金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變理論詮釋

能帶理論成功地說明了金屬和絕緣體、半導(dǎo)體的區(qū)別：當(dāng)溫度趨于絕對零度時，有一個或幾個能帶沒有填滿，仍有大量可以自由運動傳輸電流的電子的固體是導(dǎo)體；有幾個能帶完全填滿，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（見固體的能帶，固體的導(dǎo)電性）。由此只有每個元胞內(nèi)的價電子數(shù)目是偶數(shù)的晶體，才有可能是絕緣體或半導(dǎo)體；每個元胞內(nèi)價電子數(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，能引起點陣常數(shù)的變化，甚至引起點陣結(jié)構(gòu)的變化，從而改變各個能帶的相對位置，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，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)一個絕緣體的空帶和滿帶發(fā)生很小的能量重疊時，它一定會成為導(dǎo)體嗎？N.莫脫在1949年最先提出了這個令人深省的問題。假如考慮到這時導(dǎo)帶中出現(xiàn)的電子和滿帶中出現(xiàn)的空穴之間的庫侖作用，它們之間有可能形成電子－空穴對的束縛態(tài)，即激子（見固體中的元激發(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。這時的固體便是一個存在著很多激子的固體，仍然是一個絕緣體而不是導(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，才會轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體。所以絕緣體－導(dǎo)體這個轉(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)個價電子的晶體，也不一定是導(dǎo)體。例如由氫原子組成的一個簡單點陣，當(dāng)點陣常數(shù)比較大時，便不能簡單地把它看作是一個有效質(zhì)量非常大（導(dǎo)帶非常窄）的導(dǎo)體；因為，這時由于電子間的關(guān)聯(lián)，電子不能是“共有化”的電子。只有當(dāng)點陣常數(shù)小于某一個臨界值后，它才可以看作是導(dǎo)體。莫脫提出，這個臨界值可以選擇為，把它當(dāng)作導(dǎo)體時，其電子氣的庫侖屏蔽長度（見德拜長度）小于氫原子的玻爾半徑。正是在這個臨界值上發(fā)生金屬－絕緣體的轉(zhuǎn)變。很多實驗事實（如摻雜半導(dǎo)體的低溫電導(dǎo)、某些氧化物的電導(dǎo)等）都證實了莫脫的概念。由此也發(fā)展了一些比較深入的理論。

對無序固體，還有另一種金屬－絕緣體轉(zhuǎn)變。根據(jù)P.安德森的理論，在無序勢場中運動的電子，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（見非晶態(tài)半導(dǎo)體）；如果這個無序固體的費米能量落在這個能量范圍內(nèi)，它便是絕緣體，否則便是導(dǎo)體。因此，費米能級進(jìn)入或離開這個范圍是一種金屬－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。后來不少實驗事實證明了安德森轉(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)不同的問題（見一維和二維固體、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區(qū)別金屬、絕緣體及半導(dǎo)體（見能帶）。壓力、溫度等外界因素會改變晶格常數(shù)甚至晶體結(jié)構(gòu)，從而改變固體各個能帶之間的相對位置，使本來能量重疊的兩個能帶分開而顯現(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有考慮電子間的關(guān)聯(lián)作用。如Na價電子處于3s軌道。當(dāng)眾多Na原子凝結(jié)成體心立方晶格時，3s能級展寬為3s能帶，其帶寬B依賴于相鄰兩個Na原子3s軌道的交疊，以及每個Na有多少個最近鄰原子數(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，Na的電導(dǎo)率突降為零，變成絕緣體。這是因為Na原子中第一個電子處于3s軌道后，再有一個電子進(jìn)入同一軌道，這個電子便受到電子的庫侖力排斥，其能量U必須升高，這個能量就是關(guān)聯(lián)能。當(dāng)U<B時，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，關(guān)聯(lián)能U足以改變能帶結(jié)構(gòu)，使原來能帶分成兩支，能帶中心相隔距離為U，這時Na晶體在晶格常數(shù)a達(dá)到臨界值時，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).安德森在獨立電子運動圖像范圍，提出晶格中無規(guī)勢會引起電子態(tài)局域化。他設(shè)想晶格仍維持周期性，但每個原子用一勢阱代表，不同格點原子勢阱深度無規(guī)變化，帶來不同格點原子能級在能量范圍W之內(nèi)隨機變化。勢阱的無序程度以W來表征。當(dāng)W與嚴(yán)格周期勢產(chǎn)生的能帶寬B相比較小時，無序勢并不足以破壞電子態(tài)，而是使能帶電子在運動中受到散射，改變其自由程。但當(dāng)W>B時，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)運動，不再有大范圍的擴展運動，從而退出電荷傳輸過程，這時發(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,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，主要是空穴被排斥走，形成帶負(fù)電荷的耗盡層，負(fù)電荷來源于電離的受主,這時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,因為其載流子和體內(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,如同PN結(jié)一樣,稱為場感應(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，由于源區(qū)和漏區(qū)被P型區(qū)隔開,源和漏間相當(dāng)于兩個背靠的PN結(jié)，因此，當(dāng)源、漏間加一定電壓后，沒有明顯的電流，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。這時再在源、漏之間加一定的電壓，就會有明顯的電流流過。也就是說，通過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,可以實現(xiàn)各種邏輯功能。由于MOS集成電路具有工藝較簡單、結(jié)構(gòu)尺寸較小、連線數(shù)目較少等優(yōu)點，使之較易實現(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)實際上構(gòu)成一個電容器,金屬層和半導(dǎo)體襯底是它的兩個極板。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，從理論上很容易計算出-曲線，而實際測量得到的-曲線總是偏離理想的情況。這是因為在實際的 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)。正因為如此,可以通過對實際-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)?；谘诒巫饔煤外g化作用發(fā)展起來的硅平面技術(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)，會影響器件的參數(shù),特別是影響到器件長期使用的可靠性和穩(wěn)定性。正是由于對金屬－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。特別是因為可以通過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數(shù)量級，為研究多電子效應(yīng)隨濃度的變化提供了實驗數(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）流動的物質(zhì)。電絕緣體的相對物質(zhì)就是導(dǎo)體和半導(dǎo)體，他們可以讓電荷通暢的流動（注：嚴(yán)格意義上說，半導(dǎo)體也是一種絕緣體，因為在低溫下他會阻止電荷的流動，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承載電流）。術(shù)語電絕緣體與電介質(zhì)有相同的意思，但是兩種術(shù)語分別用在不同的領(lǐng)域中。

一個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)。一個更大類別的材料，如，橡膠和很多的塑料，對于家庭和辦公室配線來說都是"完美”的，沒有安全性方面的隱患， 并且效率也很高。

在沒有發(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特的性質(zhì)。這樣的導(dǎo)電邊緣態(tài)在保證一定對稱性（比如時間反演對稱性）的前提下是穩(wěn)定存在的，而且不同自旋的導(dǎo)電電子的運動方向是相反的，所以信息的傳遞可以通過電子的自旋，而不像傳統(tǒng)材料通過電荷來傳遞。