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
5.4.1半导体与 p-n结
5.4.1.1本征半导体与非本征半导体
纯硅和纯锗属于本征半导体。这里，“本征”
是具有“原本特征”的意思。这些半导体的禁
带 Eg比较小，具有足够热能的电子能够越过禁
带，从价带被激发到导带。被激发的电子原来
占据的价带的能级上则留下一个空穴。
如果一个电子过来填充这个空穴，那么它
原来的能级上又会出现一个空穴。所以空
穴可以携带一个正电荷，空穴的移动也会
产生电流。如果在半导体材料上加上电压，
导带上的电子朝正极移动，价带上的空穴
则向负极移动
图 5.4-1在外加电压作用下,半导体中的电子在
导带中移动,空穴则在价带中朝相反方向移动
本征半导体中，通过控制温度来控制载流
子的数量及其导电性。在绝对零度时，所
有的电子都处于价带，导带中的所有能级
都是空的。当温度升高时，电子占据导带
能级的可能性也增加，半导体的导电性也
随之增加。半导体中的导电性与温度的这
种关系刚好与金属相反。在金属中，导电
性是随着温度升高而降低的。
在实际应用中，本征半导体由于两种载流
子的数量相等，显示不出它们彼此的特性。
所以不能用来制作晶体管之类的电子器件。
但是本征半导体对光、射线、温度的作用
非常敏感，使半导体的载流子数量随之发
生明显变化，因此可用来制作一些探测器。
锗比硅容易提纯，所以最初发明的半导体
三极管是锗制成的。但是，锗的禁带宽度
（ 0.67eV）只有硅的禁带宽度（ 1.11eV）
的大约一半，所以硅的电阻率比锗大，而
且在较宽的禁带中能够更加有效地设置杂
质能级，所以后来硅半导体逐渐取代了锗
半导体。硅取代锗的另一个主要原因是在
硅的表面能够形成一层极薄的 SiO2绝缘膜，
从而能够制备 MOS型三极管。
除了硅和锗以外，还出现了像砷化镓
（ GaAs）这样由 Ⅲ 族元素和 Ⅴ 族元素组成
的化合物半导体。在化合物半导体中，载
流子的移动速率远远大于硅和锗，所以能
够制备更加高速的大规模集成电路。
由于温度会影响本征半导体的导电性，所以
很难严格控制本征半导体的性能。但是，如
果在半导体材料中加入杂质，可以得到非本
征半导体。非本征半导体的导电性主要取决
于添加的杂质原子的数量，而在一定温度范
围内与温度关系不大。
5.4.1.2n型半导体和 p型半导体
如果在硅或锗中添加的施主是像锑或磷一样
的 5价元素，那么锑或磷中的 4个价电子会参
加共价键结合。富余的那个价电子有可能进
入导带，参加导电。向本征半导体提供电子
作为载流子的杂质元素称为施主。掺入了施
主杂质的非本征半导体以负电荷（电子）作
为载流子，所以称为 n（ negative，表示负
电荷的意思）型半导体。
n型半导体
施主的富余价电子所处的杂质原子的电子能级低
于半导体的导带。这个富余价电子并没有被施主
原子束缚得很紧，只要有一个很小的能量 Ed就可
以使这个电子进入导带。施主的这个价电子进入
导带后，不会在价带中产生空穴。随着温度的升
高，越来越多的施主电子越过禁带 Ed进入导带，
最后所有的施主的电子都进入导带，此时称为施
主耗尽。如果温度继续升高，电导率将维持一个
常量。在更高的温度下，才会出现本征半导体产
生的导电性。
图 5.4-2
n型半导体
a）掺杂
b）能级图
如果在硅或锗中添加的杂质是像镓（ Ga）一样
的 3价元素，没有足够的电子参与共价键的结合。
如果价带上的其他电子过来填充这个空穴，在
价带上就会产生一个新的空穴，参加导电。向
本征半导体提供空穴作为载流子的杂质元素称
为受主。掺入了受主杂质的非本征半导体以正
电荷（空穴）作为载流子，所以称为 p
（ positive，表示正电荷的意思）型半导体。
价带上的电子只有获得能量 Ea，才能跃迁上去
填充受主的空穴而在价带上产生空穴。价带上
的空穴可以移动，传导电流。
p型半导体
a）掺杂 b）能级图
图 5.4-3p型半导体
表 5.4硅与锗中的施主能级 Ed(eV)和受主的能
级 Ea(eV)
掺杂元素 硅 Ed 硅 Ea 锗 Ed 锗 Ea
P 0.045 0.0120
As 0.049 0.0127
Sb 0.039 0.0096
B 0.045 0.0104
Al 0.057 0.0102
Ga 0.065 0.0108
In 0.160 0.0112
图 5.4.4半导
体的电导率与
温度的关系
半导体的电导率与温度的关系
?本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的
数量相等，而非本征半导体中的电子载流子和
空穴载流子的数量是不相等的。
?非本征半导体中的由于杂质原子而形成的载
流子称为多数载流子，虽然掺入的杂质原子的
数量与半导体原子数量相比只是少数。而本征
半导体中由于热激发等产生的载流子称为少数
载流子。
本征半导体和非本征半导体的主要区别
化合物半导体通常具有与硅和锗相似的能带
结构。周期表的 Ⅲ 族元素和 Ⅴ 族元素是典型
的例子。 Ⅲ 族元素镓（ Ga）和 Ⅴ 族元素砷
（ As）结合在一起形成化合物砷化镓。在砷
化镓中，每个原子平均有 4个价电子。镓的
4s24p1 能级与砷的 4s24p3 的能级形成 2个
杂化能带。每个能带能够容纳 4N个电子。价
带和导带之间的禁带宽度为 1.35eV。砷化镓
半导体掺杂后也可以形成 p型半导体或 n型半
导体。化合物半导体的禁带较大，所以耗尽
区平台也较宽。而且化合物半导体中载流子
的移动速率较大，所以它的导电性比较好。
离子化合物半导体又称为缺陷半导体。在离
子化合物半导体中，如果含有多余的阴离子，
则为 p型半导体；含有多余的阳离子，则为 n
型半导体。许多氧化物和硫化物都有这种半
导体性能。
图 5.4.5n型半导体 ZnO的形成
半导体热电仪。半导体的导电性与温度有关。
利用这一特性可以制成半导体热电仪，用于
火灾报警器。
压力传感器。能带结构和禁带结构与材料中
的原子之间的距离有关。处于高压下的半导
体材料，其原子间距离变小，禁带也随之变
小，电导率增大。所以通过测量电导率的变
化，就可以测量压力。
半导体的应用
5.4.1.2p-n结
图 5.4.6p-n结的导电行为
图 5.4.7p-n结的伏安特性
图 5.4.8p-n结的整流效应
p-n结的反向击穿
在 p-n结处于反向偏压时，一般只有很小的
漏电流，这是由于热激发的少量电子和空穴
引起的。但是，如果反向偏压太大，通过 p-
n结的绝缘区的漏电流的载流子将会被大大
加速，从而激发出其他的载流子，导致在反
向偏压下也产生一个很大的电流。这种现象
称为 p-n结的反向击穿
可以通过调节半导体掺杂和 p-n结的结构
来改变 p-n结的反向许可电压。当电路上
的电压超过反向许可电压时,p-n结的反
向电流将迅速增加，其结果不仅有可能损
坏 p-n结，也会对电路的其他部分产生影
响。
利用 p-n结的反向电流特性制备稳压二极
管或齐纳（ Zener ）二极管，可以用来保
护电路不受突然出现的过高电压的危害。
晶体管
图 5.4.9n-p-n型晶体管电路及其结构
图 5.4.10n-p-n型 MOS场效应管
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
5.4.1半导体与 p-n结
5.4.1.1本征半导体与非本征半导体
纯硅和纯锗属于本征半导体。这里，“本征”
是具有“原本特征”的意思。这些半导体的禁
带 Eg比较小，具有足够热能的电子能够越过禁
带，从价带被激发到导带。被激发的电子原来
占据的价带的能级上则留下一个空穴。
如果一个电子过来填充这个空穴，那么它
原来的能级上又会出现一个空穴。所以空
穴可以携带一个正电荷，空穴的移动也会
产生电流。如果在半导体材料上加上电压，
导带上的电子朝正极移动，价带上的空穴
则向负极移动
图 5.4-1在外加电压作用下,半导体中的电子在
导带中移动,空穴则在价带中朝相反方向移动
本征半导体中，通过控制温度来控制载流
子的数量及其导电性。在绝对零度时，所
有的电子都处于价带，导带中的所有能级
都是空的。当温度升高时，电子占据导带
能级的可能性也增加，半导体的导电性也
随之增加。半导体中的导电性与温度的这
种关系刚好与金属相反。在金属中，导电
性是随着温度升高而降低的。
在实际应用中，本征半导体由于两种载流
子的数量相等，显示不出它们彼此的特性。
所以不能用来制作晶体管之类的电子器件。
但是本征半导体对光、射线、温度的作用
非常敏感，使半导体的载流子数量随之发
生明显变化，因此可用来制作一些探测器。
锗比硅容易提纯，所以最初发明的半导体
三极管是锗制成的。但是，锗的禁带宽度
（ 0.67eV）只有硅的禁带宽度（ 1.11eV）
的大约一半，所以硅的电阻率比锗大，而
且在较宽的禁带中能够更加有效地设置杂
质能级，所以后来硅半导体逐渐取代了锗
半导体。硅取代锗的另一个主要原因是在
硅的表面能够形成一层极薄的 SiO2绝缘膜，
从而能够制备 MOS型三极管。
除了硅和锗以外，还出现了像砷化镓
（ GaAs）这样由 Ⅲ 族元素和 Ⅴ 族元素组成
的化合物半导体。在化合物半导体中，载
流子的移动速率远远大于硅和锗，所以能
够制备更加高速的大规模集成电路。
由于温度会影响本征半导体的导电性，所以
很难严格控制本征半导体的性能。但是，如
果在半导体材料中加入杂质，可以得到非本
征半导体。非本征半导体的导电性主要取决
于添加的杂质原子的数量，而在一定温度范
围内与温度关系不大。
5.4.1.2n型半导体和 p型半导体
如果在硅或锗中添加的施主是像锑或磷一样
的 5价元素，那么锑或磷中的 4个价电子会参
加共价键结合。富余的那个价电子有可能进
入导带，参加导电。向本征半导体提供电子
作为载流子的杂质元素称为施主。掺入了施
主杂质的非本征半导体以负电荷（电子）作
为载流子，所以称为 n（ negative，表示负
电荷的意思）型半导体。
n型半导体
施主的富余价电子所处的杂质原子的电子能级低
于半导体的导带。这个富余价电子并没有被施主
原子束缚得很紧，只要有一个很小的能量 Ed就可
以使这个电子进入导带。施主的这个价电子进入
导带后，不会在价带中产生空穴。随着温度的升
高，越来越多的施主电子越过禁带 Ed进入导带，
最后所有的施主的电子都进入导带，此时称为施
主耗尽。如果温度继续升高，电导率将维持一个
常量。在更高的温度下，才会出现本征半导体产
生的导电性。
图 5.4-2
n型半导体
a）掺杂
b）能级图
如果在硅或锗中添加的杂质是像镓（ Ga）一样
的 3价元素，没有足够的电子参与共价键的结合。
如果价带上的其他电子过来填充这个空穴，在
价带上就会产生一个新的空穴，参加导电。向
本征半导体提供空穴作为载流子的杂质元素称
为受主。掺入了受主杂质的非本征半导体以正
电荷（空穴）作为载流子，所以称为 p
（ positive，表示正电荷的意思）型半导体。
价带上的电子只有获得能量 Ea，才能跃迁上去
填充受主的空穴而在价带上产生空穴。价带上
的空穴可以移动，传导电流。
p型半导体
a）掺杂 b）能级图
图 5.4-3p型半导体
表 5.4硅与锗中的施主能级 Ed(eV)和受主的能
级 Ea(eV)
掺杂元素 硅 Ed 硅 Ea 锗 Ed 锗 Ea
P 0.045 0.0120
As 0.049 0.0127
Sb 0.039 0.0096
B 0.045 0.0104
Al 0.057 0.0102
Ga 0.065 0.0108
In 0.160 0.0112
图 5.4.4半导
体的电导率与
温度的关系
半导体的电导率与温度的关系
?本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的
数量相等，而非本征半导体中的电子载流子和
空穴载流子的数量是不相等的。
?非本征半导体中的由于杂质原子而形成的载
流子称为多数载流子，虽然掺入的杂质原子的
数量与半导体原子数量相比只是少数。而本征
半导体中由于热激发等产生的载流子称为少数
载流子。
本征半导体和非本征半导体的主要区别
化合物半导体通常具有与硅和锗相似的能带
结构。周期表的 Ⅲ 族元素和 Ⅴ 族元素是典型
的例子。 Ⅲ 族元素镓（ Ga）和 Ⅴ 族元素砷
（ As）结合在一起形成化合物砷化镓。在砷
化镓中，每个原子平均有 4个价电子。镓的
4s24p1 能级与砷的 4s24p3 的能级形成 2个
杂化能带。每个能带能够容纳 4N个电子。价
带和导带之间的禁带宽度为 1.35eV。砷化镓
半导体掺杂后也可以形成 p型半导体或 n型半
导体。化合物半导体的禁带较大，所以耗尽
区平台也较宽。而且化合物半导体中载流子
的移动速率较大，所以它的导电性比较好。
离子化合物半导体又称为缺陷半导体。在离
子化合物半导体中，如果含有多余的阴离子，
则为 p型半导体；含有多余的阳离子，则为 n
型半导体。许多氧化物和硫化物都有这种半
导体性能。
图 5.4.5n型半导体 ZnO的形成
半导体热电仪。半导体的导电性与温度有关。
利用这一特性可以制成半导体热电仪，用于
火灾报警器。
压力传感器。能带结构和禁带结构与材料中
的原子之间的距离有关。处于高压下的半导
体材料，其原子间距离变小，禁带也随之变
小，电导率增大。所以通过测量电导率的变
化，就可以测量压力。
半导体的应用
5.4.1.2p-n结
图 5.4.6p-n结的导电行为
图 5.4.7p-n结的伏安特性
图 5.4.8p-n结的整流效应
p-n结的反向击穿
在 p-n结处于反向偏压时，一般只有很小的
漏电流，这是由于热激发的少量电子和空穴
引起的。但是，如果反向偏压太大，通过 p-
n结的绝缘区的漏电流的载流子将会被大大
加速，从而激发出其他的载流子，导致在反
向偏压下也产生一个很大的电流。这种现象
称为 p-n结的反向击穿
可以通过调节半导体掺杂和 p-n结的结构
来改变 p-n结的反向许可电压。当电路上
的电压超过反向许可电压时,p-n结的反
向电流将迅速增加，其结果不仅有可能损
坏 p-n结，也会对电路的其他部分产生影
响。
利用 p-n结的反向电流特性制备稳压二极
管或齐纳（ Zener ）二极管，可以用来保
护电路不受突然出现的过高电压的危害。
晶体管
图 5.4.9n-p-n型晶体管电路及其结构
图 5.4.10n-p-n型 MOS场效应管
