第5章 导电物理 本章将介绍金属材料和半导体材料（也包括 半导体陶瓷）的导电机制，着重从能带结构 的角度分析材料的导电行为。本章还介绍了 利用材料的导电物理特性制得的一些功能材 料，例如p-n结、晶体管等。本章提要5.1概述5.2材料的导电性能 5.4半导体物理 5.3金属电导 5.5 超导物理 2个学时4个学时4个学时第5章 导电物理 2个学时10个学时5.4半导体物理 5.4.1半导体与p-n结5.4.2半导体的物理效应5.4.3能带理论在半导体中 的应用5.4.4半导体陶瓷的缺陷化学 理论基础2个学时2个学时2个学时4个学时5.4.2半导体的物理效应5.4.2.1余辉效应 5.4.2.1发光二极管 5.4.2.1激光二极管 5.4.2.1光伏特效应 5.4.2.1余辉效应 价带的电子受到入射光子的激发后，会跃 过禁带进入导带。如果导带上的这些被激 发的电子又跃迁回到价带时，会以放出光 子的形式来释放能量，这就是光致发光效 应，也称为荧光效应。 光致发光效应图5.18荧光产生原理 (a) 没有禁带的金属;(b) 有禁带的半导体 光致发光现象不会在金属中产生。因为在金属 中，价带没有充满电子，低能级的电子只会激 发到同一价带的高能级。在同一价带内，电子 从高能级跃迁回到低能级，所释放的能量太小 ，产生的光子的波长太长，远远超过可见光的 波长。 在某些陶瓷和半导体中，价带和导带之间的 禁带宽度不大不小，所以被激发的电子从导 带跃过禁带回到价带时释放的光子波长刚好 在可见光波段。这样的材料称为荧光材料。 日光灯灯管的内壁涂有荧光物质。管内的汞 蒸气在电场作用下发出紫外线，这些紫外线 轰击在荧光物质上使其发光。关掉电源后荧 光物质便不再发光。如果荧光材料中含有一些微量杂质，且这些杂 质的能级位于禁带内，相当于陷阱能级(Ed)， 从价带被激发的电子进入导带后，又会掉入这 些陷阱能级。因为这些被陷阱能级所捕获的激 发电子必须首先脱离陷阱能级进入导带后才能 跃迁回到价带，所以它们被入射光子激发后， 需要延迟一段时间才会发光，出现了所谓的余 辉现象。 余辉现象余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之间的能 级差，即陷阱能级深度。因为在一定温度下， 处于较深的陷阱能级上的电子被热重新激发到 导带的几率较小，或者电子进入导带后又落入 其他陷阱能级（发生多次捕获），这些情况都 使余辉时间变长，也就是使发光的衰减很慢。 余辉时间图5.19余辉产生原理 荧光材料电视机显示屏所用的荧光材料 夜光材料 ZnSCu SrAl2O4Eu,Dy 图5.20SrAl2O4Eu,Dy长余辉材料的发光原理 5.4.2.2发光二极管 余辉效应是入射光引起的半导体发光现象， 而发光二极管则是电场引起的半导体发光现 象。 图5.21注入发光能 带图 (a) 平衡p-n结; (b) 正偏注入发光 在正向偏压的作用下，p-n结势垒降低，势垒 区内建电场也相应减弱，载流子也会在正向偏 压的作用下发生扩散。n型半导体区内的多数 载流子电子扩散到p型半导体区，同时p型半导 体区内的多数载流子空穴扩散到n型半导体区 。这些注入到p区的载流子电子和注入到n区的 载流子空穴都是非平衡的少数载流子。这些非 平衡的少数载流子不断与多数载流子复合而发 光，这就是半导体p-n结发光的原理。 半导体p-n结发光的原理导致发光的能级跃迁除了可以在导带与价带 这样的带与带之间（称为本征跃迁）发生外 ，还可以在杂质能级与带之间、杂质能级之 间（称为非本征跃迁）发生。 图5.22 材料发光与能级跃迁 导带上的电子还会以热量的形式释放出一部 分能量后掉入杂质能级，然后再向价带跃迁 。这种跃迁称为间接跃迁，其能量小于禁带 宽度。间接跃迁可以有4种类型。 图5.23发光二级管的发光颜色与材料成分的关系 能级跃迁所产生的光子并不能够全部传到半 导体材料的外部来。因为从发光区发出的光 子不仅在通过半导体材料时有可能被再吸收 ，而且在半导体的表面处很可能发生全发射 而返回到半导体材料内部。为了避免这种现 象，可以将半导体材料表面制成球面，并使 发光区域处于球心位置。 5.4.2.3激光二极管 处于低能级的电子吸收一个入射光子后，从低能 级被激发到高能级，这个过程称为光吸收。 当电子从高能级跃迁回到低能级时，会辐射放出 一个光子，这种辐射称为自发辐射。 除了自发辐射外，还有一种受激辐射。在受激辐射 过程中，处于高能级的电子受到入射光子的作用， 跃迁到低能级，并辐射放出一个与入射光子在频率 、位相、传播方向、偏振状态等各方面完全相同的 光子。当注入光子时，自发辐射与受激辐射这两种 过程究竟哪一种占主导地位，取决于处于高 能级上和处于低能级上的电子数量之比。如果处于高能级上的电子数大于处于低能 级上的电子数，受激辐射就会超过光吸收 产生的自发辐射，就会导致激光的产生。高浓度掺杂的p-n结制成的激光二极管 对于高浓度掺杂的半导体p-n结，由于杂质浓度 很高，n型区内来自杂质能级的载流子电子非常 多，费密能级位于导带之中。另外，p型区的价 带中的载流子空穴也非常多，p型区的费密能级 位于价带之中。当加上正向偏压时，n区向p区 注入载流子电子，而p区向n区注入载流子空穴 。激光二极管为高浓度掺杂半导体，平衡时势 垒很高，所加正向电压不足以使势垒消失。这 些载流子电子和载流子空穴聚集在p-n结附近， 形成所谓的激活区。 图5.24半导体激光产生原理 5.4.2.4光伏特效应 光激发伏特效应是另一个重要的半导体物 理效应，是太阳能电池的理论基础。 硅太阳能电池就是利用p-n结制成 图5.25光伏特效应原理 当禁带宽度相等的p型半导体与n型半导体的 结合（即为同质结）时，由于二者的母体可 以采用同种材料（如硅），二者的结合面的 共格性能很好，很少产生缺陷，而这些缺陷 作为电子捕获中心，会降低太阳能电池的性 能。p-n结太阳能电池的特点是对半导体材料的纯 度要求很高。如果不控制好杂质原子，就得不 到所需的p型半导体和n型半导体。另外，激发 产生的空穴和电子对很容易相互结合而消失， 从而降低了电池效率。所以p-n结太阳能电池 始终难以得到大规模应用。 近年来，TiO2半导体的光催化性能引起人们 的重视。本田-藤岛（Honda-Fijishima）在 1972年发现，水溶液中的TiO2电极被光照射 后，在二氧化钛电极上会产生氧气，在对极 的铂电极上会产生氢气。光激发的电子进入 半导体电极内部，空穴到达半导体表面。此 空穴与水里的氧离子相互作用，电子则通过 铂电极与氢离子相互作用。这一效应又称为 Honda-Fijishima效应。 Honda-Fijishima效应给了人们一种利用太 阳能将水分解成氢气和氧气的可能性。电解 水最少需1.23eV的电压，所以半导体禁带至 少要1.23eV以上，实际需要2eV以上。二氧 化钛的禁带有3eV，满足此条件，SnO2也满 足此条件。 由于TiO2半导体的禁带宽度比较大，如果制 成太阳能电池，则只有波长很短的紫外线能 够将TiO2的价带电子激发到导带上去，因此 对太阳能的利用效率很低。可以在TiO2 表面 吸附染料，这些染料能够吸收大部分太阳光 线，染料中激发出来的电子又注入到TiO2 的 导带上。同时将TiO2制成纳米晶体，以增加 吸附染料的面积。这样制得所谓“纳米TiO2 染料敏化太阳能电池”。 图5.26纳米TiO2染料敏化太阳能电池工作原理