半导体的导电机构

n
p
反向连接
p-n结具有单向导电性，在电路中可以起 到整流作用.
p-n结的伏安特性
§19-4 超导电性
1.超导电现象
超导电现象 某些材 料在温度低于某一温 度时，电阻突然降到 零的现象.具有超导 电性的材料称为超导 体，电阻降为零的温 度称为转变温度或临 界温度.
R/R0
4.00
4.10
当温度大于临界温度时，热运动使库珀对分散为正常电子，超导态转为正常态.
当磁场强度达到临界强度时，磁能密度等于库珀对的结合能密度，所有库珀对都获得能量而被撤散，超导态转为正常态.
BCS理论
4. 超导电性的应用
·用超导材料制造电缆可实现无损耗输电.
·用超导材料制造电机，可以大大提高效率.
·用超导线圈制造电磁体可以得到很强的磁场，可应用于受控核聚变、高能加速器、磁流体发电、磁悬浮列车、核磁共振成像装置等.
贰
四价的本征半导体 Si、Ge等，掺入少量五价的杂质元素（如P、As等）形成电子型半导体,称n型半导体.
2.杂质的影响
n 型半导体
在n型半导体中
空 带
满 带
施主能级
Ei
Eg
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
空穴……少数载流子
电子……多数载流子
该能级称受主能级.
四价的本征半导体Si、Ge等，掺入少量三价的杂质元素(如B、Ga、In等)形成空穴型半导体，称p型半导体。 量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，Ei～10-2eV,极易产生空穴导电.
p区空穴多电子少，n区电子多空穴少，因此p区中的空穴将向n区扩散，n区的电子将向p区扩 散，在交界处形成正负电荷的积累层，在p区的一侧带负电，在n区的一侧带正电，这一电偶层形成的电场将遏止电子和空穴的继续扩散，最后达到动态平衡.
在p-n结处形成一定的电势差 .
பைடு நூலகம்
p
n
p
n
磁悬浮列车
5.碳60分子（C60）
C60是由60个碳原子构 成的空心大分子，外形酷 似足球.
固态C60类似于Ga-As 的半导体，在其中掺入碱金属，它将转变为超导体.
有科学家预言，如能制成C540，它将可能成为室温超导体.
C60的示意图
4.20
4.30
4.40
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
T/K
临界温度
低温下汞的电阻温度关系
对于氧化物超导体，其转变温度范围较宽.
0.9R0
0.5R0
0.1R0
R0
Te
Tm
Ts
氧化物超导体的转变温度
电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度定义为转变温度.
2.超导体的主要特性
01
迈斯纳效应——完全抗磁性 在使样品转变为超导态的过程中，无论先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，超导体内的磁感应强度总是为零.
02
同位素效应 同位素的质量越大，转变温度越低.同位素效应说明超导不仅与电子状态有关，也与金属的离子晶格有关.
3.BCS理论
巴丁（左）、库珀、施里弗（右）
声子 格波是量子化的，其量子称为声子.形成格波的过程相当于电子发射出一个声子.
库珀对 传播着的正电荷区又可以吸引另一个运动着的电子，相当于电子吸引了声子，两个电子通过交换声子产生了间接的吸引作用. 对于某些材料，在一定的低温条件下，交换声子的两个电子可以束缚在一起形成一个电子对，称为库珀对.
电子A
利用半导体的这种 性质可以制成热敏电阻.
半导体
1
半导体的光电导现象
2
半导体在光照射下，电子吸收能量后，向导带跃迁. 导电能力会增大，这种现象又称为内光电效应.
3
利用半导体的光电导现象可以制成光敏电阻.
5. p-n结
使p型半导体和n型半导体相接触，或在本征半导体两端各掺入施主杂质和受主杂质，它们交界处的结构称为p-n结.
电子导电：导带中的电子在外磁场中的定向运动. 空穴导电：满带中存在空穴的情况下，电子在满 带内的迁移，相当于空穴沿相反方向运动.空穴 相当于带正电的粒子. 满带上的一个电子跃迁到导带后,满带中出现一个空位，称为空穴.
1.电子和空穴
本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间.
本征半导体是指纯净的半导体.
19-3 半导体的导电机构
高温超导体的电子显微镜图象
零电阻 超导体处于超导态时电阻完全消失，若形成回路，一旦回路中有电流，该电流将无衰减地持续下去.
临界磁场与临界电流 材料的超导态可以被外加磁场破坏而转入正常态，这种破坏超导态所需的最小磁场强度称为临界磁场.临界磁场的存在，限制了超导体中能够通过的电流.当通过超导体的电流超过某一电流值时，超导态被破坏，此电流称为临界电流.
p-n结
p-n结的能带情况
正向连接
p
n
当p-n结正向连接时，外电场方向与p-n结中的电场方向相反，结中电场减弱，势垒降低，扩散增强，形成正向电流.
当p-n结反向连接时，外电场方向与 结中的电场方向相同，结中电场增强，势垒升高，少数载流子在电场作用下移动形成反向电流.
电子B
（声子）
电子A 声子 电子B
处在超导态的电子，不是单独一个个存在的，而是配成库珀对存在的，配对的电子，其自旋方向相反，动量的大小相等而方向相反，总动量为零.库珀对作为整体与晶格作用，因此一个电子若从晶体得到动量，则另一个电子必失去动量，作为整体，不与晶格交换动量，也不交换能量，能自由地通过晶格，因此没有电阻.
01
02
(2) p型半导体
空 带
Ei
满 带
受主能级
p 型半导体
Eg
在p型半导体中
电子……少数载流子
空穴……多数载流子
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
B
+
3.电阻率和温度的关系
电阻与温度的关系
导体的电阻率随 温度的升高而增大.
金属
半导体的电阻率随温度的升高而急剧地下降.由于半导体中的电子吸收能量后，受激跃迁到导带的数目增多.
Ga As 的扫描隧道显微镜图象
空带
满带
满带上带正电的 空穴向下跃迁也能 形成电流,这称为空 穴导电.
在外电场作用下, 空穴下面能级上的电 子可以跃迁到空穴上 来, 这相当于空穴向 下跃迁.
Eg
壹
n型半导体
肆
该能级称为施主能级.
叁
量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能 级在禁带中紧靠空带处, Ei～10-2eV，极易形 成电子导电.
1957年巴丁（J.Bardeen)、库（)和施里弗（)提出一个超导电性的微观理论，称为BCS理论.
从正常态到超导态的转变非常迅速，因此人们设想这种变化应该是电子态的转变，因电子的质量小、反应快；但是同位素效应又说明这种转变与晶格的质量有一定关系.
格波 电子在离子晶格间运动时，电子密度有起伏，当电子在某处集中时，会对附近的离子晶格产生吸引，从而使离子产生振动，并以波的形式在点阵中传播，这种波称为格波.