第4章材料的導(dǎo)電性能

1、材料電學(xué)性能：指材料在外電場(chǎng)作用下表現(xiàn)出來(lái)的行為。材料電學(xué)性能：指材料在外電場(chǎng)作用下表現(xiàn)出來(lái)的行為。材料電學(xué)性能的一般簡(jiǎn)介材料電學(xué)性能的一般簡(jiǎn)介導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能以帶電粒子以帶電粒子( (載流子載流子) )長(zhǎng)程遷移，即長(zhǎng)程遷移，即傳導(dǎo)的方式對(duì)外電場(chǎng)作出的響應(yīng)。傳導(dǎo)的方式對(duì)外電場(chǎng)作出的響應(yīng)。以感應(yīng)方式對(duì)外電場(chǎng)（包括頻率、以感應(yīng)方式對(duì)外電場(chǎng)（包括頻率、溫度）等物理作用作出的響應(yīng)，溫度）等物理作用作出的響應(yīng)，即產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩的改即產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩的改變。如：鐵電性、壓電性等。變。如：鐵電性、壓電性等。介電性能介電性能電學(xué)性能電學(xué)性能 電阻與導(dǎo)電的基本概念電阻與導(dǎo)電的基本概念1 1 導(dǎo)電導(dǎo)

2、電 當(dāng)在材料的兩端施加電壓時(shí)，材料中有電流流過(guò)當(dāng)在材料的兩端施加電壓時(shí)，材料中有電流流過(guò) 歐姆定律歐姆定律2 2 電阻電阻 與材料的性質(zhì)有關(guān)與材料的性質(zhì)有關(guān) 還與材料的長(zhǎng)度及截面積有關(guān)還與材料的長(zhǎng)度及截面積有關(guān)3 3 電阻率電阻率 只與材料本性有關(guān)只與材料本性有關(guān) 而與導(dǎo)體的幾何尺寸無(wú)關(guān)而與導(dǎo)體的幾何尺寸無(wú)關(guān) 評(píng)定導(dǎo)電性的基本參數(shù)評(píng)定導(dǎo)電性的基本參數(shù)RIV4 4 電導(dǎo)率電導(dǎo)率 愈大，材料導(dǎo)電性能就越好愈大，材料導(dǎo)電性能就越好5 5 材料分類(lèi)材料分類(lèi)超導(dǎo)體、導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體超導(dǎo)體、導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體 10-27m 超導(dǎo)體超導(dǎo)體 10-3m 導(dǎo)體導(dǎo)體 10-3109m半導(dǎo)體半導(dǎo)體 109m

3、絕緣體絕緣體注意：不同的手冊(cè)，劃分范圍不盡相同。注意：不同的手冊(cè)，劃分范圍不盡相同。載流子載流子電子（金屬、合金）電子（金屬、合金）電子和空穴（半導(dǎo)體）電子和空穴（半導(dǎo)體）離子和空位（離子類(lèi)材料）離子和空位（離子類(lèi)材料）超導(dǎo)體的導(dǎo)電性來(lái)自于庫(kù)柏電子對(duì)超導(dǎo)體的導(dǎo)電性來(lái)自于庫(kù)柏電子對(duì)導(dǎo)電能力相差很大，決定于結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電本質(zhì)導(dǎo)電能力相差很大，決定于結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電本質(zhì)2 045V VIAR .SRLVELIJS.EJEIJS.LRS.VE L.ELJ SLSAreaLengthi電流密度（單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的電荷） 微分式說(shuō)明導(dǎo)體中某點(diǎn)的電流密度正比于該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度微分式說(shuō)明導(dǎo)體中某點(diǎn)的電流密度正比于該

4、點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度,比例系數(shù)為電導(dǎo)率比例系數(shù)為電導(dǎo)率。 電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度E伏特伏特/厘米厘米; 電流密度電流密度J安培安培/厘米厘米2; 電阻率電阻率歐姆歐姆.厘米厘米; 電導(dǎo)率電導(dǎo)率西門(mén)子西門(mén)子.厘米厘米-1.EJE電導(dǎo)率即單位電場(chǎng)強(qiáng)度下的電流密度。電導(dǎo)率即單位電場(chǎng)強(qiáng)度下的電流密度。電流密度是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的電荷。電流密度是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的電荷。設(shè)材料中的載流子所帶電荷是設(shè)材料中的載流子所帶電荷是q,q,載流子濃度載流子濃度( (單位體積的載流單位體積的載流子數(shù)目）是子數(shù)目）是n,n,載流子運(yùn)動(dòng)速度是載流子運(yùn)動(dòng)速度是n，則電流密度：則電流密度：JEJ=nqn將將 帶入帶入 有：有：

5、 J=nqnJE =nqn n/E =niqim mi遷移率遷移率m m：電子的運(yùn)動(dòng)速度和電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，單電子的運(yùn)動(dòng)速度和電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，單 位電場(chǎng)下，載流子的運(yùn)動(dòng)速度叫遷移率。位電場(chǎng)下，載流子的運(yùn)動(dòng)速度叫遷移率。Enm =nqm m 經(jīng)典自由電子導(dǎo)電理論經(jīng)典自由電子導(dǎo)電理論量子自由電子理論量子自由電子理論能帶理論能帶理論三個(gè)重要階段三個(gè)重要階段 4.2.1 金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 1）正離子構(gòu)成的完整晶體點(diǎn)陣；）正離子構(gòu)成的完整晶體點(diǎn)陣； （電場(chǎng)均勻）（電場(chǎng)均勻）2）價(jià)電子完全自由化、公有化，彌散分布整個(gè)點(diǎn)陣；）價(jià)電子完全自由化、公有化，彌散分布整個(gè)點(diǎn)陣； （價(jià)電子為

6、自由電子）（價(jià)電子為自由電子） 一、經(jīng)典自由電子理論一、經(jīng)典自由電子理論假設(shè)：假設(shè)： 經(jīng)典自由電子理論學(xué)說(shuō)成功地解釋了導(dǎo)電性和導(dǎo)熱經(jīng)典自由電子理論學(xué)說(shuō)成功地解釋了導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的關(guān)系，但在應(yīng)用中遇到很多問(wèn)題：性的關(guān)系，但在應(yīng)用中遇到很多問(wèn)題： 高價(jià)金屬導(dǎo)電性不如一價(jià)金屬；高價(jià)金屬導(dǎo)電性不如一價(jià)金屬； 無(wú)法解釋金屬、半導(dǎo)體和絕緣體材料導(dǎo)電性能的巨大無(wú)法解釋金屬、半導(dǎo)體和絕緣體材料導(dǎo)電性能的巨大差異差異 。主要原因：用經(jīng)典力學(xué)理論不能正確反映微觀質(zhì)點(diǎn)主要原因：用經(jīng)典力學(xué)理論不能正確反映微觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。假設(shè)：假設(shè)：1）正離子構(gòu)成的完整晶體點(diǎn)陣；）正離子構(gòu)成的完整晶體點(diǎn)陣； （電場(chǎng)均勻

7、）（電場(chǎng)均勻）2）價(jià)電子的能量狀態(tài)是按照量子化的規(guī)律分布。）價(jià)電子的能量狀態(tài)是按照量子化的規(guī)律分布。 （具有不同能級(jí)）（具有不同能級(jí)）2、量子自由電子理論、量子自由電子理論 量子自由電子理論較好地解釋了金屬導(dǎo)電性，量子自由電子理論較好地解釋了金屬導(dǎo)電性，一價(jià)金屬比一價(jià)金屬比二、三價(jià)金屬導(dǎo)電性較好，二、三價(jià)金屬導(dǎo)電性較好，但仍無(wú)法解釋鐵磁性等問(wèn)題，但仍無(wú)法解釋鐵磁性等問(wèn)題，為什么？為什么？原因：假定金屬中的離子所產(chǎn)生的勢(shì)場(chǎng)是均勻的。原因：假定金屬中的離子所產(chǎn)生的勢(shì)場(chǎng)是均勻的。 假設(shè)：假設(shè)： 3 3、能帶理論、能帶理論假設(shè)：假設(shè)：1）正離子構(gòu)成的晶體點(diǎn)陣形成周期性勢(shì)場(chǎng)；）正離子構(gòu)成的晶體點(diǎn)陣形成周

8、期性勢(shì)場(chǎng)； （電場(chǎng)不均勻）（電場(chǎng)不均勻）2）價(jià)電子在離子周期勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，能量隨著其位置）價(jià)電子在離子周期勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，能量隨著其位置的變化呈周期性變化（的變化呈周期性變化（近正離子時(shí)勢(shì)能低，離開(kāi)時(shí)近正離子時(shí)勢(shì)能低，離開(kāi)時(shí)勢(shì)能增高是準(zhǔn)自由電子勢(shì)能增高是準(zhǔn)自由電子）。）。禁帶禁帶：能隙：能隙所對(duì)應(yīng)的能所對(duì)應(yīng)的能帶。帶。允帶允帶：電子：電子可以具有的可以具有的能級(jí)所組成能級(jí)所組成的能帶。的能帶。在允帶中每在允帶中每個(gè)能級(jí)只允個(gè)能級(jí)只允許有兩個(gè)自許有兩個(gè)自旋反向的電旋反向的電子存在子存在填滿的能帶填滿的能帶 滿帶：所有能級(jí)都被價(jià)電子占滿的允帶滿帶：所有能級(jí)都被價(jià)電子占滿的允帶 價(jià)帶：占有電子的能量最高的

9、允帶。價(jià)帶：占有電子的能量最高的允帶。 空帶：未被電子填充的允帶?？諑В何幢浑娮犹畛涞脑蕩А?導(dǎo)帶：相應(yīng)于價(jià)帶以上的允帶及未被占滿的導(dǎo)帶：相應(yīng)于價(jià)帶以上的允帶及未被占滿的價(jià)帶價(jià)帶 禁帶禁帶：能隙所對(duì)應(yīng)的能帶。：能隙所對(duì)應(yīng)的能帶。 導(dǎo)帶導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電，滿帶電子不自由不導(dǎo)電中的電子導(dǎo)電，滿帶電子不自由不導(dǎo)電。2 2）能帶結(jié)構(gòu)中的有關(guān)概念：）能帶結(jié)構(gòu)中的有關(guān)概念：3 3）能帶理論對(duì)固體導(dǎo)電性的解釋?zhuān)海┠軒Ю碚搶?duì)固體導(dǎo)電性的解釋?zhuān)嘿M(fèi)米能級(jí)：費(fèi)米能級(jí)：0K0K時(shí)電子占據(jù)的最高能級(jí)。時(shí)電子占據(jù)的最高能級(jí)。 半導(dǎo)體，禁帶寬度小，在絕對(duì)半導(dǎo)體，禁帶寬度小，在絕對(duì)0K時(shí)，電子在價(jià)帶中，時(shí)，電子在價(jià)帶中，導(dǎo)帶空

10、，無(wú)導(dǎo)電能力。一旦獲得能量導(dǎo)帶空，無(wú)導(dǎo)電能力。一旦獲得能量Eg既可以導(dǎo)電。既可以導(dǎo)電。 絕緣體禁帶寬度大，難以越過(guò)，不導(dǎo)電。絕緣體禁帶寬度大，難以越過(guò)，不導(dǎo)電。 金屬的禁帶為金屬的禁帶為0，導(dǎo)電性好；，導(dǎo)電性好； 半導(dǎo)體的禁帶居中（在半導(dǎo)體的禁帶居中（在3eV以?xún)?nèi)），導(dǎo)電性差；以?xún)?nèi)），導(dǎo)電性差； 絕緣體的禁帶最寬（近絕緣體的禁帶最寬（近6eV以上），不能導(dǎo)電。以上），不能導(dǎo)電。 半導(dǎo)體和絕緣體材料的能帶結(jié)構(gòu)相同，但禁帶寬度不同。半導(dǎo)體和絕緣體材料的能帶結(jié)構(gòu)相同，但禁帶寬度不同。 能帶理論可以解釋金屬和半導(dǎo)體的導(dǎo)電現(xiàn)象，卻難以能帶理論可以解釋金屬和半導(dǎo)體的導(dǎo)電現(xiàn)象，卻難以解釋陶瓷、玻璃和高分子等

11、非金屬材料的導(dǎo)電機(jī)理。解釋陶瓷、玻璃和高分子等非金屬材料的導(dǎo)電機(jī)理。無(wú)機(jī)材料無(wú)機(jī)材料中，載流子有兩類(lèi)：中，載流子有兩類(lèi)： 離子和離子空位，故稱(chēng)離子和離子空位，故稱(chēng)離子電導(dǎo)離子電導(dǎo)； 電子和空穴；（類(lèi)似半導(dǎo)體材料）電子和空穴；（類(lèi)似半導(dǎo)體材料）離子電導(dǎo)導(dǎo)電機(jī)理：離子電導(dǎo)導(dǎo)電機(jī)理： 離子晶體中空位的遷移。涉及離子運(yùn)動(dòng)離子晶體中空位的遷移。涉及離子運(yùn)動(dòng)本征電導(dǎo)：本征電導(dǎo)：晶體點(diǎn)陣中基本離子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電導(dǎo)。晶體點(diǎn)陣中基本離子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電導(dǎo)。雜質(zhì)電導(dǎo)：雜質(zhì)電導(dǎo)：結(jié)合力弱的離子運(yùn)動(dòng)造成，主要是雜質(zhì)離子。結(jié)合力弱的離子運(yùn)動(dòng)造成，主要是雜質(zhì)離子。離子移位產(chǎn)生電流離子移位產(chǎn)生電流晶體的離子電導(dǎo)可以分為兩類(lèi)晶體的

12、離子電導(dǎo)可以分為兩類(lèi)玻璃的導(dǎo)電機(jī)理：玻璃的導(dǎo)電機(jī)理：原因：堿金屬離子在結(jié)構(gòu)中的可動(dòng)性原因：堿金屬離子在結(jié)構(gòu)中的可動(dòng)性( (在空位之間跳躍在空位之間跳躍) )所導(dǎo)致的。所導(dǎo)致的。 (a)堿金屬含量不大時(shí)，堿金屬含量不大時(shí)，與堿金屬含量呈直線關(guān)系，堿與堿金屬含量呈直線關(guān)系，堿金屬只增加離子數(shù)目；但堿金屬含量超過(guò)一定限度時(shí)，金屬只增加離子數(shù)目；但堿金屬含量超過(guò)一定限度時(shí)，與堿金屬含量呈指數(shù)關(guān)系，這是因?yàn)閴A金屬含量的增加破與堿金屬含量呈指數(shù)關(guān)系，這是因?yàn)閴A金屬含量的增加破壞了玻璃的網(wǎng)絡(luò)，而使玻璃結(jié)構(gòu)更加松散，因而活化能降壞了玻璃的網(wǎng)絡(luò)，而使玻璃結(jié)構(gòu)更加松散，因而活化能降低，低， 導(dǎo)電率指數(shù)式上升。導(dǎo)電

13、率指數(shù)式上升。 玻璃的組成對(duì)玻璃的電阻影響很大玻璃的組成對(duì)玻璃的電阻影響很大 (b) (b) 雙堿效應(yīng)雙堿效應(yīng) 應(yīng)用條件：當(dāng)堿金屬離子總濃應(yīng)用條件：當(dāng)堿金屬離子總濃度較大時(shí)（占玻璃度較大時(shí)（占玻璃25-30%25-30%），），在堿金屬離子總濃度相同情況在堿金屬離子總濃度相同情況下，含兩種堿比含一種堿的電下，含兩種堿比含一種堿的電導(dǎo)率要小，比例恰當(dāng)時(shí)，可降導(dǎo)率要小，比例恰當(dāng)時(shí)，可降到最低到最低( (降低降低4 45 5個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)) )。 (3) (3)壓堿效應(yīng)壓堿效應(yīng) 含堿玻璃中加入二價(jià)金屬氧化物，尤含堿玻璃中加入二價(jià)金屬氧化物，尤其是重金屬氧化物，可使玻璃電導(dǎo)率其是重金屬氧化物，可使玻

14、璃電導(dǎo)率降低，這是因?yàn)槎r(jià)離子與玻璃體中降低，這是因?yàn)槎r(jià)離子與玻璃體中氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以致堵住了離子的遷移通道，絡(luò)結(jié)構(gòu)，以致堵住了離子的遷移通道，使堿金屬離子移動(dòng)困難，使堿金屬離子移動(dòng)困難， 從而減小了從而減小了玻璃的電導(dǎo)率。也可這樣理解，二價(jià)玻璃的電導(dǎo)率。也可這樣理解，二價(jià)金屬離子的加入，加強(qiáng)玻璃的網(wǎng)絡(luò)形金屬離子的加入，加強(qiáng)玻璃的網(wǎng)絡(luò)形成，從而降低了堿金屬離子的遷移能成，從而降低了堿金屬離子的遷移能力。力。 Kamerlingh Onnes4.2K附近，水銀的電阻突然下降到無(wú)法附近，水銀的電阻突然下降到無(wú)法測(cè)量的程度或者說(shuō)電阻為零測(cè)量

15、的程度或者說(shuō)電阻為零超導(dǎo)電性超導(dǎo)電性 - -在一定的低溫條件下材料突然失去電阻的現(xiàn)象。在一定的低溫條件下材料突然失去電阻的現(xiàn)象。 -材料由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)的溫度稱(chēng)為臨界溫度，材料由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)的溫度稱(chēng)為臨界溫度，并以并以TcTc表示。表示。4.4.1 4.4.1 超導(dǎo)電性的微觀機(jī)理超導(dǎo)電性的微觀機(jī)理 載流子：庫(kù)柏電子對(duì)載流子：庫(kù)柏電子對(duì)(BCS)(BCS) 電子電子聲子相互作用所產(chǎn)生電子對(duì)。聲子相互作用所產(chǎn)生電子對(duì)。 雜質(zhì)原子和缺陷對(duì)電子對(duì)不能進(jìn)行有效的散射雜質(zhì)原子和缺陷對(duì)電子對(duì)不能進(jìn)行有效的散射 4.4.2 兩個(gè)基本特性?xún)蓚€(gè)基本特性：完全導(dǎo)電性：完全導(dǎo)電性： 把超導(dǎo)體做成圓環(huán)

16、，放把超導(dǎo)體做成圓環(huán)，放在磁場(chǎng)中，冷卻到小于在磁場(chǎng)中，冷卻到小于TcTc，把外磁場(chǎng)突然去掉，則通過(guò)把外磁場(chǎng)突然去掉，則通過(guò)磁感應(yīng)作用，沿著圓環(huán)將產(chǎn)磁感應(yīng)作用，沿著圓環(huán)將產(chǎn)生感生電流。生感生電流。 由于圓環(huán)的電阻為零，由于圓環(huán)的電阻為零，感生電流將永不衰竭，稱(chēng)為感生電流將永不衰竭，稱(chēng)為永久電流。永久電流。 環(huán)內(nèi)感應(yīng)電流使環(huán)內(nèi)的環(huán)內(nèi)感應(yīng)電流使環(huán)內(nèi)的磁通保持不變，稱(chēng)為凍結(jié)磁磁通保持不變，稱(chēng)為凍結(jié)磁通通。完全抗磁性：完全抗磁性： 處于超導(dǎo)狀態(tài)的金屬，處于超導(dǎo)狀態(tài)的金屬，內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B始終為零。始終為零。 不僅外加磁場(chǎng)不能進(jìn)入不僅外加磁場(chǎng)不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，原來(lái)處于磁場(chǎng)超導(dǎo)體內(nèi)部，原來(lái)處

17、于磁場(chǎng)中的正常態(tài)樣品，當(dāng)溫度下中的正常態(tài)樣品，當(dāng)溫度下降使其變成超導(dǎo)體時(shí)，也會(huì)降使其變成超導(dǎo)體時(shí)，也會(huì)把原來(lái)在體內(nèi)的磁場(chǎng)完全排把原來(lái)在體內(nèi)的磁場(chǎng)完全排除出去。完全抗磁性通常稱(chēng)除出去。完全抗磁性通常稱(chēng)為邁斯納效應(yīng)為邁斯納效應(yīng)(Meissner)。三、超導(dǎo)電性三、超導(dǎo)電性超導(dǎo)態(tài)的三個(gè)性能參數(shù)超導(dǎo)態(tài)的三個(gè)性能參數(shù) 溫度（TC）超導(dǎo)體必須冷卻至某一臨界溫度以下才能保持其超導(dǎo)性。臨界電流密度（JC）通過(guò)超導(dǎo)體的電流密度必須小于某一臨界電流密度才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。臨界磁場(chǎng)（HC）施加給超導(dǎo)體的磁場(chǎng)必須小于某一臨界磁場(chǎng)才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。以上三個(gè)參數(shù)彼此關(guān)聯(lián)，其相互關(guān)系如右圖所示。 導(dǎo)電的前提：在外

18、界能量導(dǎo)電的前提：在外界能量( (如熱、輻射如熱、輻射) )、價(jià)帶中、價(jià)帶中的電子獲得能量躍遷到導(dǎo)帶中去；的電子獲得能量躍遷到導(dǎo)帶中去； 導(dǎo)電機(jī)制：電子與空穴。導(dǎo)電機(jī)制：電子與空穴。 本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：純凈的無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶。純凈的無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶。 本征電導(dǎo)：本征電導(dǎo)：載流子由半導(dǎo)體晶格本身提供，是由熱激載流子由半導(dǎo)體晶格本身提供，是由熱激發(fā)產(chǎn)生的，其濃度與溫度呈指數(shù)關(guān)系。發(fā)產(chǎn)生的，其濃度與溫度呈指數(shù)關(guān)系。 導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電和價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電同時(shí)存在，載導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電和價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電同時(shí)存在，載流子電子和空穴的濃度是相等的。流子電子和空穴的濃度是相等的。 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)

19、電機(jī)理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子空穴吸引附近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流可以認(rèn)為空穴是載流子。子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。 1. n 1. n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很大，例如，單晶硅中摻大，例如，單晶硅中摻(1/10(1/10萬(wàn)萬(wàn)) )硼，導(dǎo)電能力將增大硼，導(dǎo)

20、電能力將增大10001000倍。雜倍。雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為質(zhì)半導(dǎo)體可分為n n型型( (可提供電子可提供電子) )和和p p型型( (會(huì)吸收電子，造成空穴會(huì)吸收電子，造成空穴) )。在四價(jià)的在四價(jià)的SiSi單晶中摻入五價(jià)的雜質(zhì)砷，一個(gè)砷原子外層有五單晶中摻入五價(jià)的雜質(zhì)砷，一個(gè)砷原子外層有五個(gè)電子，取代一個(gè)硅原子后，其中四個(gè)同相鄰的四個(gè)硅原子個(gè)電子，取代一個(gè)硅原子后，其中四個(gè)同相鄰的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，還多出一個(gè)電子，它離導(dǎo)帶很近，只差形成共價(jià)鍵，還多出一個(gè)電子，它離導(dǎo)帶很近，只差E E1 1 = = 0.05eV0.05eV，為硅禁帶寬度的，為硅禁帶寬度的5%5%，很容易激發(fā)到導(dǎo)帶中去。這種，很

21、容易激發(fā)到導(dǎo)帶中去。這種“多余多余”電子的雜質(zhì)能級(jí)稱(chēng)為施主能級(jí)，電子的雜質(zhì)能級(jí)稱(chēng)為施主能級(jí)，n n型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。多余多余電子電子磷原子磷原子n型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中的載流子是什的載流子是什么？么？1 1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2 2、本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。、本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱(chēng)為由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱(chēng)為多數(shù)載流多數(shù)載流子子（多子多子），空穴稱(chēng)為），空穴稱(chēng)為少數(shù)載

22、流子少數(shù)載流子（少子少子）。）。+4+4+5+4 2 p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 若在若在SiSi中摻入第三族元素中摻入第三族元素( (如如B)B)，因其外層只有三個(gè)價(jià)電，因其外層只有三個(gè)價(jià)電子，子， 這樣它和硅形成共價(jià)鍵這樣它和硅形成共價(jià)鍵就少了一個(gè)電子就少了一個(gè)電子( (出現(xiàn)了一個(gè)出現(xiàn)了一個(gè)空穴能級(jí)空穴能級(jí)) )此能級(jí)距價(jià)帶很近，此能級(jí)距價(jià)帶很近，只差只差E E1 1 = 0.045eV = 0.045eV，價(jià)帶中的，價(jià)帶中的電子激發(fā)到此能級(jí)上比越過(guò)電子激發(fā)到此能級(jí)上比越過(guò)整個(gè)禁帶容易整個(gè)禁帶容易(1.1eV)(1.1eV)。這種。這種雜質(zhì)能級(jí)稱(chēng)為受主能級(jí)，雜質(zhì)能級(jí)稱(chēng)為受主能級(jí)，P P型型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。IIII、p 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)使得硼原子成為不能移動(dòng)