展性。
金属的导电性能由强到弱的顺序为：银、铜、金、铝、锌、铂、锡、铁、铅、汞。
居第一位的银，但因其产量少、价格贵，只在某些电气元件中少量用到。
石墨有良好的导电性，硬度低，在空气中不燃烧，是制造电极和碳刷的好材料。
《导体和绝缘体》 讲义
《导体和绝缘体》讲义一、什么是导体和绝缘体在我们日常生活和科学研究中，经常会听到“导体”和“绝缘体”这两个词。
那它们到底是什么呢？导体，简单来说，就是能够让电流轻松通过的物质。
常见的导体有金属，比如铜、铝、铁等。
这些金属内部存在着大量可以自由移动的电子，当在导体两端加上电压时，这些自由电子就会定向移动，从而形成电流。
绝缘体则恰恰相反，它是电流很难通过的物质。
像橡胶、塑料、玻璃等都是常见的绝缘体。
绝缘体内部的电子几乎都被束缚在原子或分子周围，不能自由移动，所以电流很难在其中流动。
二、导体的特性和应用导体具有良好的导电性能，这使得它们在许多领域都有着广泛的应用。
在电力传输方面，我们通常使用铜或铝制成的导线来输送电能。
因为它们的电阻较小，能够有效地减少电能在传输过程中的损耗。
想象一下，如果使用绝缘体来做导线，电流根本无法通过，那我们怎么能享受到稳定的电力供应呢？在电子设备中，导体也是不可或缺的。
例如，电脑的电路板上布满了各种金属线路，这些线路能够让电流在不同的电子元件之间流动，从而实现各种复杂的功能。
另外，导体还常用于制造加热设备，比如电水壶中的发热丝，就是利用电流通过导体时产生的热量来加热水的。
三、绝缘体的特性和应用绝缘体虽然不能让电流轻易通过，但它们也有着自己独特的价值。
首先，绝缘体能够起到绝缘保护的作用。
我们家里的电线外面通常都会包裹一层塑料或橡胶绝缘层，这样可以防止我们在接触电线时触电。
在高压输电线塔上，也会使用大量的绝缘子来保证电线与塔身之间的绝缘，确保电力传输的安全。
其次，绝缘体在电子设备中也能发挥重要作用。
它们可以用来隔离不同的电路部分，防止电流乱窜，从而保证电子设备的正常运行。
再者，绝缘体在建筑和制造业中也有广泛应用。
比如，在房屋装修时，会使用绝缘材料来保温、隔音；在制造汽车和飞机时，也会用到绝缘材料来减轻重量、提高安全性。
四、导体和绝缘体的区别导体和绝缘体最本质的区别在于它们内部电子的运动情况。
高二物理竞赛导体、绝缘体和半导体的能带论课件
温度升高，电子的跃迁概率指数上升，半导体 的本征导电性迅速增大。
半导体的非本征导电性：半导体通过适当掺杂，改变 电子在能带中的填充情况而获得的导电性。
E T=0
T>0
二、在实空间中的运动图象
E
=0
E
x
x
附加电势能： e x
e x
电子速度的周期性振荡也就是电子在实空间中的振荡。
A BC
由于电子在运动过程中不断受到声子、杂质和缺陷的 散射，上述的振荡现象实际上很难观察到。若相邻两 次散射（碰撞）间的平均时间间隔τ很小，电子还来 不及完成一次振荡过程就已被散射。
dt
dt
m*
而在能带顶附近，电子的有效质量为负值，m* < 0。
d I k = e e + ev k B m * m* 0
dt
m*
e + ev k B —— 正电荷e在电磁场中所受的力
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。
在有电磁场存在时，设想在空状态k中仍填入一个电 子形成满带。而满带电流始终为0，对任意t时刻都成立。
d I k e d vk
dt
dt
作用在k态中电子上的外力为
F = e ε v k B
电子的准经典运动： d v F
dt m
d I k = e d v k e2 + v B
假设近满带中有一个k态中没有电子，设I(k)为这 种情况下整个近满带的总电流。设想在空的k态中填入 一个电子，这个电子对电流的贡献为－ev(k)。但由于 填入这个电子后，能带变为满带，因此总电流为0。
导体、半导体和绝缘体
导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体是物理学中非常重要的概念，它们是材料的电学特性的基本分类。
本文将分别介绍导体、半导体和绝缘体的概念、性质、应用和发展历程。
一、导体导体是指具有较高导电性的物质。
导体中，电子自由度较高，电子可以自由移动，用来传导电流。
常见的导体有金属、纯水和硫酸等。
导体的电阻率很低，通常用导电率来度量，即导体在电场作用下的单位面积中传导的电流的强度。
导体的制备通常是利用具有良好导电性的材料，如铜、银、金等制作成线、管、板等形状。
导体的应用极为广泛，如电线、电路、电子设备、汽车零部件等，都离不开导体。
导体在电力传输中也起到着重要的作用，导电材料的纯度和导体的制备工艺对电力传输效率和质量有着决定性的影响。
二、半导体半导体是介于导体和绝缘体之间的一种材料。
半导体中电子自由度介于导体和绝缘体之间，它们的电阻率比导体高，但比绝缘体低。
通常情况下，半导体处于物质的四种电性状态中的中间状态。
常见的半导体材料有硅、锗等。
半导体的特殊性质使其在信息技术、电子设备和光电子技术等领域中具有广泛的应用。
半导体可以用来制作晶体管、二极管、太阳能电池、光电二极管、集成电路等，这些都是现代电子技术中必不可少的组成部分。
三、绝缘体绝缘体是指电阻率极高的材料。
绝缘体内部的电子自由度很小，浑然无法被激发，电子在其中几乎不能自由移动，同时材料本身具有极高的电学阻抗。
常见的材料有玻璃、瓷器、纸张等。
绝缘体的应用领域主要包括电力绝缘材料、隔热、隔音、绝缘板材、电气设备外壳等。
绝缘体在保护电路、防止人体电击等方面也具有重要作用。
总结导体、半导体和绝缘体是电学特性分类的三大基本类别。
导体具有较高的导电性，半导体介于导体和绝缘体之间，绝缘体在电导方面表现非常差。
三种材料各有不同的用途，具有极大的应用价值。
随着科技的不断发展，导体、半导体和绝缘体在各自的领域中也不断的发挥着重要作用。
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Hale Waihona Puke 谢谢！51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
物性讲义(电学1)-导体-半导体-绝缘体 资料
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53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
导体超导体半导体绝缘体
导体超导体半导体绝缘体导体、超导体、半导体和绝缘体是物质的不同类型，在电子学和固态物理学中起着重要的作用。
它们在电流传导、能量传输和半导体器件等领域都有不同的应用。
在本文中，我们将深入探讨这些材料的特性、应用和区别。
一、导体1. 导体的特性导体是能够良好地传导电子的物质。
它们通常具有以下特性：- 高电导率：导体的电导率（用于衡量其导电能力）非常高，其电子能够轻松地在物质内自由移动。
- 低电阻率：由于电导率高，导体的电阻率很低，这意味着在给定的电压下，电子可以顺畅地通过导体。
- 自由电子：导体中的电子能够脱离原子，并以自由态形式存在。
2. 导体的应用导体在许多领域中都有广泛的应用，包括：- 电线和电缆：导体的高电导率使其成为电线和电缆的理想选择，用于输送电力和数据。
- 电子器件：导体材料如铜和铝在电子器件中起着重要作用，例如电路板和电动机。
- 传感器：某些导体材料具有感应外部环境变化的能力，可作为传感器使用。
二、超导体1. 超导体的特性超导体是在极低温下表现出零电阻的材料。
以下是其主要特性：- 零电阻：在超导态下，电流可以在超导体中无阻力地流动，极大地提高了电流的传导效率。
- 费米液体：超导体中的电子以费米液体的形式存在，其行为和统计特性与常规导体不同。
- 驱动电场：超导体可以抵抗外部驱动电场并排斥磁场的渗透。
2. 超导体的应用超导体的特殊性质使其在以下领域中具有广泛的应用：- 磁共振成像（MRI）：超导体磁体被广泛用于医学成像中，MRI技术得益于超导体的零电阻和强磁场能力。
- 磁悬浮列车：超导磁体的强磁场性质使其成为磁悬浮列车的理想选择，在高速交通中提供无接触的悬浮效果。
- 能源传输：超导体的零电阻特性可用于高效能源传输，例如超导电缆和超导输电线路。
三、半导体1. 半导体的特性半导体是介于导体和绝缘体之间的材料，具有以下特性：- 电导率介于导体和绝缘体之间：半导体的电导率较低，但会随着温度、电场和杂质浓度的变化而改变。