《高二物理竞赛导体绝缘体和半导体的能带论解释课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高二物理竞赛导体绝缘体和半导体的能带论解释课件.pptx（14页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、1、导体、绝缘体和半导体的能带论解释在k空间中，对于同一能带有 En k En k 对于同一能带，处于k态和处于k态的电子具有大小相等方向相反的速度。v k k En k v k k En k k En k v k 当没有外加电场时，在一定温度下，电子占据k态 和k态的概率相同，这两态的电子对电流的贡献相互 抵消。所以，无宏观电流I0。金属的电阻率来自电子在运动过程中受到声子、晶体中的缺陷和杂质的散射，因而与温度有密切关系。v在高温下，当T QD 时，r Tv在低温下，当T QD 时，r T5在相当宽的温度范围内，多数金属的电阻率都比较 符合Grneisen半经验公式。金属的电阻率导电率：s
2、电阻率：r m 1 t2ne t Fm 2ne tFFr ATG x Grneisen公式 G x x 0 es s1 e sx5x4 41ds DTx 在低温下，当TQD 时，只有 hwj kB T 的长波声学声子才能被热激发，晶格热容量CL T3，因此晶格振动的总能量T4。如果声子的平均能量近似为kB T，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 T3 （当TQD 时，晶体中所有振动模式都能被热激发，频率为wj 的声子的平均声子数为另一方面，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，kkF。而当TQD 时，只有能量很低的长波声学声子
3、才能被热 激发，这些声子的波矢qqm。可以认为，kF与qm 同数 量级。长波声子的波矢qkB T，因 此几乎所有杂质原子都处于基态。r rL rI 2 ne t L t I 通常，可用室温电阻率与r(0)之比R来表征样品的纯度。如：r(0)1.7109(Wcm)的 Cu样品，R103，相当于其杂质 浓度为2 105。在纯度很高的样 品中，R可高达106，而在合金样 品中，R可降至1左右。如果电子在与杂质的散射中把能量交给杂质原子，电子能量将失去过多，以致费米球内没有空态可以接纳它。因此，杂质散射所产生的电阻与温度无关，它是T0时的 电阻值，称为剩余电阻。102r/r(200K)T在金属中，其导
4、带部分填充，导带中有足够多的载流子（电子或空穴），温度升高，载流子的数目基本上 不增加。但温度升高，原子的热振动加剧，电子受声子 散射的概率增大，电子的平均自由程减小。因此，金属 的导电率随温度的升高而下降，与半导体的本征导电率 随温度的升高而迅速上升是明显不同的。Tr需要指出的是，理想导体与超导体是有区别的。超导体的两个基本特征：零电阻现象 Meissner效应（完全抗磁性）几个实例v碱金属晶体结构：体心立方（bcc），每个原胞中 有一个原子。碱金属原子基态：内壳层饱和，最外 层的 ns态有一个价电子。如Li：1s22s1；Na：1s22s22p63s1由N个碱金属原子结合成晶体时，原子的内
5、层电 子刚好填满相应的能带，而与外层ns态相应的能带却 只填充了一半。因此，碱金属是典型的金属导体。v 贵金属（Cu、Ag和Au）的情况（fcc结构）与碱金属 相似，也是典型的金属导体。碱金属的费米面 贵金属的费米面v第三族元素与碱金属的情况类似，只不过这时形成导 带的是np电子，而不是ns 电子。所以，第三族元素的 晶体绝大多数为金属。v对于二价的碱土金属元素，与碱金属元素相似，其最 外层有两个ns 电子。如Be原子基态：1s22s2；Mg：1s22s22p63s2等N个碱土金属原子中有2N个ns 电子，应刚好填满其相 应的 ns能带而形成非导体。但实际上它们是金属导体，而不是非导体。由于在
6、这些晶体中，与ns态相应的能带与上面的能带发生 重叠，因此，2N个ns 电子尚未填满相应的能带就已开始填 入更高的能带，结果使得这两个能带都是部分填充的。周期表中第四族及其以上的元素，由于其电子态和结合形式比较复杂，所以必须经过具体计算之后，才能 判断是金属还是非金属。对绝缘体，如：NaCl晶体Na原子基态：1s22s22p63s1Cl原子基态：1s22s22p63s23p5当Na原子与Cl原子结合成NaCl晶体时，Na的3s带比 Cl的3p带高约6 eV。在能量较高的Na的3s带中的N个电子 就转移到能量较低的Cl的3p带中，刚好填满Cl的3p带，而Na的3s带成为空带，其能隙Eg 6 eV，所以，NaCl晶 体为绝缘体。