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
5.4.3能带理论在半导体中的应用
5.4.3.1半导体的表面能级
5.4.3.2半导体与半导体的接触
5.4.3.3半导体与金属的接触
5.4.3.1半导体的表面能级
能带结构是在无限扩展的 3维晶体产生的周
期场的前提下得到的。
在材料的表面势场不再与晶体内部的周期性
势场相同，所以材料表面的电子能级分布就
会发生变化。
图 5.29晶体表面的能带结构
图 5.30n型半导体的表面能级
判断一个系统是否处于平衡状态的根据是看其
费密能级是否相等。两个分立的材料，费密面
可以不一样。但如果这两个材料连成一个系统，
就会在这两个材料之间发生电荷的移动，最终
使费密能级相等。
由于电子从内部向表面迁移，在表面会出现负
电荷，而接近表面的内部会因缺少电子而出现
带正电荷的空穴。这些空穴的存在，使 n型半
导体的表面附近出现了一个 p型的反转层。
在能带结构图中，电子的能级向上为越来越高，
空穴的能级向下为越来越高。如果外来的射线将
价带的电子激发到导带，同时在价带留下空穴。
这些激发电子就会向半导体内部移动，而空穴则
会向半导体表面移动。
图 5.31 p型半导体的表面能带结构
5.4.3.2半导体与半导体的接触
p-n结
图 5.32表示 p-n结在结合瞬间的能级状态
图 5.33热平衡状态下的
p-n
(a) 扩散电位 ;(b) 杂质浓
度 ;(c) 载流子浓度；
(d) 空间电荷
以接触面为界限,n型区域有一个带正电的空
间电荷层，在 p型区域有一个带负电的空间电
荷层。这个空间电荷层产生一个扩散电压。顺
着扩散电压的方向，即 p型区域为正电位,n型
区域为负电位时，载流子容易流动。而逆着扩
散电位的方向，即 p型区域为负电位,n型区域
为正电位时，载流子不容易流动。这就是 p-n
结整流的原理。
p-n结整流的原理
当太阳光射入到 p-n结时,p型区域和 n型区域都有
可能出现电子激发现象。 n型区域的价带电子被激
发到导带上后，就停留在 n型的导带上，而在 n型
价带上同时形成的空穴会迁移到能量更稳定的 p型
的价带上去。 p型区域的价电子被激发到导带上后，
将迁移到能量更稳定的 n型的导带上，而在 p型区
域价带上同时形成的空穴则停留在该价带上。 p-n
结不仅能将光子能量转变成电荷能量，更重要的是
能够在空间位置上将正负电荷分离开来。如果在 p-
n结的外部接上回路，这些被分离的正负电荷就可
以通过回路相互结合，这就是太阳能电池。
太阳能电池
可以将两个禁带宽度不同的半导体材料组成 p-
n结。这种由不同材料组成的 p-n结又称异质结。
此时，禁带较宽的半导体将吸收波长较长的光
线，禁带较窄的半导体则吸收波长较短的光线，
可以利用的太阳光波长范围更大，从而增加了
太阳能利用效率。由于长波光线的穿透能力差
一些，所以此时一般都将禁带宽度较大的半导
体设计在朝向太阳光一侧，这种半导体又称为
电池的窗口材料。
异质结
图 5.34异质结的光伏特效应原理
5.4.3.3半导体与金属的接触
典型的金属与半导体接触有两类：一类是整流
接触，即制成肖特基势垒二极管，另一类是非
触状态与这两种材料的功函数有关。
所谓材料的功函数，是指材料的费密能级与真
空能级之间的差值。
图 5.35金属与 n型半导体的整流接触
(a) 接触前 ;(b) 接触后
如果加上偏压，使金属与负极连接，半导体与正
极连接，电子在此偏压的作用下从金属流向半导
体，要越过一个很大的势垒。故此时为反向偏压，
电流很小。如果使金属与正极连接，半导体与负
极连接，电子在此偏压下从半导体流向金属，要
越过的势垒较小，此时为正向偏压，电流较大。
所以这样的金属与半导体接触状态具有整流效应。
n型半导体与金属接触的情况,
假设 ФM>ФS
图 5.36金属与 p型半导体的整流接触
肖特基势垒二极管高频特性好，开关速度快，
由于它是杂质引起的多数载流子在起作用，
不是由于热产生的本征激发的少数载流子起
作用，所以热噪声很低。
欧姆接触
当 n型半导体与金属接触,
且 ФM <ФS时
此时金属的费密能级较高，电子从金属流向半导
体，使金属表面带正电。半导体表面因积累电子
而带负电，半导体内部电子增多而费密能级上升。
当半导体和金属的费密能级相等时，电子停止流
动，达到平衡状态。半导体表面能带向下弯曲，
金属与半导体界面没有势垒。无论所加的偏压极
性如何，电子都可以自由通过界面，此时的半导
体与金属的接触状态称为欧姆接触
当 p型半导体与金属接触，且 ФM>ФS时，
也形成欧姆接触。
实际工作中，常通过重掺杂半导体与金属接
触，使其势垒很薄，电子可以通过隧道效应
穿过势垒，从而形成欧姆接触。
欧姆接触是设计和制造超高频、大功率器件
的关键问题，因为半导体元件都需要通过电
极引线与外部电路进行电学连接，而欧姆接
触效应则广泛地应用于这些电极引线的设计
生产中。
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
5.4.3能带理论在半导体中的应用
5.4.3.1半导体的表面能级
5.4.3.2半导体与半导体的接触
5.4.3.3半导体与金属的接触
5.4.3.1半导体的表面能级
能带结构是在无限扩展的 3维晶体产生的周
期场的前提下得到的。
在材料的表面势场不再与晶体内部的周期性
势场相同，所以材料表面的电子能级分布就
会发生变化。
图 5.29晶体表面的能带结构
图 5.30n型半导体的表面能级
判断一个系统是否处于平衡状态的根据是看其
费密能级是否相等。两个分立的材料，费密面
可以不一样。但如果这两个材料连成一个系统，
就会在这两个材料之间发生电荷的移动，最终
使费密能级相等。
由于电子从内部向表面迁移，在表面会出现负
电荷，而接近表面的内部会因缺少电子而出现
带正电荷的空穴。这些空穴的存在，使 n型半
导体的表面附近出现了一个 p型的反转层。
在能带结构图中，电子的能级向上为越来越高，
空穴的能级向下为越来越高。如果外来的射线将
价带的电子激发到导带，同时在价带留下空穴。
这些激发电子就会向半导体内部移动，而空穴则
会向半导体表面移动。
图 5.31 p型半导体的表面能带结构
5.4.3.2半导体与半导体的接触
p-n结
图 5.32表示 p-n结在结合瞬间的能级状态
图 5.33热平衡状态下的
p-n
(a) 扩散电位 ;(b) 杂质浓
度 ;(c) 载流子浓度；
(d) 空间电荷
以接触面为界限,n型区域有一个带正电的空
间电荷层，在 p型区域有一个带负电的空间电
荷层。这个空间电荷层产生一个扩散电压。顺
着扩散电压的方向，即 p型区域为正电位,n型
区域为负电位时，载流子容易流动。而逆着扩
散电位的方向，即 p型区域为负电位,n型区域
为正电位时，载流子不容易流动。这就是 p-n
结整流的原理。
p-n结整流的原理
当太阳光射入到 p-n结时,p型区域和 n型区域都有
可能出现电子激发现象。 n型区域的价带电子被激
发到导带上后，就停留在 n型的导带上，而在 n型
价带上同时形成的空穴会迁移到能量更稳定的 p型
的价带上去。 p型区域的价电子被激发到导带上后，
将迁移到能量更稳定的 n型的导带上，而在 p型区
域价带上同时形成的空穴则停留在该价带上。 p-n
结不仅能将光子能量转变成电荷能量，更重要的是
能够在空间位置上将正负电荷分离开来。如果在 p-
n结的外部接上回路，这些被分离的正负电荷就可
以通过回路相互结合，这就是太阳能电池。
太阳能电池
可以将两个禁带宽度不同的半导体材料组成 p-
n结。这种由不同材料组成的 p-n结又称异质结。
此时，禁带较宽的半导体将吸收波长较长的光
线，禁带较窄的半导体则吸收波长较短的光线，
可以利用的太阳光波长范围更大，从而增加了
太阳能利用效率。由于长波光线的穿透能力差
一些，所以此时一般都将禁带宽度较大的半导
体设计在朝向太阳光一侧，这种半导体又称为
电池的窗口材料。
异质结
图 5.34异质结的光伏特效应原理
5.4.3.3半导体与金属的接触
典型的金属与半导体接触有两类：一类是整流
接触，即制成肖特基势垒二极管，另一类是非
触状态与这两种材料的功函数有关。
所谓材料的功函数，是指材料的费密能级与真
空能级之间的差值。
图 5.35金属与 n型半导体的整流接触
(a) 接触前 ;(b) 接触后
如果加上偏压，使金属与负极连接，半导体与正
极连接，电子在此偏压的作用下从金属流向半导
体，要越过一个很大的势垒。故此时为反向偏压，
电流很小。如果使金属与正极连接，半导体与负
极连接，电子在此偏压下从半导体流向金属，要
越过的势垒较小，此时为正向偏压，电流较大。
所以这样的金属与半导体接触状态具有整流效应。
n型半导体与金属接触的情况,
假设 ФM>ФS
图 5.36金属与 p型半导体的整流接触
肖特基势垒二极管高频特性好，开关速度快，
由于它是杂质引起的多数载流子在起作用，
不是由于热产生的本征激发的少数载流子起
作用，所以热噪声很低。
欧姆接触
当 n型半导体与金属接触,
且 ФM <ФS时
此时金属的费密能级较高，电子从金属流向半导
体，使金属表面带正电。半导体表面因积累电子
而带负电，半导体内部电子增多而费密能级上升。
当半导体和金属的费密能级相等时，电子停止流
动，达到平衡状态。半导体表面能带向下弯曲，
金属与半导体界面没有势垒。无论所加的偏压极
性如何，电子都可以自由通过界面，此时的半导
体与金属的接触状态称为欧姆接触
当 p型半导体与金属接触，且 ФM>ФS时，
也形成欧姆接触。
实际工作中，常通过重掺杂半导体与金属接
触，使其势垒很薄，电子可以通过隧道效应
穿过势垒，从而形成欧姆接触。
欧姆接触是设计和制造超高频、大功率器件
的关键问题，因为半导体元件都需要通过电
极引线与外部电路进行电学连接，而欧姆接
触效应则广泛地应用于这些电极引线的设计
生产中。
