教学教案 导体、绝缘体和半导体的能带模型VIP专享VIP免费

§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-ev，但是k态和-k态的电子电流-ev(k)和-ev(-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…………………………………………………………………………………………(5-6-1)沿k轴移动。由于布里渊区边界A和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。5.6.2不满带的电子导电图5-6-2给出不满带电子填充的情况，没有外电场时，电子从最低能级开始填充，而且k态和-k态总是成对地被电子填充的，所以总电流为零。存在外电场时，整个电子分布将向着电场反方向移动，由于电子受到声子或晶格不完整性的散射作用，电子的状态代表点不会无限地称动下去，而是稍稍偏离原来的分布，如图5-6-2(b)所示。当电子分布偏离中心对称状况时，各电了所荷载的电流中将只有一部分被抵消，因而总电流不为零。外加电场增强，电子分布更加偏离中心对称分布，未被抵消的电子电流就愈大，晶体总电流也就愈大。由于不满带电子可以导电，因而将不满带称作导带。图5-6-1外场下满带电子的运动F5.6.3导体、绝缘体与半导体的能带模型我们可以通过考察晶体电子填充能带的状况来判断晶体的导电性能。如果晶体电子恰好填满了最低的一系列能带，能量再高的能带都是空的，而且最高的满带与最低的空带之间存在一个很宽的禁带（如），那么，这种晶体就是绝缘体。图5-6-3（c）给出了这种晶体电子填充能带的状况。如果晶体的能带中，除了满带外，还有不满带，那么，这种晶体就是金属。半导体晶体电子填充能带的状况与绝缘体的没有本质不同，只是最高满带与最低空带之间的带隙较窄（为），这样，在T=0K时，晶体是不导电的，在T≠0K时，将有部分电子从满带顶部被激发到空带的底部，使最高的满带及最低的空带都变成部分填充电子的不满带，晶体因而具有一定的导电能力。图5-6-3画出导体、绝缘体与半导体电子填充能带的模型。碱金属（如锂、钠、钾等）及贵金属（如金、银等）每个原胞只含一个价电子。当N个这类原子结合成固体时，N个电子就占据着能带中N个最低的量子态。其余N个能量较高的量子态则是空的，即能带是半满的（每个能带可容纳2N个电子）。因此，所有碱金属、贵金属晶体都是导体。惰性气体原子的电子壳层是闭合的，电子数是偶数，所以总是将最低能带填满，而较高的能带空着。这些元素形成的固体是绝缘体的典型例子。金刚石、硅和锗的原胞含有两个四价原子，故每个原胞含有八个价电子，正好填满价电子所形成的能带。所以，这些纯净的晶体在T=0K时是绝缘体。碱土金属（如钙、锶、钡等）的每个原胞含有两个s电子，正好填满s带，碱土金属晶体似乎应该...