导体,绝缘体和半导体的本质
什 么是导体?常说是有自由电子在里面。什么叫做自由电子呢?就是一个能够不费力从一处运动到另一处的电子。这是一个经典的图像,实际上,量子力学的电子,与 其说是一“处”运动到另一“处”,不如说是从一个“态”运动到另一个电子“态”。而电子的“运动”,更确切的说叫做“散射”。简而言之,如果有足够多的未 被电子占据的,即容许电子散射以后落脚的“态”,则它会形成导体。如下图。每一个横线代表一个态,外加电压后,电子可以散射到空的未被电子占据的态上。
反 之,绝缘体里,没有允许的态可供电子“落脚”,因此电子数目多也动不了。实际上,正是因为电子过多,占据了所有可用的态,才使得电子“无态可去”。外加电 压(不要很高的电压),也不会形成电流,如下图。因为电流就意味着电子的移动,移动就需要电子有个新的“落脚点”,落脚点是必须是一个未被电子填入的态。
一言以蔽之,绝缘体就是没有允许的“空”态供电子散射之后“落脚”。
举 个例子,稀有气体如Ar气,它们低温下形成的固体即不是导体,因为电子已经填满。再比如Cl原子,明明外层有7个电子,若成为固体,却也形成不了导体,因 为仅有1个容许的电子态。而Na, K的固体却是很好的导体——外层一个电子,有7个允许的“坑”供它去填,电子的“灵活度”就高多了。
这仅仅给了一个很肤浅的模型,因为整个内容需要全部的能带理论来描述。但不必灰心,这已经抓住了固体物理的精髓。
那什么是半导体呢?半导体,需要给电子一点点能量,才能把电子散射到一堆允许落脚的态上,变成导体。在不给电子这个外加能量时,它像绝缘体;给了外加能量,就会把电子散射到一些需要能量才能到达的态上,变为导体。外加能量的来源,可以是外加电压,也可以是温度的激发。
多讲一句,在这里,这些“态”,未必是电子的位置,它们可以是与电子的动量类似的一个物理量,叫做晶格动量——不同的态不代表不同的空间位置,而代表不同的晶格动量。实际上,晶格动量就是标记电子态的量子数。
什 么是导体?常说是有自由电子在里面。什么叫做自由电子呢?就是一个能够不费力从一处运动到另一处的电子。这是一个经典的图像,实际上,量子力学的电子,与 其说是一“处”运动到另一“处”,不如说是从一个“态”运动到另一个电子“态”。而电子的“运动”,更确切的说叫做“散射”。简而言之,如果有足够多的未 被电子占据的,即容许电子散射以后落脚的“态”,则它会形成导体。如下图。每一个横线代表一个态,外加电压后,电子可以散射到空的未被电子占据的态上。
反 之,绝缘体里,没有允许的态可供电子“落脚”,因此电子数目多也动不了。实际上,正是因为电子过多,占据了所有可用的态,才使得电子“无态可去”。外加电 压(不要很高的电压),也不会形成电流,如下图。因为电流就意味着电子的移动,移动就需要电子有个新的“落脚点”,落脚点是必须是一个未被电子填入的态。
一言以蔽之,绝缘体就是没有允许的“空”态供电子散射之后“落脚”。
举 个例子,稀有气体如Ar气,它们低温下形成的固体即不是导体,因为电子已经填满。再比如Cl原子,明明外层有7个电子,若成为固体,却也形成不了导体,因 为仅有1个容许的电子态。而Na, K的固体却是很好的导体——外层一个电子,有7个允许的“坑”供它去填,电子的“灵活度”就高多了。
这仅仅给了一个很肤浅的模型,因为整个内容需要全部的能带理论来描述。但不必灰心,这已经抓住了固体物理的精髓。
那什么是半导体呢?半导体,需要给电子一点点能量,才能把电子散射到一堆允许落脚的态上,变成导体。在不给电子这个外加能量时,它像绝缘体;给了外加能量,就会把电子散射到一些需要能量才能到达的态上,变为导体。外加能量的来源,可以是外加电压,也可以是温度的激发。
多讲一句,在这里,这些“态”,未必是电子的位置,它们可以是与电子的动量类似的一个物理量,叫做晶格动量——不同的态不代表不同的空间位置,而代表不同的晶格动量。实际上,晶格动量就是标记电子态的量子数。