金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變

能帶理論成功地說(shuō)明了金屬和絕緣體、半導(dǎo)體的區(qū)別：當(dāng)溫度趨于絕對(duì)零度時(shí)，有一個(gè)或幾個(gè)能帶沒(méi)有填滿，仍有大量可以自由運(yùn)動(dòng)傳輸電流的電子的固體是導(dǎo)體；有幾個(gè)能帶完全填滿，剩下的完全空著的固體，便是絕緣體或半導(dǎo)體。滿帶和空帶之間的能量間隙稱作禁帶（見(jiàn)固體的能帶，固體的導(dǎo)電性）。由此只有每個(gè)元胞內(nèi)的價(jià)電子數(shù)目是偶數(shù)的晶體，才有可能是絕緣體或半導(dǎo)體；每個(gè)元胞內(nèi)價(jià)電子數(shù)目是奇數(shù)的便只可能是導(dǎo)體。但外界條件（如壓力、溫度）的變化，能引起點(diǎn)陣常數(shù)的變化，甚至引起點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的變化，從而改變各個(gè)能帶的相對(duì)位置，使絕緣體（半導(dǎo)體）的滿帶和空帶發(fā)生能量重疊，禁帶就不存在了，變成導(dǎo)體；或者相反，使重疊的能帶分開(kāi)，出現(xiàn)禁帶，從導(dǎo)體變成絕緣體（半導(dǎo)體）。這種導(dǎo)體和絕緣體相互轉(zhuǎn)變的情況是很多的。

然而，當(dāng)一個(gè)絕緣體的空帶和滿帶發(fā)生很小的能量重疊時(shí)，它一定會(huì)成為導(dǎo)體嗎？N.莫脫在1949年最先提出了這個(gè)令人深省的問(wèn)題。假如考慮到這時(shí)導(dǎo)帶中出現(xiàn)的電子和滿帶中出現(xiàn)的空穴之間的庫(kù)侖作用，它們之間有可能形成電子－空穴對(duì)的束縛態(tài)，即激子（見(jiàn)固體中的元激發(fā)）。在一定條件下，這些電子和空穴全部組成激子的狀態(tài)可能比單純的能帶填充狀態(tài)的能量更低。這時(shí)的固體便是一個(gè)存在著很多激子的固體，仍然是一個(gè)絕緣體而不是導(dǎo)體。只有在重疊得相當(dāng)多，這種“激子相”的狀態(tài)不是能量最低的狀態(tài)時(shí)，才會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體。所以絕緣體－導(dǎo)體這個(gè)轉(zhuǎn)變，便不能是“連續(xù)地”發(fā)生的：或是絕緣體，或是至少有一定數(shù)量（不能為零）的載流子的導(dǎo)體。按照同樣的概念，元胞內(nèi)有奇數(shù)個(gè)價(jià)電子的晶體，也不一定是導(dǎo)體。例如由氫原子組成的一個(gè)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣，當(dāng)點(diǎn)陣常數(shù)比較大時(shí)，便不能簡(jiǎn)單地把它看作是一個(gè)有效質(zhì)量非常大（導(dǎo)帶非常窄）的導(dǎo)體；因?yàn)?，這時(shí)由于電子間的關(guān)聯(lián)，電子不能是“共有化”的電子。只有當(dāng)點(diǎn)陣常數(shù)小于某一個(gè)臨界值后，它才可以看作是導(dǎo)體。莫脫提出，這個(gè)臨界值可以選擇為，把它當(dāng)作導(dǎo)體時(shí)，其電子氣的庫(kù)侖屏蔽長(zhǎng)度（見(jiàn)德拜長(zhǎng)度）小于氫原子的玻爾半徑。正是在這個(gè)臨界值上發(fā)生金屬－絕緣體的轉(zhuǎn)變。很多實(shí)驗(yàn)事實(shí)（如摻雜半導(dǎo)體的低溫電導(dǎo)、某些氧化物的電導(dǎo)等）都證實(shí)了莫脫的概念。由此也發(fā)展了一些比較深入的理論。

對(duì)無(wú)序固體，還有另一種金屬－絕緣體轉(zhuǎn)變。根據(jù)P.安德森的理論，在無(wú)序勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電子，存在著某些狀態(tài)密度雖不為零，但電子態(tài)是局域化的能量范圍（見(jiàn)非晶態(tài)半導(dǎo)體）；如果這個(gè)無(wú)序固體的費(fèi)米能量落在這個(gè)能量范圍內(nèi)，它便是絕緣體，否則便是導(dǎo)體。因此，費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入或離開(kāi)這個(gè)范圍是一種金屬－絕緣體轉(zhuǎn)變。顯然，這是和前述莫脫提出的概念本質(zhì)不同的另一種金屬－絕緣體轉(zhuǎn)變。人們常把前者稱莫脫轉(zhuǎn)變，后者稱安德森轉(zhuǎn)變。后來(lái)不少實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明了安德森轉(zhuǎn)變的存在。但是，電子的相關(guān)性可能也起了作用。

低維系統(tǒng)或準(zhǔn)低維系統(tǒng)的金屬－絕緣體轉(zhuǎn)變是和三維體系性質(zhì)不同的問(wèn)題（見(jiàn)一維和二維固體、低維導(dǎo)體） 。 2100433B

金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變布洛赫–威爾遜轉(zhuǎn)變

A.威爾遜成功地應(yīng)用F.布洛赫的能帶理論來(lái)區(qū)別金屬、絕緣體及半導(dǎo)體（見(jiàn)能帶）。壓力、溫度等外界因素會(huì)改變晶格常數(shù)甚至晶體結(jié)構(gòu)，從而改變固體各個(gè)能帶之間的相對(duì)位置，使本來(lái)能量重疊的兩個(gè)能帶分開(kāi)而顯現(xiàn)能隙，導(dǎo)致金屬導(dǎo)體變?yōu)榻^緣體或半導(dǎo)體；或者使絕緣體的滿帶和空帶在能量上發(fā)生重疊，能隙消失導(dǎo)致絕緣體變成金屬。

金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變莫脫轉(zhuǎn)變

N.莫脫指出，單電子的能帶理論沒(méi)有考慮電子間的關(guān)聯(lián)作用。如Na價(jià)電子處于3s軌道。當(dāng)眾多Na原子凝結(jié)成體心立方晶格時(shí)，3s能級(jí)展寬為3s能帶，其帶寬B依賴于相鄰兩個(gè)Na原子3s軌道的交疊，以及每個(gè)Na有多少個(gè)最近鄰原子數(shù)Z。按照能帶理論，不論晶格常數(shù)a為何值，3s能帶總是半滿的，Na晶體都是金屬性的。但當(dāng)a增大到臨界值a_c時(shí)，Na的電導(dǎo)率突降為零，變成絕緣體。這是因?yàn)镹a原子中第一個(gè)電子處于3s軌道后，再有一個(gè)電子進(jìn)入同一軌道，這個(gè)電子便受到電子的庫(kù)侖力排斥，其能量U必須升高，這個(gè)能量就是關(guān)聯(lián)能。當(dāng)U<B時(shí)，關(guān)聯(lián)能U不足以影響能帶結(jié)構(gòu)，保持其金屬性；而當(dāng)U>B時(shí)，關(guān)聯(lián)能U足以改變能帶結(jié)構(gòu)，使原來(lái)能帶分成兩支，能帶中心相隔距離為U，這時(shí)Na晶體在晶格常數(shù)a達(dá)到臨界值時(shí)，只有能量低的那支能帶充滿電子，變成為絕緣體。

金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變安德森轉(zhuǎn)變

1958年P(guān).安德森在獨(dú)立電子運(yùn)動(dòng)圖像范圍，提出晶格中無(wú)規(guī)勢(shì)會(huì)引起電子態(tài)局域化。他設(shè)想晶格仍維持周期性，但每個(gè)原子用一勢(shì)阱代表，不同格點(diǎn)原子勢(shì)阱深度無(wú)規(guī)變化，帶來(lái)不同格點(diǎn)原子能級(jí)在能量范圍W之內(nèi)隨機(jī)變化。勢(shì)阱的無(wú)序程度以W來(lái)表征。當(dāng)W與嚴(yán)格周期勢(shì)產(chǎn)生的能帶寬B相比較小時(shí)，無(wú)序勢(shì)并不足以破壞電子態(tài)，而是使能帶電子在運(yùn)動(dòng)中受到散射，改變其自由程。但當(dāng)W>B時(shí)，晶格中所有的單電子量子態(tài)都變成局域態(tài)，電子被局限在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，不再有大范圍的擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)，從而退出電荷傳輸過(guò)程，這時(shí)發(fā)生金屬到絕緣體轉(zhuǎn)變。

金屬－絕緣體－半導(dǎo)體系統(tǒng)金屬－絕緣體－半導(dǎo)體系統(tǒng)當(dāng)半導(dǎo)體襯底接地，金屬層（通常稱為柵極）上施加電壓時(shí),半導(dǎo)體表面形成電荷層。以P型半導(dǎo)體襯底為例，當(dāng)柵壓為負(fù)，它會(huì)吸引空穴到半導(dǎo)體表面，使表面形成帶正電荷的空穴積累層；當(dāng)柵壓為正，它既有把多數(shù)載流子空穴從P型半導(dǎo)體表面排斥走的作用,又有吸引少數(shù)載流子電子到半導(dǎo)體表面的作用。當(dāng)正柵壓較小時(shí)，主要是空穴被排斥走，形成帶負(fù)電荷的耗盡層，負(fù)電荷來(lái)源于電離的受主,這時(shí)雖然也有電子被吸引到表面,但為數(shù)尚少。當(dāng)正柵壓增大到超過(guò)一定的閾值電壓，吸引到表面的電子濃度迅速增大,在表面形成電子導(dǎo)電層,因?yàn)槠漭d流子和體內(nèi)導(dǎo)電類型相反，因而稱為反型層。反型層與襯底之間被耗盡層隔開(kāi),如同PN結(jié)一樣,稱為場(chǎng)感應(yīng)結(jié)。圖2中給出了與反型層情況相應(yīng)的能帶圖。

如果如圖3所示,在P型襯底的MOS系統(tǒng)中增加兩個(gè)N型區(qū),分別稱為源（用S表示）區(qū)和漏(用D表示)區(qū),這就是N溝道的MOS晶體管。當(dāng)柵壓低于閾值電壓時(shí)，由于源區(qū)和漏區(qū)被P型區(qū)隔開(kāi),源和漏間相當(dāng)于兩個(gè)背靠的PN結(jié)，因此，當(dāng)源、漏間加一定電壓后，沒(méi)有明顯的電流，只有微量的PN結(jié)反向電流。但當(dāng)柵極正電壓超過(guò)閾值電壓后，P型Si表面出現(xiàn)的反型層（N型層）把源區(qū)和漏區(qū)溝通，形成導(dǎo)電溝通。這時(shí)再在源、漏之間加一定的電壓，就會(huì)有明顯的電流流過(guò)。也就是說(shuō)，通過(guò)控制柵壓的極性和數(shù)值,可以使MOS晶體管分別處于導(dǎo)通或截止的狀態(tài),利用這一性質(zhì)做成的MOS集成電路,可以實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能。由于MOS集成電路具有工藝較簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)尺寸較小、連線數(shù)目較少等優(yōu)點(diǎn)，使之較易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，因而是當(dāng)前大規(guī)模集成電路中最重要的類型之一。金屬－絕緣體－半導(dǎo)體系統(tǒng)MIS系統(tǒng)實(shí)際上構(gòu)成一個(gè)電容器,金屬層和半導(dǎo)體襯底是它的兩個(gè)極板。它與一般電容器的區(qū)別在于電容值并不是恒定的，因而可以引入微分電容()，它是偏壓的函數(shù),這個(gè)函數(shù)關(guān)系稱為MIS電容器的-特性。根據(jù)絕緣層的厚度、半導(dǎo)體襯底的摻雜濃度，從理論上很容易計(jì)算出-曲線，而實(shí)際測(cè)量得到的-曲線總是偏離理想的情況。這是因?yàn)樵趯?shí)際的 MIS電容的絕緣層中往往存在有各種電荷和在絕緣體和半導(dǎo)體的界面附近存在有界面態(tài)。正因?yàn)槿绱?可以通過(guò)對(duì)實(shí)際-曲線的分析，研究絕緣層中電荷和界面態(tài)的性質(zhì)。金屬-SiO-Si系統(tǒng)是研究最多的MIS結(jié)構(gòu),其中主要的電荷形式有：可動(dòng)離子電荷（例如Na,K）、Si-SiO界面固定正電荷、輻射電離的陷阱和界面態(tài)。基于掩蔽作用和鈍化作用發(fā)展起來(lái)的硅平面技術(shù)，是最重要的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，在這里Si-SiO系統(tǒng)成為半導(dǎo)體器件的基本組成部分。SiO中的電荷以及Si-SiO界面態(tài)，會(huì)影響器件的參數(shù),特別是影響到器件長(zhǎng)期使用的可靠性和穩(wěn)定性。正是由于對(duì)金屬－SiO-Si系統(tǒng)做了廣泛的研究,找到了減少以致消除各種電荷狀態(tài)不良影響的手段，才使得Si晶體管以及大規(guī)模集成電路得以有如此迅速的發(fā)展。

MOS系統(tǒng)的表面反型層厚度為幾埃至幾十埃,因而可以把反型層中的電子看成是二維的電子氣。近年來(lái)其中豐富的物理現(xiàn)象引起了很多物理學(xué)家的興趣。特別是因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)改變柵壓在同一樣品上使反型層中的電子濃度變化若干個(gè)數(shù)量級(jí)，為研究多電子效應(yīng)隨濃度的變化提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

絕緣體是一種可以阻止熱（熱絕緣體）或電荷（電絕緣體）流動(dòng)的物質(zhì)。電絕緣體的相對(duì)物質(zhì)就是導(dǎo)體和半導(dǎo)體，他們可以讓電荷通暢的流動(dòng)（注：嚴(yán)格意義上說(shuō)，半導(dǎo)體也是一種絕緣體，因?yàn)樵诘蜏叵滤麜?huì)阻止電荷的流動(dòng)，除非在半導(dǎo)體中摻雜了其他原子，這些原子可以釋放出多余的電荷來(lái)承載電流）。術(shù)語(yǔ)電絕緣體與電介質(zhì)有相同的意思，但是兩種術(shù)語(yǔ)分別用在不同的領(lǐng)域中。

一個(gè)完全意義上的熱絕緣體，根據(jù)熱力學(xué)第二定律是不可能存在的。然而，有一些材料（如二氧化硅）就非常接近真正的電絕緣體，從而產(chǎn)生了閃存技術(shù)。一個(gè)更大類別的材料，如，橡膠和很多的塑料，對(duì)于家庭和辦公室配線來(lái)說(shuō)都是"完美”的，沒(méi)有安全性方面的隱患， 并且效率也很高。

在沒(méi)有發(fā)明出更好的合成（物理或化學(xué)反應(yīng)）物質(zhì)前，在大自然的固有物質(zhì)中，云母和石棉都可以作為很好的熱和電絕緣體。

按照導(dǎo)電性質(zhì)的不同，材料可分為“導(dǎo)體”和“絕緣體”兩大類；而更進(jìn)一步，根據(jù)電子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)的不同，“絕緣體”和“導(dǎo)體”還可以進(jìn)行更細(xì)致的劃分。拓?fù)浣^緣體就是根據(jù)這樣的新標(biāo)準(zhǔn)而劃分的區(qū)別于其他普通絕緣體的一類絕緣體。拓?fù)浣^緣體的體內(nèi)與人們通常認(rèn)識(shí)的絕緣體一樣，是絕緣的，但是在它的邊界或表面總是存在導(dǎo)電的邊緣態(tài)，這是它有別于普通絕緣體的最獨(dú)特的性質(zhì)。這樣的導(dǎo)電邊緣態(tài)在保證一定對(duì)稱性（比如時(shí)間反演對(duì)稱性）的前提下是穩(wěn)定存在的，而且不同自旋的導(dǎo)電電子的運(yùn)動(dòng)方向是相反的，所以信息的傳遞可以通過(guò)電子的自旋，而不像傳統(tǒng)材料通過(guò)電荷來(lái)傳遞。