【材料学】电子也“傲娇”，物质导不导电是由什么决定的

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精华笔记

半导体可以说是信息时代基础设施的基石，那么物理上如何描述材料的电学性质呢？

一、电子的分层结构

1. 原子中电子的能量是量子化的，不同的能量对应不同的电子轨道，每个轨道至多可以存在两个电子；

2. 不同轨道的能量可以是相同的，拥有相同能量的不同轨道叫做简并轨道；

3. 根据泡利不相容原理，没有任何两个费米子可以处在同一状态，电子就是一种费米子；

4. 因为电子拥有自旋，所以每个轨道中可以存在两个自旋相反的电子；

5. 原子中不同的能量等级对应于电子的层级结构。

| 泡利和原子的分层结构

二、导体和绝缘体

1. 导体是那些原子外层少于半数轨道被电子填满的物质。例如各种金属原子的最外层通常可以容纳8个电子，但是金属最外层的电子数一般都很少，所以电子可以在不同原子的外层之间来回游走。因为外层很空，电子呈现为自由电子的状态；

2. 绝缘体则是最外层多余半数轨道被电子填满的物质。由于超过半数空间被电子填满，电子不能自由迁移，所以表现为绝缘态。

三、半导体

1. 硅原子最外层电子数刚好是4个，只有半数轨道被填满；

| 硅原子的最外层有4个电子

2. 对于电子来说，是否作自由运动处于中间状态，所以硅获得了适中可控的导电性，是最佳的半导体材料。