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
5.1概述
在许多情况下，材料的导电性能比力学
性能还重要。
导电材料、电阻材料、电热材料、半导体
材料、超导材料和绝缘材料等都是以材料
的导电性能为基础的。
5.1概述
举例,
?长距离传输电力的金属导线应该具有很高
的导电性，以减少由于电线发热造成的电
力损失。
?陶瓷和高分子的绝缘材料必须具有不导电
性，以防止产生短路或电弧。
?作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要
求更高，以追求尽可能高的太阳能利用效率。
能够携带电荷的粒子称为载流子。
在金属、半导体和绝缘体中携带电荷的
载流子是电子
在离子化合物中，携带电荷的载流子
则是离子。
5.1概述
控制材料的导电性能实际上就是控制材
料中的载流子的数量和这些载流子的移
动速率。
对于金属材料来说，载流子的移动速率特
别重要。
对于半导体材料来说，载流子的数量更为
重要。
载流子的移动速率取决于原子之间的结合
键、晶体点阵的完整性、微结构以及离子
化合物中的扩散速率。
5.1概述
部分材料的电导率
材料 电子结构 电导率
（ Ω-1·cm-1）
碱金属 Na 1s22s22p63s1 2.13× 105
碱土金属 Mg 1s22s22p63s2 2.25× 105
Ⅲ A族金属 Al 1s22s22p63s23p1 3.77× 105
过渡族金属 Fe,.....3d64s2 1.00× 105
Ⅳ 族元素材料 Si,...........3s23p2 5× 10-6
高分子材料聚乙烯 10-15
陶瓷材料 Al2O3 10-14
5.1概述
?经典自由电子论
?量子自由电子论
?能带理论
分析理论
5.1概述
经典自由电子论
金属是由原子点阵组成的，价电子是完全自
由的，可以在整个金属中自由运动自由电子
的运动遵守经典力学的运动规律，遵守气体
分子运动论。这些电子在一般情况下可沿所
有方向运动 等
这些电子在一般情况下可沿所有方向运动。
在电场作用下自由电子将沿电场的反方向运
动，从而在金属中产生电流。电子与原子的
碰撞妨碍电子的继续加速，形成电阻。
5.1概述
成功,
困难,
可以推导出欧姆定律、
焦尔 -楞次定律等
?一价金属和二价金
属的导电问题
?电子比热
问题根源在于它是立足于牛顿力学
5.1概述
一价金属和二价金属的导电问题
按照自由电子的概念，二价金属的价电子比
一价金属多，似乎二价金属的导电性比一价
金属好很多。但是实际情况并不是这样。
材料 电子结构 电导率
（ Ω-1·cm-1）
碱金属 Na 1s22s22p63s1 2.13× 105
碱土金属 Mg 1s22s22p63s2 2.25× 105
5.1概述
电子比热问题
按照经典自由电子论，金属中价电子如同
气体分子一样，在温度 T下每 1个电子的
平均能量为 3kBT/2(kB为玻耳兹曼常数 )。
对于一价金属来说，每 1mol电子气的能
量 Ee=NA3kBT/2=3RT/2，式中 NA为阿佛
加德罗常数,NA=6.022× 1023mol-1,R为
气体常数。 1mol电子气的热容
Cev=dEe/dT=3R/2≈3cal/mol。这一结果
比试验测得的热容约大 100倍。
5.1概述
经典自由电子论的问题根源在于它是立
足于牛顿力学的，而对微观粒子的运动
问题，需要利用量子力学的概念来解决。
5.1概述
量子自由电子论
金属离子所形成的势场各处都是均
匀的，价电子是共有化的，它们不束
缚于某个原子上，可以在整个金属内
自由地运动，电子之间没有相互作用。
电子运动服从量子力学原理 。
5.1概述
由于在量子自由电子中，电子的能级是分立
的不连续的，只有那些处于较高能级的电子
才能够跳到没有别的电子占据的更高能级上
去，那些处于低能级的电子不能跳到较高能
级去，因为那些较高能级已经有别的电子占
据着。这样，热激发的电子的数量远远少于
总的价电子数，所以用量子自由电子论推导
出的比热可以解释实验结果。
而经典自由电子论认为所有电子都有可能被
热激发，因而计算出的热容量远远大于实验
值。
5.1概述
量子自由电子论的问题在于认为势场是均
匀的，因此还是不能很好地解释诸如铁磁
性、相结构以及结合力等一些问题。
5.1概述
能带理论则是在量子自由电子论的基础上，
考虑了离子所造成的周期性势场的存在，
从而导出了电子在金属中的分布特点，并
建立了禁带的概念。
能带理论
5.1概述
从连续能量分布的价电子在均匀势场中的
运动，到不连续能量分布的价电子在均匀
势场中的运动，再到不连续能量分布的价
电子在周期性势场中的运动，分别是经典
自由电子论、量子自由电子论、能带理论
这三种分析材料导电性理论的主要特征。
5.1概述
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
5.1概述
在许多情况下，材料的导电性能比力学
性能还重要。
导电材料、电阻材料、电热材料、半导体
材料、超导材料和绝缘材料等都是以材料
的导电性能为基础的。
5.1概述
举例,
?长距离传输电力的金属导线应该具有很高
的导电性，以减少由于电线发热造成的电
力损失。
?陶瓷和高分子的绝缘材料必须具有不导电
性，以防止产生短路或电弧。
?作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要
求更高，以追求尽可能高的太阳能利用效率。
能够携带电荷的粒子称为载流子。
在金属、半导体和绝缘体中携带电荷的
载流子是电子
在离子化合物中，携带电荷的载流子
则是离子。
5.1概述
控制材料的导电性能实际上就是控制材
料中的载流子的数量和这些载流子的移
动速率。
对于金属材料来说，载流子的移动速率特
别重要。
对于半导体材料来说，载流子的数量更为
重要。
载流子的移动速率取决于原子之间的结合
键、晶体点阵的完整性、微结构以及离子
化合物中的扩散速率。
5.1概述
部分材料的电导率
材料 电子结构 电导率
（ Ω-1·cm-1）
碱金属 Na 1s22s22p63s1 2.13× 105
碱土金属 Mg 1s22s22p63s2 2.25× 105
Ⅲ A族金属 Al 1s22s22p63s23p1 3.77× 105
过渡族金属 Fe,.....3d64s2 1.00× 105
Ⅳ 族元素材料 Si,...........3s23p2 5× 10-6
高分子材料聚乙烯 10-15
陶瓷材料 Al2O3 10-14
5.1概述
?经典自由电子论
?量子自由电子论
?能带理论
分析理论
5.1概述
经典自由电子论
金属是由原子点阵组成的，价电子是完全自
由的，可以在整个金属中自由运动自由电子
的运动遵守经典力学的运动规律，遵守气体
分子运动论。这些电子在一般情况下可沿所
有方向运动 等
这些电子在一般情况下可沿所有方向运动。
在电场作用下自由电子将沿电场的反方向运
动，从而在金属中产生电流。电子与原子的
碰撞妨碍电子的继续加速，形成电阻。
5.1概述
成功,
困难,
可以推导出欧姆定律、
焦尔 -楞次定律等
?一价金属和二价金
属的导电问题
?电子比热
问题根源在于它是立足于牛顿力学
5.1概述
一价金属和二价金属的导电问题
按照自由电子的概念，二价金属的价电子比
一价金属多，似乎二价金属的导电性比一价
金属好很多。但是实际情况并不是这样。
材料 电子结构 电导率
（ Ω-1·cm-1）
碱金属 Na 1s22s22p63s1 2.13× 105
碱土金属 Mg 1s22s22p63s2 2.25× 105
5.1概述
电子比热问题
按照经典自由电子论，金属中价电子如同
气体分子一样，在温度 T下每 1个电子的
平均能量为 3kBT/2(kB为玻耳兹曼常数 )。
对于一价金属来说，每 1mol电子气的能
量 Ee=NA3kBT/2=3RT/2，式中 NA为阿佛
加德罗常数,NA=6.022× 1023mol-1,R为
气体常数。 1mol电子气的热容
Cev=dEe/dT=3R/2≈3cal/mol。这一结果
比试验测得的热容约大 100倍。
5.1概述
经典自由电子论的问题根源在于它是立
足于牛顿力学的，而对微观粒子的运动
问题，需要利用量子力学的概念来解决。
5.1概述
量子自由电子论
金属离子所形成的势场各处都是均
匀的，价电子是共有化的，它们不束
缚于某个原子上，可以在整个金属内
自由地运动，电子之间没有相互作用。
电子运动服从量子力学原理 。
5.1概述
由于在量子自由电子中，电子的能级是分立
的不连续的，只有那些处于较高能级的电子
才能够跳到没有别的电子占据的更高能级上
去，那些处于低能级的电子不能跳到较高能
级去，因为那些较高能级已经有别的电子占
据着。这样，热激发的电子的数量远远少于
总的价电子数，所以用量子自由电子论推导
出的比热可以解释实验结果。
而经典自由电子论认为所有电子都有可能被
热激发，因而计算出的热容量远远大于实验
值。
5.1概述
量子自由电子论的问题在于认为势场是均
匀的，因此还是不能很好地解释诸如铁磁
性、相结构以及结合力等一些问题。
5.1概述
能带理论则是在量子自由电子论的基础上，
考虑了离子所造成的周期性势场的存在，
从而导出了电子在金属中的分布特点，并
建立了禁带的概念。
能带理论
5.1概述
从连续能量分布的价电子在均匀势场中的
运动，到不连续能量分布的价电子在均匀
势场中的运动，再到不连续能量分布的价
电子在周期性势场中的运动，分别是经典
自由电子论、量子自由电子论、能带理论
这三种分析材料导电性理论的主要特征。
5.1概述
