《材料物理性能》课程教学课件（PPT讲稿）材料的电学性质（导体、绝缘体和半导体）

材料的电学性质 导体、绝缘体和半导体

材料的电学性质 导体、绝缘体和半导体

材料的导电特性 传统上按照材料的导电能力来划分： 分类名称 导电能力 导体 电阻率一般小于10-42cm 绝缘体 电阻率一般大于108Dcm,高的达 10102cm以上 半导体 电阻率一般介于10-3~1082cm

材料的导电特性 传统上按照材料的导电能力来划分：

材料的导电特性 ·按照传统观点，金刚石是一种典型的绝缘体。但，随着 人们对客观事物认识水平的提高和认识层次的深入，研 究者们发现金刚石电学性质的很多方面很趋近于半导体。 伴随量子力学的发展，人们使用量子力学作为工具对很 多晶体进行了研究，发现导体、半导体和绝缘体最本质 的差别在于物质的能带结构不同

材料的导电特性 • 按照传统观点，金刚石是一种典型的绝缘体。但，随着 人们对客观事物认识水平的提高和认识层次的深入，研 究者们发现金刚石电学性质的很多方面很趋近于半导体。 伴随量子力学的发展，人们使用量子力学作为工具对很 多晶体进行了研究，发现导体、半导体和绝缘体最本质 的差别在于物质的能带结构不同

从霍尔效应说起 ·1879年E.H.霍尔发现当电流通过一个位于磁场中的导体 的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运 动方向上的作用力，从而在导体的两端产生电压差，这 个效应被称为霍尔效应

从霍尔效应说起 • 1879年E.H. 霍尔发现当电流通过一个位于磁场中的导体 的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运 动方向上的作用力，从而在导体的两端产生电压差，这 个效应被称为霍尔效应

霍尔效应的解读 ·运动的电荷在磁场中的偏转行为： ·根据运动电荷在磁场中的受力 E •电荷偏转情况如图所示：

霍尔效应的解读 • 运动的电荷在磁场中的偏转行为： • 根据运动电荷在磁场中的受力 • 电荷偏转情况如图所示：

P型半导体和N型半导体 ·常识告诉我们，P型半导体是正型半导体，它的导电载流 子是带正电的空穴；N型半导体是负型半导体，它的导 电载流子是带负点的自由电子。 ·但事实上，这种认识本身并不够准确。或者说，不够深 入。 ·空穴是什么？是带正电的电子吗？还是电离掉电子有的 离子实？ 一思考并讨论

P型半导体和N型半导体 • 常识告诉我们，P型半导体是正型半导体，它的导电载流 子是带正电的空穴；N型半导体是负型半导体，它的导 电载流子是带负点的自由电子。 • 但事实上，这种认识本身并不够准确。或者说，不够深 入。 • 空穴是什么？是带正电的电子吗？还是电离掉电子有的 离子实？ ——思考并讨论

半导体的能带结构 ·什么是能带？ ·能带就是晶体中的所有原子包含的原子核和电子在晶体 结构的现实中经过相互作用所形成的新的电子能级分布 形式的称呼。常见表示形式： 导带 举带 价带 【1111 k广10o1 硅者的能肃结构

半导体的能带结构 • 什么是能带？ • 能带就是晶体中的所有原子包含的原子核和电子在晶体 结构的现实中经过相互作用所形成的新的电子能级分布 形式的称呼。常见表示形式：

能带是怎么形成的？ ·一句话：电子的公有化运动 1、玻耳的氢原子理论 口在原子中，电子不是在任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定条 件的轨道上运动。这些轨道称为稳定轨道，它具有因定的能量。沿此 轨道运动的电子，称为处在定态的电子，它既不吸收能量，也不发射 能量。 口电子在不同轨道上运动时其有不同的能量，即具有许多定态。最低能 量的定态，称为基态。当原子从外界吸收能量，电子可以跃迁到离核 较远的轨道上去，这时原子和电子所处的状态，称为激发态。通常把 这些具有不连续能量的定态称为能级。 口处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，这时电子 会以光的形式释放能量。电子跃迁以光的形式释放或吸收能量，光的 频率决定于较高和较低能级轨道之间的能量差：D=E2一E

能带是怎么形成的？ • 一句话：电子的公有化运动

公有化过程简单说 口原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局 限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上 去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。这种运动称为 电子的共有化运动。 注意：各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电子 只能在相似壳层间转移。 35 口共有化运动的产生是由 于不同原子的相似壳层的 交叠，如图1—5所示

公有化过程简单说

电子公有化运动的结果 ·使原本孤立的电子外层电子能量发生分化、重组 ·以氢原子和氦原子为例： 看我的黑板画 ·推广到经典的半导体元素Si来说，由N个Si原子组成的硅 半导体，外层价电子数为4N个，组合前能级数目为4N, 因此组合后能级数目也必须是4N个。根据能级升降规律， 2N个上升，2N个下降

电子公有化运动的结果 • 使原本孤立的电子外层电子能量发生分化、重组 • 以氢原子和氦原子为例： • 看我的黑板画 • 推广到经典的半导体元素Si来说，由N个Si原子组成的硅 半导体，外层价电子数为4N个，组合前能级数目为4N， 因此组合后能级数目也必须是4N个。根据能级升降规律， 2N个上升，2N个下降