6.2导体半导体和绝缘体
半导体的特性
一、本征半导体的导电特性1.导体、绝缘体和半导体自然界中的物质从其电结构和导电性能上区分，可分为导体、绝缘体和半导体。
如金、银、铜、铝、铁等金属材料很容易导电，我们称它们为导休。
导体的电阻率小于10-6cm。
如陶瓷、云母、塑料、橡胶等物质很难导电，我们称它们为绝缘体。
绝缘体的电阻率大于108cm。
有一类物质，如硅、锗、硒、硼及其一部分化合物等，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，故称之为半导体。
半导体的电阻率在10-6～108之间。
众所周知，导体具有良好的导电性，绝缘体具有良好的绝缘性，它们都是很好的电工材料。
我们用导体制成电线，用绝缘体来防止电的浪费和保障安全。
而半导体却在很长时间被人们所不齿，因为它的导电性能不好，绝缘性能又差。
然而它的不公正待遇随着人们对它所产生的愈来愈浓厚的兴趣消失了，它终于登上了大雅之堂！这是为什么呢？这是因为它具有一些可以被人们所利用的奇妙特性。
半导体在不同情况下，导电能力会有很大差别，有时犹如导体。
在什么情况下呢？①掺杂：在纯净的半导体中适当地掺入极微量（百万分之一）的杂质，就可以引起其导电能力成百万倍的增加。
②温度：当温度稍有变化，半导体的导电能力就会有显著变化。
如温度稍有增高，半导体的电阻率就会显著减小。
同理光照也会影响半导体的导电能力。
2.本征半导体的原子结构本征半导体——非常纯净且原子排列整齐的半导体。
（纯度约为99.999999999%。
即杂质含量为10的9次方分之一。
）硅原子一14个带负电的电子围绕带正电的原子核运动，并按一定的规律分布在三层电子轨道上。
锗原子一32个带负电的电子围绕带正电的原子核运动，并按一定的规律分布在四层电子轨道上。
由于原子核带正电与电子电量相等，正常情况下原子呈中性。
由于内层电子受核的束缚较大，很少有离开运动轨道的可能。
所以它们和原子核一起组成惯性核。
外层电子受原子核的束缚较小。
叫做价电子。
硅、锗都有四个价电子，故都是四价元素，其简化图见电子课件。
导体、绝缘体和半导体的能带模型
§5-6 导体、绝缘体与半导体得能带模型尽管所有得固体都包含大量有电子，但有些固体具有很好得电子导电性能,而另一些固体则观察不到任何电子得导电性。
对于固体为什么分为导体、绝缘体与半导体呢?这一基础事实曾长期得不到解释,能带论对这一问题给出了一个理论说明，并由此逐步发展成为有关导体、绝缘体与半导体得现代理论。
晶体中电子有能量本征值分裂成一系列能带,每个能带均由N 个准连续能级组成（N 为晶体原胞数),所以，每个能带可容纳２N 个电子。
晶体电子从最低能级开始填充,被电子填满得能带称作满带,被电子部分填充得能带称为不满带,没有电子填充得能带称为空带。
能带论解释固体导电得基本观点就是:满带电子不导电,而不满带中得电子对导电有贡献。
5. 6. 1 满带电子不导电从前面得知识中，已经知道,晶体中电子能量本征值E (k )就是k 得偶函数,则利用(５-５-１1），可以证明v (－k )=-ｖ（k ),即v (k )就是ｋ得奇函数。
一个完全填满得电子能带,电子在能带上得分布,在ｋ空间具有中心对称性，即一个电子处于k 态,其能量为E(k ),则必有另一个与其能量相同得E (－ｋ)=Ｅ(k ）电子处于-ｋ态。
当不存在外电场时，尽管对于每一个电子来证,都带有一定得电流-e v ,但就是ｋ态与－k 态得电子电流-e ｖ(ｋ)与-e v (-k )正好一对对相互抵消,所以说没有宏观电流。
当存在外电场或外磁场时,电子在能带中分布具有k 空间中心对称性得情况仍不会改变。
以一维能带为例,图5-６-1中k 轴上得点子表示简约布里渊区内均匀分布得各量子态得电子。
如上所述，在外电场E 得作用下,所有电子所处得状态都以速度…………………………………………………………………………………………(5-6-1）沿k 轴移动。
由于布里渊区边界A 与两点实际上代表同一状态,在电子填满布里渊区所有状态即满带情况下,从Ａ点称动出去得电子同时就从点流进来,因而整个能带仍处于均匀分布填满状态，并不产生电流。
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
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。
专题十二 简单电现象
专题十二简单电现象一、选择题1.【答案】B【考点】导体与绝缘体的判断【解析】组成铅笔芯的物质是石墨，石墨是良好的导体，故A错误；各种金属均是导体，故C、D错误。
1.1【答案】C【考点】导体和绝缘体的判断【解析】铅笔芯、人体、铝线是导体；橡胶棒是绝缘体；故选C。
1.2【答案】A【考点】导体和绝缘体的区别【解析】铅笔芯的主要成分是石墨，所以是导体；钢制小刀、铜制钥匙都是金属做的是导体，塑料直尺是绝缘体。
所以在A、B两个金属夹之间分别接入下列物体时，闭合开关不能使小灯泡发光的是塑料直尺。
故选A。
2.【答案】A【考点】串联电路和并联电路的辨别；并联电路的电流规律；并联电路的电压规律【解析】（1）开关闭合后，电路中有两条并列的电流路径，故灯L1和灯L2并联，故A 正确，B错误；（2）因为两灯并联，所以两灯两端的电压一定相等，故D错误；（3）根据公式I=U/R可知，电压相等，两灯的电阻相等时，通过两灯的电流才一定相等，但是两灯的电阻不一定相等，故其中的电流也不一定相等，故C错误；故选A。
2.1【答案】C【考点】串联电路和并联电路的辨别；并联电路的电压规律【解析】两电器并联并且都有单独开关控制，则通过电键的控制两灯可以单独工作，也可以同时工作，故A、B误；由并联电路的特点可知工作时两端的电压一定相等，故C对；而由于两电器功率不同，则电流不一定相同；故D错误；故选C。
2.2【答案】C【考点】串联电路和并联电路的辨别【解析】A、图中电流只有一条路径，依次经过这两个灯，因此是串联电路，故该选项不符合题意；B、图中开关断开时，两灯组成串联电路；开关闭合时，灯L2被短路，故该选项不符合题意；C、图中两开关闭合时，电流有两条路径，分别经过这两个灯，是并联电路，故该选项符合题意；D、图中两开关闭合时，电流有两条路径，但第二条路径中两灯串联，不符合题目的要求；故选C。
3.【答案】B【考点】绝缘体；导体【解析】金属勺是金属，善于导电，属于导体，不符合题意；B、瓷碗是陶瓷，不善于导电，属于绝缘体，符合题意；C、铅笔芯是碳，善于导电，属于导体，不符合题意；D、铁钉是金属，善于导电，属于导体，不符合题意。
导体、绝缘体和半导体的能带模型
§5-6 导体、绝缘体和半导体的能带模型尽管所有的固体都包含大量有电子，但有些固体具有很好的电子导电性能，而另一些固体则观察不到任何电子的导电性。
对于固体为什么分为导体、绝缘体和半导体呢？这一基础事实曾长期得不到解释，能带论对这一问题给出了一个理论说明，并由此逐步发展成为有关导体、绝缘体和半导体的现代理论。
晶体中电子有能量本征值分裂成一系列能带，每个能带均由N 个准连续能级组成（N 为晶体原胞数），所以，每个能带可容纳2N 个电子。
晶体电子从最低能级开始填充，被电子填满的能带称作满带，被电子部分填充的能带称为不满带，没有电子填充的能带称为空带。
能带论解释固体导电的基本观点是：满带电子不导电，而不满带中的电子对导电有贡献。
5. 6. 1 满带电子不导电从前面的知识中，已经知道，晶体中电子能量本征值E (k )是k 的偶函数，则利用（5-5-11），可以证明v (-k )=-v (k )，即v (k )是k 的奇函数。
一个完全填满的电子能带，电子在能带上的分布，在k 空间具有中心对称性，即一个电子处于k 态，其能量为E(k )，则必有另一个与其能量相同的E (-k )=E (k )电子处于-k 态。
当不存在外电场时，尽管对于每一个电子来证，都带有一定的电流-e v ，但是k 态和-k 态的电子电流-e v (k )和-e v (-k )正好一对对相互抵消，所以说没有宏观电流。
当存在外电场或外磁场时，电子在能带中分布具有k 空间中心对称性的情况仍不会改变。
以一维能带为例，图5-6-1中k 轴上的点子表示简约布里渊区内均匀分布的各量子态的电子。
如上所述，在外电场E 的作用下，所有电子所处的状态都以速度d e dt=-k E…………………………………………………………………………………………(5-6-1) 沿k 轴移动。
由于布里渊区边界A 和A '两点实际上代表同一状态，在电子填满布里渊区所有状态即满带情况下，从A 点称动出去的电子同时就从A '点流进来，因而整个能带仍处于均匀分布填满状态，并不产生电流。
电工电子学导体绝缘体和半导体的能带论解释
才能被热激发，这些声子的波矢q<<qm。可以认为， kF与qm同数量级，因此， 长波声子的波矢q<< 电子的 波矢k。而每次散射电子损失的准动量为
k
k 1 cos 2
k
sin
2
2
kF 2 / 2
由于 k k kF q
q kF T
所以，电子每次散射的准动量损失
禁带宽度(Band gap)
是指一个能带宽度(单位是电子伏特(eV))，固体中电子的能量是不可以连续 取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子存在，自由电子存 在的能带称为导带（能导电），被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得 足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。例如：锗的禁 带宽度为0.66ev；硅的禁带宽度为1.12ev；砷化镓的禁带宽度为1.46ev；氧化 亚铜的禁带宽度为2.2eV。禁带非常窄的一般是金属，反之一般是绝缘体。 半导体的反向耐压，正向压降都和禁带宽度有关。
T
在低温下，当T<<D时，只有 j kBT 的长
波声学声子才能被热激发，晶格热容量CLT3，因此 晶格振动的总能量T4。如果声子的平均能量近似为 kBT，那么，系统的总声子数就正比于T3。因此，有
单位时间内的散射次数 T 3 （当T<<D时）
另一方面，由于对金属电导有贡献的只是在费米
面附近的一小部分电子，其波矢近似等于费米波矢，
半导体：其禁带宽度一般较窄：Eg介于0.2 ~ 3.5 eV之间 常规半导体：如 Si：Eg ~ 1.1eV； Ge： Eg ~ 0.7 eV；GaAs： Eg ~ 1.5 eV 宽带隙半导体：如－SiC： Eg ~ 2.3 eV； 4H－SiC： Eg~ 3 eV
论导体、绝缘体、半导体的区别与联系
！
Ｎｏ． ５
Ｔ ＭＥ Ｉ ＥＤＵＣＡＴＩ ＯＮ Ｍａ ｙ
论导体 、 绝缘体 、 半导体 的 区别 与联 系
王韶 宇
摘要 ： 导体 、 绝缘 体、 导体 可以从 定义和 实质 两方面来区别。定义划分 ： 半 物理学 中， 导体 、 绝缘 体、 导体 主要 是根据导 电性 能的 半 强弱来 区分 的； 实质 区别 ： 导体 、 绝缘 体、 导体 实质 上的 区别在 于构成 它们 的物质的微观结构 不同。但 是 ， 半 导体 、 绝缘体 、 导体之 间 半 没有绝对的界 线 ， 在外部条件 （ 如温度、 高压等 ） 生变化时 ， ｆ￣ Ｎ可以相 互转化 。 发 它－ ｌ ＇ ］
用下 ， 、 正 负离子向相反的方向发生定 向移动形成 电流 ， 正离子移
意义重 大。如有 的半导 体 ， 在受到压力后 电阻发生较 大变化 ， 利 用这种半导体可 以做成体积很小的压敏元件 ， 它可以把压力的变 化 转变成电流的变化 ， 使人们测 出电流变化后 而知 压力 变化 。有 的半导体在受 热后电阻随温度的升高而迅速减小 ， 利用 这种半 导 体 可以做成体积很小 的热敏电阻 ， 热敏 电阻可 以用来测量大 范围 内的温度变化 ， 反应快 ， 而且精 确度 高。另外还有许多重要应用 ， 如半导体二极管 的单 向导 电性 、 三极管 的放大作用等 。 导 体 、 缘体 、 绝 半导体之 间没有绝对 的界线 ， 在外部条件 （ 如 温度 、 高压等 ） 发生变化 时 ， 它们之间可 以相互转化 。有些绝缘体 可转化为导体 。如干燥 的木柴通常情况下不 导电 ， 变湿后就成为 导体能 导电 了； 玻璃是相 当好的绝缘体 ， 给玻璃加热 到红炽状 但
半导体物理知识
半导体物理知识整理作者：日期：基础知识1.导体, 绝缘体和半导体的能带结构有什么不同?并以此说明半导体的导电机理（两种载流子参与导电）与金属有何不同？导体：能带中一定有不满带半导体：T=0K，能带中只有满带和空带；T>0K,能带中有不满带禁带宽度较小，一般小于2eV 绝缘体：能带中只有满带和空带禁带宽度较大，一般大于2eV 在外场的作用下，满带电子不导电，不满带电子可以导电总有不满带的晶体就是导体，总是没有不满带的晶体就是绝缘体半导体不时最容易导电的物质，而是导电性最容易发生改变的物质，用很方便的方法，就可以显著调节半导体的导电特性金属中的电子，只能在导带上传输，而半导体中的载流子：电子和空穴，却能在两个通道：价带和导带上分别传输信息2.什么是空穴?它有哪些基本特征?以硅为例，对照能带结构和价键结构图理解空穴概念。
当满带附近有空状态k'时，整个能带中的电流，以及电流在外场作用下的变化，完全如同存在一个带正电荷e和具有正有效质量|m n* | 、速度为v （k '）的粒子的情况一样，这样假想的粒子称为空穴3.半导体材料的一般特性。
电阻率介于导体与绝缘体之间对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感（温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降；适当波长的光照可以改变半导体的导电能力）性质与掺杂密切相关（微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力）4.费米统计分布与玻耳兹曼统计分布的主要差别是什么？什么情况下费米分布函数可以转化为玻耳兹曼函数。
为什么通常情况下，半导体中载流子分布都可以用玻耳兹曼分布来描述。
费米分布受到了泡利不相容原理的限制，而在E-EF>>k0T 的条件下，泡利原理失去作用，可以化简为玻尔兹曼分布。
在半导体中，最常遇到的情况是费米能级EF位于禁带内，而且与导带底和价带顶的距离远大于k0T，所以，对导带中的所有量子态来说，被电子占据的概率一般都满足f（E）<<1, 故半导体导带中的电子分布可以用电子的玻尔兹曼分布函数描写5.由电子能带图中费米能级的位置和形态（如，水平、倾斜、分裂），分析半导体材料特性。
导体、半导体与绝缘体
P127图6.12导体、半导体与绝缘体的能带模型
导体A 半导体B 绝缘体C
EF
EF
Eg
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。
01
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。
一、能带的填充类型
能带中的量子态
完全不被占据而为空时
完全被占据时
部分被占据时
不满带或未满带
空带
满带
最高的满带称价带
最低的空带或未满带称导带
*
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。
P125-图6.11 电场作用下不满带中的电子分布示意图
E
E
K
K
K
K
V
V
1
2
5
4
3
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。
满带不导电
不满能带才有导电性
常识备考：生活中常见的导体、半导体和绝缘体有哪些
常识备考：生活中常见的导体、半导体和绝缘体有哪些？关于导体、半导体和绝缘体的知识点在事业单位公共基础知识的考题中出现过，在事业单位联考的常识题目中也时常会涉及。
例如在山西的事业单位考试中曾经考查过这样的一道题目：锗、硅、硒电阻率受外界条件影响极大，在电子技术和无线电技术中有广泛应用，这样的材料属于( )。
A. 导体B. 绝缘体C. 半导体D. 超导体此题的考点就是导体、半导体和绝缘体的类型和应用，而题目中的锗、硅、硒都属于半导体。
今天，小编就来给大家梳理一下生活中常见的导体、半导体和绝缘体。
考点1：生活中常见的导体一、什么是导体导体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。
二、常见的导体金属是最常见的一类导体，例如铝、铁、铜、银等，大部分金属都是导体。
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”。
第二类常见的导体是电解质的溶液，例如酸、碱、盐水溶液。
其载流子是正负离子。
实验发现，大部分纯液体虽然也能离解，但离解程度很小，因而不是导体。
电离的气体也能导电，被称为气体导体，其中的载流子是电子和正负离子。
通常情形下，气体是良好的绝缘体。
如果借助于外界原因，如加热或用X 射线、γ射线或紫外线照射，可使气体分子离解，因而电离的气体便成为导体。
生活中人们常用的物品，例如图钉、钢尺、铝条、铜线、水壶、回形针、钥匙、铅笔芯等都是导体。
石墨、水、人体、大地、湿木等等也都是常见的导体。
考点2：生活中常见的绝缘体一、什么是绝缘体不善于传导电流的物质称为绝缘体，绝缘体又称为电介质。
它们的电阻率极高。
绝缘体和导体，没有绝对的界限。
导体 半导体 绝缘体 电导率
导体半导体绝缘体电导率
导体：导体是指具有较高电导率的物质，能够自由地传导电子。
导体中的电子能够在外界电场的作用下自由移动。
典型的导体包括金属，如铜、银和铝。
半导体：半导体是指介于导体和绝缘体之间的材料。
半导体的电导率介于导体和绝缘体之间，可以通过在材料中添加掺杂剂来调控其电导性能。
半导体材料的典型代表是硅和锗。
绝缘体：绝缘体是指电导率非常低的材料，其几乎不允许电子的自由移动。
绝缘体中的电子只能非常有限地在原子间移动。
典型的绝缘体包括玻璃、橡胶和塑料。
电导率：电导率衡量了物质导电性能的能力。
它表示单位面积内的电流密度与外加电场的关系。
电导率高的物质具有良好的导电性能，而电导率低的物质则具有较差的导电性能。
电导率的单位是西门子/米（S/m）。
电工电子技术第六章
图 6-1 本征激发
2.掺杂半导体 在本征半导体中，若掺入微量的五价或三价元素，会使其 导电性能发生显著变化。掺入的五价或三价元素称为杂质 杂质。掺 杂质 有杂质的半导体称为掺杂半导体 掺杂半导体或杂质半导体，按掺入杂质元 掺杂半导体 素不同，掺杂半导体可分为N 型半导体和P 型半导体两种。
6.1.2 本征半导体和掺杂半导体
1.本征半导体 纯净而且结构完整的半导体称为本征半导体 本征半导体，它未经人 本征半导体 为的改造，具有这种元素的本来特征。 在绝对零度时，半导体所有的价电子都被束缚在共价键中， 不能参与导电，此时半导体相当于绝缘体。当温度逐渐升高或 受光照时，由于半导体共价键重的价电子并不像绝缘体种束缚 得那样紧，价电子从外界获得一定的能量，少数价电子会挣脱 共价键的束缚，成为自由电子 自由电子，同时在原共价键处出现一个空 自由电子 位，这个空位称为空穴 空穴。显然，自由电子和空穴是成对出现的， 空穴 所以称它们为电子空穴对 电子空穴对。 电子空穴对
4.非晶态半导体 非晶态半导体 原子排列短程有序、长程无序的半导体称为非晶态半 导体，主要有非晶Si、非晶Ge、非晶Te、非晶Se等元素 半导体及GeTe，As2Te3，Se2As3等非晶化合物半导体。 5.有机半导体 有机半导体 有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络合物和 高分子聚合物，一般指具有半导体性质的碳－碳双键有 机化合物。
在我们的自然界中，各种物质按导电能力划分为导体、 绝缘体、半导体。半导体 半导体指的是导电能力导体和绝缘体之 半导体 间的物质 半导体材料的最外层轨道上的电子是4个，根据其特性， 可以将半导体材料分成以下五类： 1.元素半导体 元素半导体大约有十几种，它们处于ⅢA－ⅦA族的金 属与非金属的交界处，例如Ge（锗），Si（硅），Se （硒），Te（碲）等。
导体、绝缘体和半导体的能带模型
§5-6 导体、绝缘体和半导体的能带模型尽管所有的固体都包含大量有电子，但有些固体具有很好的电子导电性能，而另一些固体则观察不到任何电子的导电性。
对于固体为什么分为导体、绝缘体和半导体呢？这一基础事实曾长期得不到解释，能带论对这一问题给出了一个理论说明，并由此逐步发展成为有关导体、绝缘体和半导体的现代理论。
晶体中电子有能量本征值分裂成一系列能带，每个能带均由N 个准连续能级组成（N 为晶体原胞数），所以，每个能带可容纳2N 个电子。
晶体电子从最低能级开始填充，被电子填满的能带称作满带，被电子部分填充的能带称为不满带，没有电子填充的能带称为空带。
能带论解释固体导电的基本观点是：满带电子不导电，而不满带中的电子对导电有贡献。
5. 6. 1 满带电子不导电从前面的知识中，已经知道，晶体中电子能量本征值E (k )是k 的偶函数，则利用（5-5-11），可以证明v (-k )=-v (k )，即v (k )是k 的奇函数。
一个完全填满的电子能带，电子在能带上的分布，在k 空间具有中心对称性，即一个电子处于k 态，其能量为E(k )，则必有另一个与其能量相同的E (-k )=E (k )电子处于-k 态。
当不存在外电场时，尽管对于每一个电子来证，都带有一定的电流-e v ，但是k 态和-k 态的电子电流-e v (k )和-e v (-k )正好一对对相互抵消，所以说没有宏观电流。
当存在外电场或外磁场时，电子在能带中分布具有k 空间中心对称性的情况仍不会改变。
以一维能带为例，图5-6-1中k 轴上的点子表示简约布里渊区内均匀分布的各量子态的电子。
如上所述，在外电场E 的作用下，所有电子所处的状态都以速度d e dt =-hk E…………………………………………………………………………………………(5-6-1) 沿k 轴移动。
由于布里渊区边界A 和A '两点实际上代表同一状态，在电子填满布里渊区所有状态即满带情况下，从A 点称动出去的电子同时就从A '点流进来，因而整个能带仍处于均匀分布填满状态，并不产生电流。
电工电子全套课件-PPT
Ge
Si
4
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体 点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四 个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其 相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
硅和锗的晶
体结构：
5
硅和锗的共价键结构
+4表示除 去价电子 后的原子
+4
+4
N 型半导体中
的载流子是什 么？
1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。 2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
15
二、P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或 铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代， 硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的
由此可以得出结论：PN结具有单向 导电性。
26
6.3 半导体二极管
6.3.1基本结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
点接触型
触丝线
PN结
引线 外壳线
基片
P
二极管的电路符号：
+
-
阳极
阴极
面接触型
N
27
6.3.2 伏安特性
I
死区电压 硅管 0.5V,锗管0.1V。
反向击穿 电压UBR
导通压降: 硅 管0.6~0.7V,锗 管0.2~0.3V。
第6章 半导体器件
1
6-1 PN结及半导体二级管
6.1 半导体的导电特性
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体， 金属一般都是导体。
半导体和绝缘体的主要区别电介质物理
半导体和绝缘体的主要区别电介质物理全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：半导体和绝缘体是一类特殊的材料，它们在电子学领域起着重要的作用。
虽然它们的外表看上去很相似，但在电学性质和应用方面却有着明显的区别。
在本文中，我们将探讨半导体和绝缘体的主要区别，以及它们在电介质物理方面的不同应用。
让我们来看看半导体和绝缘体的基本性质。
半导体是一类材料，其导电性介于导体和绝缘体之间。
它的导电性取决于外界条件，可以通过控制掺杂和施加电场来改变其导电性能。
而绝缘体则是指在正常条件下不能导电的材料，其内部电子结构形成了一个大的能隙，使得电子无法通过材料传导。
绝缘体一般用于电绝缘和绝缘保护。
半导体和绝缘体在电子结构和能带结构上也有着明显的区别。
在半导体中，由于有限的掺杂和温度等因素导致了一部分电子和空穴可以在导带和价带之间移动，形成导电效应。
而在绝缘体中，由于能带中不存在自由电子和空穴，电子无法穿越能带，因此无法传导电流。
这就是绝缘体不能导电的主要原因。
半导体和绝缘体在电学性质和应用方面也有着明显的区别。
半导体常用于电子器件中，如二极管、晶体管等，其导电性能可根据外界条件调整，在电子学器件制备中有着广泛的应用。
而绝缘体则主要用于绝缘材料和电绝缘中，如电容器、绝缘子等，其主要作用是阻止电流的传导，保护电路和设备。
第二篇示例：半导体和绝缘体是我们日常生活中经常接触到的两种电介质物质。
它们在电子学领域起着非常重要的作用，同时也在其他领域中有着广泛的应用。
在物理性质上，半导体和绝缘体存在着一些主要区别，这些区别不仅影响着它们的电导率和电性能，也影响着它们的应用范围和用途。
半导体和绝缘体在电导率上有明显的差别。
半导体的电导率介于导体和绝缘体之间，它的电导率比绝缘体小，但比导体大。
半导体的电导率可以通过外加电场或温度改变而发生变化，因此在一定条件下，可以实现导电或绝缘的转变。
而绝缘体的电导率非常小，在常温下几乎可以被视为绝缘状态，只有在极端情况下才会呈现出导电性。
电工基本知识-导体、绝缘体和半导体
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
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。
怎样正确使用钳形电流表
1 测量前，应先检查钳形铁心的橡胶绝缘是否完好无损。钳口应清洁、无锈，闭合后无明显的缝隙。
2 测量时，应先估计被测电流大小，选择适当量程。若无法估计，可先选较大量程，然后逐档减少，转换到合适的档位。转换量程档位时，必须在不带电情况下或者在钳口张开情况下进行，以免损坏仪表。
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。
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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,
E A
a
这时电子电流将只是部分抵消，而产生一定
的电流。
a
k
0
时
满带 导带
I=0
I 0
空带
6.2.2 导体、半导体和绝缘体的能带
导带 禁带
为
EV ( k )
2
2 0
3 2 k 2
(1)禁带宽度；
(2)导带底电子的有效质量和价带顶空穴的有效质量；
(3)电子由价带顶激发到导带底时，准动量的变化；
(4)在外电场作用下，导带底的电子和价带顶空穴的加速度；
(5)设a=0.25nm，=100v/m，请求出空穴自价带顶漂移到k0处 所需的时间。
2.结构变化引起的金属--绝缘体转变(Peierls转变)
设某金属，每个原胞有1个价电子，有一个半满的导带。
使原胞的晶格常量增大, 费密半径
k F 3 nπ
2 13
a n k F
半满的导带 金属 满带 绝缘体
例1：半导体材料的价带基本上填满了电子(近满带)，价 带中电子能量表示式E(k)=-1.01610-34k2(J)，其中能量顶点取 在价带顶,这时若k=1 106/cm处电子被激发到更高的能带(导
kh
k k k e k e
k k e
(2) E h ( k h ) E e ( k e )
Ee ( k e ) Ee ( k e ) E h ( k e ) E h ( k h )
(3)
v(k h ) v(k e )
k h k e E h (k h ) E e (k e )
2 2 6 2 6 2
ns电子填满了ns能带，但 ns能带与上面能带形成能 带交叠，故仍为导体。
6.2.3 近满带和空穴
满带中少数电子受激发而跃迁到空带中去，使原来的满带 变成近满带，近满带中这些空的状态，称为空穴。 空穴在外场中的行为犹如它带有正电荷+e。 设能带中有一个
ke
态没有电子，即能带中出现一个空穴，
1 [ E ( k e )] 1 [ E ( k e )] 2 [ k e ] [k e ] 2 k h [ k e ]
1 [ E ( k e )] 1 2 * [k e ] [k e ] me
8e e ae * 3m me
e
*a mh h
e ah * mh
6e m
(5)
d k h e dt
t
π a 0
dt dk h e
π dkh e e a
第 二 节 导体、半导体和绝缘体的能带论解释
本节主要内容: 6.2.1 满带电子不导电 6.2.2 导体、半导体和绝缘体的能带
6.2.3 近满带和空穴
6.2.4 金属和绝缘体的转变
§6.2 导体、半导体和绝缘 体的能带论解释
6.2.1 满带电子不导电
1.满带、导带、近满带和空带 (1)满带：能带中所有电子状态都被电子占据。
价带顶
2 3 2 k 2 2 k0 EV ( k ) 6m m
导带底 2 k 2 2 (k k 0 ) 2 E c (k ) 3m m
π k0 a
π 4m a
2 2 2
(1)导带底
dE c 0 dk
3 3π kc k0 4 4a
1 1 1 v (k h ) k E (k h ) k E (k e ) k e E (k e ) v (k e ) e h
(4)
* m* mh e
1
* mh
1 2 E (k h ) 2 k h k h
1 E ( k h ) 2 k h k h
空穴的波矢用 k 表示。 h
可以证明：
(1) k h k e (3) v ( k h ) v ( k e ) (2) E h ( k h ) E e ( k e )
(4)
* mh m e*
(1)
k h k e
满带中
k 0
如果满带中有一个电子逸失，系统的总波矢为空穴的波矢。
6.2.4 金属和绝缘体的转变
1.Wilson转变： 任何非导体材料在足够大的压强下可以实现价带和导带的 重叠，从而呈现金属导电性。 典型例子：低温下固化的隋性气体在足够高的压强下可 以发生金属化的转变。 Xe在高压下5d能带和6s能带发生交叠，呈现金属化转变。 这种与能带是否交叠相对应的金属--绝缘体的转变称为 Wilson转变。从非金属态变成金属态所需的压强称为金属化压强。
E c min
E vmax
dE v 0 价带顶 dk
kv 0
π 12m a
2 2
2 π 6m a
E g E cmin Evmax
(2)导带底
8 1 1 d2 E 2 * 2 3m m e dk k c
π a
A π
a
k
E
A
v( k ) v(k )
I=0
π a
满带
导带
A π
a
k
(2)有外电场
d k F dt
dk 1 1 F e dt
A
a
E A
k
满带：
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
1 1 d2 E 2 * 2 m e dk
例2：晶格常量为a的一维晶格，其价带顶附近的色散关系
k π 其中 k0 ，在导带底附近的色散 a 6m m 2 k 2 2 ( k k0 ) 2 关系为 Ec ( k ) 求： 3m m
空带 禁带
导体
绝缘体
半导体
有导带
绝缘体禁带宽
半导体禁带窄
几个实例
1.碱金属 Li Na
2 1
2 6 s
ns电子只占一半能带， 为导体。
K
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1
2.碱土金属 Be Mg Ca
1s2 2s2
1s2 2s2 2p6 3s2 1s 2s 2p 3s 3p 4s
* me
3m 8
价带顶
1 1 d2 E 6 2 2 m* d k e kv m
* mh
* me
m 6
* me
m 6
3 π (3) p kc kv 4a
(4)
F m* a
*a e m e e
带)，而在该处产生一个空穴，试求出此空穴的有效质量，波矢，
准动量，共有化运动速度和能量。
解: (1) 波矢： k h ke
(2)准动量： kh
(4) (5)
E h (k h ) E e (k e )
* mh m e*
(3) v ( k h ) v ( k e )
1 dE v ( k h ) v ( ke ) dk
(2)导带：能带中只有部分电子状态被电子占据,其余为空态。
(3)近满带：能带中大部分电子状态被电子占据,只有少数 空态。
(4)空带：能带中所有电子状态均未被电子占据。
2.满带和导带中电子的导电情况 (1)无外电场
E
E ( k ) E (k )
据右图可看出
A
不论是否满带，电子填充 k 和- k 的 几率相等。 又