物质为什麽有自由电子就能导电

物质为什麽有自由电子就能导电
物质为什麽有自由电子就能导电

物质为什麽有自由电子就能导电
能带理论
能带理论是研究固体中电子运动规律的一种近似理论.固体由原子组成,原子又包括原子实和最外层电子,它们均处于不断的运动状态.为使问题简化,首先假定固体中的原子实固定不动,并按一定规律作周期性排列,然后进一步认为每个电子都是在固定的原子实周期势场及其他电子的平均势场中运动,这就把整个问题简化成单电子问题.能带理论就属这种单电子近似理论,它首先由F.布洛赫和L.-N.布里渊在解决金属的导电性问题时提出.具体的计算方法有自由电子近似法、紧束缚近似法、正交化平面波法和原胞法等.前两种方法以量子力学的微扰理论作为基础,只分别适用于原子实对电子的束缚很弱和很强的两种极端情形；后两种方法则适用于较一般的情形,应用较广.
能级（Energy Level）
在孤立原子中,原子核外的电子按照一定的壳层排列,每一壳层容纳一定数量的电子.每个壳层上的电子具有分立的能量值,也就是电子按能级分布.为简明起见,在表示能量高低的图上,用一条条高低不同的水平线表示电子的能级,此图称为电子能级图.
能带（Energy Band）
晶体中大量的原子集合在一起,而且原子之间距离很近,以硅为例,每立方厘米的体积内有5×1022个原子,原子之间的最短距离为0.235nm.致使离原子核较远的壳层发生交叠,壳层交叠使电子不再局限于某个原子上,有可能转移到相邻原子的相似壳层上去,也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去,这种现象称为电子的共有化.从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异,与此相对应的能级扩展为能带.
禁带（Forbidden Band）
允许被电子占据的能带称为允许带,允许带之间的范围是不允许电子占据的,此范围称为禁带.原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满,然后再占据能量更高的外面一层的允许带.被电子占满的允许带称为满带,每一个能级上都没有电子的能带称为空带.
价带（Valence Band）
原子中最外层的电子称为价电子,与价电子能级相对应的能带称为价带.
导带（Conduction Band）
价带以上能量最低的允许带称为导带.
导带的底能级表示为Ec,价带的顶能级表示为Ev,Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg.
导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的,这种电流的载体称为载流子.导体中的载流子是自由电子,半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴.对于不同的材料,禁带宽度不同,导带中电子的数目也不同,从而有不同的导电性.例如,绝缘材料SiO2的Eg约为5.2eV,导带中电子极少,所以导电性不好,电阻率大于1012Ω/cm.半导体Si的Eg约为1.1eV,导带中有一定数目的电子,从而有一定的导电性,电阻率为10-3—1012Ω/cm.金属的导带与价带有一定程度的重合,Eg=0,价电子可以在金属中自由运动,所以导电性好,电阻率为10-6—10-3Ω/cm.
孤立原子的能带
孤立原子的外层电子可能取的能量状态（能级）完全相同,但当原子彼此靠近时,外层电子就不再仅受原来所属原子的作用,还要受到其他原子的作用,这使电子的能量发生微小变化.原子结合成晶体时,原子最外层的价电子受束缚最弱,它同时受到原来所属原子和其他原子的共同作用,已很难区分究竟属于哪个原子,实际上是被晶体中所有原子所共有,称为共有化.原子间距减小时,孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的准连续能带.共有化程度越高的电子,其相应能带也越宽.孤立原子的每个能级都有一个能带与之相应,所有这些能带称为允许带.相邻两允许带间的空隙代表晶体所不能占有的能量状态,称为禁带.若晶体由N个原子（或原胞）组成,则每个能带包括N个能级,其中每个能级可被两个自旋相反的电子所占有,故每个能带最多可容纳2N个电子.价电子所填充的能带称为价带.比价带中所有量子态均被电子占满,则称为满带.满带中的电子不能参与宏观导电过程.无任何电子占据的能带称为空带.未被电子占满的能带称为未满带.例如一价金属有一个价电子,N个原子构成晶体时,价带中的2N个量子态只有一半被占据,另一半空着.未满带中的电子能参与导电过程,故称为导带.
固体的能带
固体的导电性能由其能带结构决定.对一价金属,价带是未满带,故能导电.对二价金属,价带是满带,但禁带宽度为零,价带与较高的空带相交叠,满带中的电子能占据空带,因而也能导电,绝缘体和半导体的能带结构相似,价带为满带,价带与空带间存在禁带.无机半导体的禁带宽度从0.1～2.0eV,π-π共轭聚合物的能带隙大致在1.4～4.2eV,绝缘体的禁带宽度大于4.5eV.在任何温度下,由于热运动,满带中的电子总会有一些具有足够的能量激发到空带中,使之成为导带.由于绝缘体的禁带宽度较大,常温下从满带激发到空带的电子数微不足道,宏观上表现为导电性能差.半导体的禁带宽度较小,满带中的电子只需较小能量就能激发到空带中,宏观上表现为有较大的电导率.
能带理论在阐明电子在晶格中的运动规律、固体的导电机构、合金的某些性质和金属的结合能等方面取得了重大成就,但它毕竟是一种近似理论,存在一定的局限性.例如某些晶体的导电性不能用能带理论解释,即电子共有化模型和单电子近似不适用于这些晶体.多电子理论建立后,单电子能带论的结果常作为多电子理论的起点,在解决现代复杂问题时,两种理论是相辅相成的.