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材料导电能力的差异
电导率
导体、超导体、半导体和绝缘体的区别不仅是电导率的大小,它们的能带结构和导电机理也有很大的不同。
固体的能带
固体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构.
固体中的电子受到周期性势场的作用。
a
电子的能量是量子化的;
电子的运动有隧道效应.
原子的外层电子(高能级)势垒穿透概率较大,电子可以在整个固体中运动,称为共有化电子.
原子的内层电子与原子核结合较紧,不是共有化电子.
量子力学计算表明,固体中若有N个原子,由于各原子间的相互作用,对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了N条靠得很近的能级,称为能带。
能带(energyband)
能带的宽度记作E,数量级为E~eV
若N~1023,则能带中两能级的间距约10-23eV。
一般规律:
(1)越是外层电子,能带越宽,E越大。
(2)点阵间距越小,能带越宽,E越大。
(3)两个能带有可能重叠。
(排满电子)
(有电子排布的最外层能带)
(未排电子)亦称导带
(不能排电子)
有关能带被占据情况的几个名词:
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空带
价带(非满带)
禁带
Eg
导带
禁带
Eg
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价带(满带)
导带
E
它们的导电性能不同,是因为它们的能带结构不同.
固体按导电性能的高低可以分为导体、半导体、绝缘体
固体的导电性
绝缘体
Eg
满带
空带
半导体
Eg
满带
空带
导体
价带
从绝缘体的能带结构看,是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带(Eg约3~6eV),共有化电子很难从低能级(满带)跃迁到高能级(空带)上去.
在外电场的作用下,共有化电子很难接受外电场的能量,所以形不成电流。
从半导体的能带结构看,满带与空带之间也是禁带,但是禁带很窄(~2eV).
半导体
绝缘体
绝缘体与半导体的击穿
当外电场非常强时,.
一、导体的能带结构
导体的能带结构如图1所示,有三种结构:(a)有未充满的能带,能带间相互重叠,无禁带;(b)价电子充满下面的能带,上面紧接着另一个空能带,无禁带;(c)有未充满的能带,该能带与上面的空带间有禁带。但是,不论何种结构,导体中均存在电子运动的通道即导带。
(a)类的导带由未满带、重带和空带构成,(b)类的导带由空带组成,(c)类的导带由未满带构成。电子进入导带运动均不需要能带间跃迁。
导体材料
大量的共有化电子很易获得能量,集体定向流动形成电流。
从能级图上来看,是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。
E
导体
,在外电场作用下,电子很容易从较低能级跃迁到高能级.
二、导体的导电机理
经典理论是自由电子理论,认为电子在金属导体中运动时不受任何外力作用,相互之间也无作用,即金属导体中电子的势能是个常数。但实际上,电子势能是个周期函数,不是常数,因此,它不是自由电子,这就是能带理论。