第5章 导电物理.pdf

第五章第五章 导电物理导电物理 材料物理材料物理 材料物理材料物理 为什么要研究材料的导电性为什么要研究材料的导电性 导电性能对于材料来说也是非常重要的 导电材导电性能对于材料来说也是非常重要的 导电材 料 电阻材料 电热材料 半导体材料 超导材料 电阻材料 电热材料 半导体材料 超导材 料和绝缘材料都是以材料的导电性能为基础的 料和绝缘材料都是以材料的导电性能为基础的 长距离传输电力的金属导线要有很高的导电性 以减长距离传输电力的金属导线要有很高的导电性 以减 少由于电线发热造成的电力损失 少由于电线发热造成的电力损失 陶瓷和高分子绝缘材料必须不导电 以防止产生短路陶瓷和高分子绝缘材料必须不导电 以防止产生短路 或电弧 或电弧 作为太阳能电池的半导体对其导电性能要求更高 以作为太阳能电池的半导体对其导电性能要求更高 以 追求尽可能高的太阳能利用效率追求尽可能高的太阳能利用效率 2 材料物理材料物理 电阻与导电的基本概念电阻与导电的基本概念 当在材料的两端施加电压当在材料的两端施加电压U时 材料中有电流通过 这种现时 材料中有电流通过 这种现 象称为导电现象 由欧姆定律可知材料的电阻大小为象称为导电现象 由欧姆定律可知材料的电阻大小为 用电阻的用电阻的大小可以评价材料的导电性能 其值不仅与材料的大小可以评价材料的导电性能 其值不仅与材料的 性能有关 还与材料的尺寸有关性能有关 还与材料的尺寸有关 式中 式中 L为材料长度 为材料长度 S为材料截面积 为材料截面积 电阻率 为与材 电阻率 为与材 料性质有关的系数 料性质有关的系数 只与材料本身的性质有关 与导体的只与材料本身的性质有关 与导体的 尺寸无关 所以通常用尺寸无关 所以通常用 来表示材料的导电性能 来表示材料的导电性能 另外 还常用电导率另外 还常用电导率 来表示导电性能来表示导电性能 3 I U R S L R 1 材料物理材料物理 电阻与导电的基本概念电阻与导电的基本概念 工程中有时也会用电导率 工程中有时也会用电导率 IACS 来表征材料的 来表征材料的 导电性能 把国际标准软铜 在室温导电性能 把国际标准软铜 在室温20 下电阻率下电阻率 为为0 01724 m 的电导率作为 的电导率作为100 其他导体材 其他导体材 料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相 对电导率 对电导率 例如例如Fe的的IACS 为为17 Al的的IACS 为为65 4 材料物理材料物理 电阻与导电的基本概念电阻与导电的基本概念 根据导电性能的高低可以分为导体 半导体 绝缘体 根据导电性能的高低可以分为导体 半导体 绝缘体 导体 电阻率在导体 电阻率在10 8 10 4 m范围内 范围内 半导体半导体 电阻率在电阻率在10 4 108 m范围内 范围内 绝缘体绝缘体 电阻率 电阻率 108 m 超导体 电阻率 超导体 电阻率 10 27 m 5 材料物理材料物理 部分材料的电导率部分材料的电导率 材料材料 电子结构电子结构 电导率电导率 1 cm 1 碱金属碱金属Na 1s22s22p63s1 2 13 105 碱土金属碱土金属 Mg 1s22s22p63s2 2 25 105 A族金属族金属Al 1s22s22p63s23p1 3 77 105 过渡族金属过渡族金属Fe 3d64s2 1 00 105 高分子材料聚乙烯高分子材料聚乙烯 10 15 陶瓷材料陶瓷材料Al2O3 10 14 6 能够携带电荷的粒子称为载流子 能够携带电荷的粒子称为载流子 在金属 半导体和绝缘体中携带电荷的载流子是在金属 半导体和绝缘体中携带电荷的载流子是 电子 电子 在离子化合物中 携带电荷的载流子则是离子 在离子化合物中 携带电荷的载流子则是离子 控制材料的导电性能实际上就是控制材料中的载控制材料的导电性能实际上就是控制材料中的载 流子的数量和这些载流子的移动速率 流子的数量和这些载流子的移动速率 材料物理材料物理 7 材料的导电机理材料的导电机理 对于金属材料来说 载流子的移动速率特别重要 对于金属材料来说 载流子的移动速率特别重要 对于半导体材料来说 载流子的数量更为重要 对于半导体材料来说 载流子的数量更为重要 载流子的移动速率取决于原子之间的结合键 晶载流子的移动速率取决于原子之间的结合键 晶 体点阵的完整性 微结构以及离子化合物中的扩体点阵的完整性 微结构以及离子化合物中的扩 散速率 散速率 材料物理材料物理 8 材料的导电机理材料的导电机理 导电性理论发展的三个阶段导电性理论发展的三个阶段 材料物理材料物理 9 经典自由电子理论经典自由电子理论 1 量子自由电子理论量子自由电子理论 2 能带理论能带理论 3 经典自由电子理论经典自由电子理论 材料物理材料物理 10 金属是由原子点阵组成的 价电子是完全自由的 可以在金属是由原子点阵组成的 价电子是完全自由的 可以在 整个金属中自由运动 就像气体充满整个容器一样 自由整个金属中自由运动 就像气体充满整个容器一样 自由 电子的运动遵守经典力学气体分子运动论 电子的运动遵守经典力学气体分子运动论 自由电子沿各个方向运动的概率相同 因而不产生电流 自由电子沿各个方向运动的概率相同 因而不产生电流 在外电场作用下自由电子将沿电场的反方向运动 从而产在外电场作用下自由电子将沿电场的反方向运动 从而产 生电流 生电流 电子电子在定向运动的过程中 不断会与原子发生碰在定向运动的过程中 不断会与原子发生碰 撞妨碍电子的继续加速 形成电阻 撞妨碍电子的继续加速 形成电阻 经典自由电子理论忽略了电子之间的排斥作用和正离子点经典自由电子理论忽略了电子之间的排斥作用和正离子点 阵周期场的作用 阵周期场的作用 经典自由电子理论的应用经典自由电子理论的应用 材料物理材料物理 11 成功成功 可以推导出欧姆定律 焦尔可以推导出欧姆定律 焦尔 楞次定楞次定 律等律等 难点难点 一价金属和二价金属的导电问题一价金属和二价金属的导电问题 电子比热电子比热 问题的根源在于经典电子理论是立足于牛顿力学的 问题的根源在于经典电子理论是立足于牛顿力学的 对于微观粒子的运动需要用量子力学的概念来解决 对于微观粒子的运动需要用量子力学的概念来解决 量子自由电子理论量子自由电子理论 材料物理材料物理 14 金属离子所形成的势场各处都是均匀的 金属离子所形成的势场各处都是均匀的 价电子是共有化的 它们不束缚于某个原子上 可以在整价电子是共有化的 它们不束缚于某个原子上 可以在整 个金属内自由地运动 电子之间没有相互作用 个金属内自由地运动 电子之间没有相互作用 电子运动服从电子运动服从量子力学原理量子力学原理 电子的能量不是连续分布的 电子的能量不是连续分布的 而是分立的不连续的 而是分立的不连续的 量子自由电子理论和经量子自由电子理论和经 典电子理论的主要区别 典电子理论的主要区别 电子比热问题的解决电子比热问题的解决 由于电子的能级是分立的不连续的 只有那些处于较高能级的电子才由于电子的能级是分立的不连续的 只有那些处于较高能级的电子才 能够跳到没有别的电子占据的更高能级上去 那些处于低能级的电子能够跳到没有别的电子占据的更高能级上去 那些处于低能级的电子 不能跳到较高能级去 因为那些较高能级已经有别的电子占据着 不能跳到较高能级去 因为那些较高能级已经有别的电子占据着 热激发的电子的数量远远少于总的价电子数 所以用量子自由电子论热激发的电子的数量远远少于总的价电子数 所以用量子自由电子论 推导出的比热可以解释实验结果 推导出的比热可以解释实验结果 经典自由电子论认为所有电子都有可能被热激发 因而计算出的热容经典自由电子论认为所有电子都有可能被热激发 因而计算出的热容 量远远大于实验值 量远远大于实验值 材料物理材料物理 15 材料物理材料物理 16 量子自由电子理论量子自由电子理论 这一理论认为 电子具有波粒二象性 运动着的电子作为物这一理论认为 电子具有波粒二象性 运动着的电子作为物 质波 其频率和波长与电子的运动速率或动量之间的关系为质波 其频率和波长与电子的运动速率或动量之间的关系为 其中 其中 m为电子质量 为电子质量 v为电子速度 为电子速度 为波长 为波长 p为电子动量为电子动量 h为普朗克常数 为普朗克常数 h p h mv K p h mv h 222 材料物理材料物理 17 量子自由电子理论量子自由电子理论 在一价金属中 自由电子的动能在一价金属中 自由电子的动能 代入上式得代入上式得 式中 式中 为常数 为常数 称为波数频率 是表征 称为波数频率 是表征 金属中自由电子可能具有的能量状态的参数 金属中自由电子可能具有的能量状态的参数 2 2 1 mvE 2 2 2 8 K m h E m h 2 2 8 2 K 材料物理材料物理 18 量子自由电子理论量子自由电子理论 E K关系曲线为抛物线 图中的 关系曲线为抛物线 图中的 和 和 表示自由电子运 表示自由电子运 动的方向 电子的波数越大 则能量越高 动的方向 电子的波数越大 则能量越高 材料物理材料物理 19 量子自由电子论的问题在于认为势场是均匀的 量子自由电子论的问题在于认为势场是均匀的 因此还是不能很好地解释诸如铁磁性 相结构因此还是不能很好地解释诸如铁磁性 相结构 以及结合力等一些问题 以及结合力等一些问题 量子自由电子理论量子自由电子理论 量子自由电子理论还可以解释量子自由电子理论还可以解释纳米材料的尺寸效应纳米材料的尺寸效应 普通金属材料具有 普通金属材料具有 良好的导电性 而纳米金属颗粒在低温下显示电绝缘性 不导电 这良好的导电性 而纳米金属颗粒在低温下显示电绝缘性 不导电 这 是因为普通金属中相邻能级直接的能量差很小 电子很容易就被激发到是因为普通金属中相邻能级直接的能量差很小 电子很容易就被激发到 高能级 但当金属尺寸降至纳米量级时 相邻能级之间的差要增大几个高能级 但当金属尺寸降至纳米量级时 相邻能级之间的差要增大几个 数量级 当温度较低时 电子很难被激发至高能级 所以不导电 数量级 当温度较低时 电子很难被激发至高能级 所以不导电 能带理论能带理论 能带理论是在量子自由电子论的基础上 考虑了离子所造成的周期性能带理论是在量子自由电子论的基础上 考虑了离子所造成的周期性 势场的存在 从而导出了电子在金属中的分布特点 并建立了禁带的势场的存在 从而导出了电子在金属中的分布特点 并建立了禁带的 概念 概念 材料物理材料物理 20 量子自由电子理论量子自由电子理论 能带理论能带理论 经典自由电子理论经典自由电子理论 连续能量分布连续能量分布 的价电子在均的价电子在均 匀势场中的运匀势场中的运 动动 不连续能量分不连续能量分 布的价电子在布的价电子在 均匀势场中的均匀势场中的 运动运动 不连续能量分不连续能量分 布的价电子在布的价电子在 周期性势场中周期性势场中 的运动的运动 材料物理材料物理 Contents 材料的导电性能材料的导电性能 1 金属导电性金属导电性 2 半导体物理半导体物理 3 4 21 超导物理超导物理 能带结构能带结构 根据原子结构理论 每个电子都占有一个分立的能级 泡利根据原子结构理论 每个电子都占有一个分立的能级 泡利 Pauli 不相容原理指出 每个能级只能容纳不相容原理指出 每个能级只能容纳2个电子 个电子 材料物理材料物理 22 能带结构能带结构 固体中若有固体中若有N个原子个原子 由于各原子间的相互作用由于各原子间的相互作用 对应于原来孤对应于原来孤 立原子的每一个能级立原子的每一个能级 变成了变成了N条靠得很近的能级条靠得很近的能级 称为称为能带能带 能带的宽度记作能带的宽度记作 E 材料物理材料物理 23 一般规律 一般规律 越是外层电子 能带越宽 越是外层电子 能带越宽 E越大 越大 点阵间距越小 能带越宽 点阵间距越小 能带越宽 E越大 越大 两个能带有可能重叠 两个能带有可能重叠 满带满带 电子总是优先填满的能量较低的能级 在能带结构 电子总是优先填满的能量较低的能级 在能带结构 中 如果一个能带中的各能级都被电子填满 这样的能带中 如果一个能带中的各能级都被电子填满 这样的能带 称为满带 称为满带 材料物理材料物理 24 有关能带被占据情况的几个名词 有关能带被占据情况的几个名词 价带价带 由价电子能级分裂而形成的能带称为价带 通常情 由价电子能级分裂而形成的能带称为价带 通常情 况下 价带为能量最高的能带 价带可能被电子填满 称况下 价带为能量最高的能带 价带可能被电子填满 称 为满带 也可能未被电子填满 形成非满带 为满带 也可能未被电子填满 形成非满带 材料物理材料物理 25 有关能带被占据情况的几个名词 有关能带被占据情况的几个名词 空带空带 由各个原子的激发能级相对应的能带 在未被激发 由各个原子的激发能级相对应的能带 在未被激发 的情况下 没有电子填入 这样的能带称为空带 的情况下 没有电子填入 这样的能带称为空带 材料物理材料物理 26 有关能带被占据情况的几个名词 有关能带被占据情况的几个名词 导带导带 当一些被充满的价带顶部的电子受到激发而进入导带 此时 当一些被充满的价带顶部的电子受到激发而进入导带 此时 价带和空带均表现为非满带 在外加电场的作用下形成电流 这个的价带和空带均表现为非满带 在外加电场的作用下形成电流 这个的 空带又称为导带 空带又称为导带 未被填满的能带均为价带 在未被激发时 价电子处于价带的底部未被填满的能带均为价带 在未被激发时 价电子处于价带的底部 受到激发后电子会跃迁到价带的顶部 在外加电场的作用下形成电 受到激发后电子会跃迁到价带的顶部 在外加电场的作用下形成电 流 这样不满的价带 也称为导带 流 这样不满的价带 也称为导带 材料物理材料物理 27 有关能带被占据情况的几个名词 有关能带被占据情况的几个名词 禁带禁带 有些固体在价带和空带之间存在着一段能量间隔 有些固体在价带和空带之间存在着一段能量间隔 在这个区域内永远不可能有电子 这个能量区域称为禁带在这个区域内永远不可能有电子 这个能量区域称为禁带 或带隙 或带隙 材料物理材料物理 28 有关能带被占据情况的几个名词 有关能带被占据情况的几个名词 材料物理材料物理 29 图钠的能带结构钠的能带结构 能带中电子随温度升高而进行能级跃迁能带中电子随温度升高而进行能级跃迁 a 绝对零度时绝对零度时 所有外层电子占据低的能级所有外层电子占据低的能级 b 温度升高温度升高 部分电子被激发到原未被填充的能级部分电子被激发到原未被填充的能级 材料物理材料物理 30 材料的导电性能不同材料的导电性能不同 是因为它们的能带结构不同是因为它们的能带结构不同 材料物理材料物理 31 导体有导体有2种情况种情况 1 价电子所在能带为非满带价电子所在能带为非满带 2 价电子所在能带为满带 但能带有重叠 例如 镁 价电子所在能带为满带 但能带有重叠 例如 镁 两个相邻能带可能重叠 交叠 此时禁带消失了 能带交两个相邻能带可能重叠 交叠 此时禁带消失了 能带交 叠的程度与原子间距有关 原子间距越小 交叠程度越大 叠的程度与原子间距有关 原子间距越小 交叠程度越大 材料物理材料物理 32 能带重叠能带重叠 材料物理材料物理 33 图镁的能带结构镁的能带结构 绝缘体绝缘体 满带与空带之间有一个较宽的禁带 满带与空带之间有一个较宽的禁带 Eg约约3 6eV 共有化电子很难从低能级共有化电子很难从低能级 满带满带 跃迁到高能级跃迁到高能级 空带空带 上去 上去 半导体半导体 满带与空带之间也是禁带 满带与空带之间也是禁带 但是禁带很窄但是禁带很窄 Eg约约0 1 2eV 材料物理材料物理 34 导电性材料的应用导电性材料的应用 导电材料 以传送电流为主要目的的材料 要求有高的导电率 高的导电材料 以传送电流为主要目的的材料 要求有高的导电率 高的 力学性能 良好的抗腐蚀性能 良好的工艺性能 价格便宜 电力工力学性能 良好的抗腐蚀性能 良好的工艺性能 价格便宜 电力工 业这样的强电应用的导电材料主要有铜 铝及其合金 业这样的强电应用的导电材料主要有铜 铝及其合金 电阻材料 包括精密电阻材料和电阻敏感材料 精密电阻材料的以铜电阻材料 包括精密电阻材料和电阻敏感材料 精密电阻材料的以铜 镍合金为代表 要有恒定的高电阻率 电阻的温度系数小 电阻敏感镍合金为代表 要有恒定的高电阻率 电阻的温度系数小 电阻敏感 材料只通过电阻变化来获取系统中所需信息的元器件材料 如热敏电材料只通过电阻变化来获取系统中所需信息的元器件材料 如热敏电 阻 光敏电阻等 阻 光敏电阻等 电热材料 使用温度非常高 使用温度为电热材料 使用温度非常高 使用温度为900 1350 的电热合金 常的电热合金 常 用镍铬合金 使用温度更高时 一般的电热合金都会发生熔化 或发用镍铬合金 使用温度更高时 一般的电热合金都会发生熔化 或发 生氧化 此时需要采用陶瓷电热材料 生氧化 此时需要采用陶瓷电热材料 材料物理材料物理 35 其他材料的导电性能其他材料的导电性能 离子材料中的导电性往往需要通过离子的迁移来实现 因为这类材料中离子材料中的导电性往往需要通过离子的迁移来实现 因为这类材料中 的禁带宽度较大 电子难以跃迁到导带 所以大多数的离子材料是绝缘的禁带宽度较大 电子难以跃迁到导带 所以大多数的离子材料是绝缘 体 如果在离子材料中引入杂质或空位 能够促进离子的扩散 改善材体 如果在离子材料中引入杂质或空位 能够促进离子的扩散 改善材 料的导电性 高温也能促进离子扩散 进而改善导电性 料的导电性 高温也能促进离子扩散 进而改善导电性 高分子材料中的电子都是共价键结合的 所以高分子材料的禁带宽度都高分子材料中的电子都是共价键结合的 所以高分子材料的禁带宽度都 非常大 电导率也非常低 因此高分子材料常用作绝缘体 有时 低电非常大 电导率也非常低 因此高分子材料常用作绝缘体 有时 低电 导率也会对材料造成损害 解决这些问题的方法有两种 一是在高分子导率也会对材料造成损害 解决这些问题的方法有两种 一是在高分子 材料中引入添加剂 改善材料的导电性 二是开发本身就具有导电性的材料中引入添加剂 改善材料的导电性 二是开发本身就具有导电性的 高分子材料 高分子材料 材料物理材料物理 36 材料物理材料物理 Contents 材料的导电性能材料的导电性能 1 金属导电性金属导电性 2 半导体物理半导体物理 3 4 37 超导物理超导物理 金属导电机制金属导电机制 材料物理材料物理 38 v l m ne m ne 22 22 n n 单位体积内参与导电的电子数单位体积内参与导电的电子数 两次碰撞的时间间隔两次碰撞的时间间隔 电子的平均自由程电子的平均自由程 实际参与导电实际参与导电电子的平均速度电子的平均速度 l v l v ne m 2 2 电导率电导率 或电阻率或电阻率 材料物理材料物理 39 量子自由电子理论表明 只有位于最高能级上为数量子自由电子理论表明 只有位于最高能级上为数 不多的价电子才能够被外电场加速从而具有附加不多的价电子才能够被外电场加速从而具有附加 速度 或能量 所以我们可以得到以下结论 速度 或能量 所以我们可以得到以下结论 1 应当比总的电子平均速度大得多应当比总的电子平均速度大得多 2 因为金属熔点以下费米分布随温度变化很小 即因为金属熔点以下费米分布随温度变化很小 即 实际上与温度的变实际上与温度的变 化无关 化无关 可见 电导率可见 电导率 或电阻率或电阻率 与温度的关系决定于与温度的关系决定于 的改变 这是因为所的改变 这是因为所 有其他量都与温度无关 有其他量都与温度无关 v v l 金属导电机制金属导电机制 材料物理材料物理 40 金属导电机制金属导电机制 定义定义 称为散射系数 称为散射系数 量子力学可以证明 当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶量子力学可以证明 当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶 体点阵时 将不受到散射而无阻碍地传播 这时体点阵时 将不受到散射而无阻碍地传播 这时 电阻率电阻率 0 而 而 和和 应为无穷大 应为无穷大 只有在晶体点阵的完整性遭到破坏的地方电子波才受到散射 只有在晶体点阵的完整性遭到破坏的地方电子波才受到散射 因而产生电阻 由温度引起点阵离子的振动 点缺陷和位错的因而产生电阻 由温度引起点阵离子的振动 点缺陷和位错的 存在都会使理想晶体的周期性遭到破坏 从而产生各自的附加存在都会使理想晶体的周期性遭到破坏 从而产生各自的附加 电阻 所以在绝对零度下的电阻率电阻 所以在绝对零度下的电阻率 可以表示晶体点阵完整性被可以表示晶体点阵完整性被 破坏的程度 破坏的程度 l 1 l 材料物理材料物理 41 散射机制散射机制 理想金属的电阻对应着两种散射机制理想金属的电阻对应着两种散射机制 声子散射和电子散射声子散射和电子散射 可以看 可以看 成为基本电阻 这个电阻在绝对零度时降为零 成为基本电阻 这个电阻在绝对零度时降为零 第三种机制第三种机制 电子在杂质和缺陷上的散射电子在杂质和缺陷上的散射 在有缺陷的晶体中可以观察在有缺陷的晶体中可以观察 到 是绝对零度下金属残余电阻的实质 这个电阻表示了金属的纯度到 是绝对零度下金属残余电阻的实质 这个电阻表示了金属的纯度 和完整性 和完整性 材料物理材料物理 42 马基申定则马基申定则 马基申马基申 Mathhissen 和沃格特和沃格特 Vogt 早期根据对金属固溶体中溶质原子的浓度早期根据对金属固溶体中溶质原子的浓度 较小 以致可以略去它们之间的相互影响 把固溶体的电阻看成由金属的较小 以致可以略去它们之间的相互影响 把固溶体的电阻看成由金属的 基本电阻基本电阻 T 和残余电阻和残余电阻 残组成 这实际上表明 在一级近似下不同散射组成 这实际上表明 在一级近似下不同散射 机制对电阻的贡献可以加法求和 这机制对电阻的贡献可以加法求和 这 导电规律称为马基申定则 导电规律称为马基申定则 式中式中 T 为与温度有关的金属基本电阻 即溶剂金属为与温度有关的金属基本电阻 即溶剂金属 纯金属纯金属 的电阻 的电阻 残 为决定于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的残余电阻 化学缺陷为偶然为决定于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的残余电阻 化学缺陷为偶然 存在的杂质原子以及人工加入的合金元素原子 物理缺陷系空位 间隙原存在的杂质原子以及人工加入的合金元素原子 物理缺陷系空位 间隙原 子 位错以及它们的复合体 子 位错以及它们的复合体 残 T 材料物理材料物理 43 马基申定则马基申定则 从马基申定则可以看出从马基申定则可以看出 在高温时金属的电阻基本上决定于在高温时金属的电阻基本上决定于 T 而在低温时则决定于残余 而在低温时则决定于残余 电阻电阻 残 既然残余电阻是电子在杂质和缺陷上的散射引起的 那末既然残余电阻是电子在杂质和缺陷上的散射引起的 那末 残的大的大 小可以用来评定金属的电学纯度 与化学纯度不同 电学纯度考小可以用来评定金属的电学纯度 与化学纯度不同 电学纯度考 虑了点阵物理缺陷的影响 虑了点阵物理缺陷的影响 由于残余电阻测量很麻烦 实际上往往采用相对电阻由于残余电阻测量很麻烦 实际上往往采用相对电阻 的大小评定金属的电学纯度 许多完整的金属单晶得到的相对电的大小评定金属的电学纯度 许多完整的金属单晶得到的相对电 阻高达阻高达2 l04 KK2 4300 材料物理材料物理 44 金属纯度的表征金属纯度的表征 在超低温下电子平均自由程长度在超低温下电子平均自由程长度 同样可以作为金属纯度直观的物理同样可以作为金属纯度直观的物理 特性 特性 晶体越纯 越完善 自由程长度越长 相对电阻值也越大 反之 金晶体越纯 越完善 自由程长度越长 相对电阻值也越大 反之 金 属中杂质越多 在连续散射之间电子自由程长度越短 相对电阻也越属中杂质越多 在连续散射之间电子自由程长度越短 相对电阻也越 小 小 目前可以得到很纯的金属 在它们当中目前可以得到很纯的金属 在它们当中4 2K时的电子平均自由程长度时的电子平均自由程长度 可达几个可达几个mm 例如 相对电阻为 例如 相对电阻为7 106的超纯钨 其电子自由程长的超纯钨 其电子自由程长 达达12 5mm l 材料物理材料物理 45 温度对金属电阻的影响温度对金属电阻的影响 低温下金属电阻与温度的关系低温下金属电阻与温度的关系 在绝对零度下化学上纯净又无缺陷的在绝对零度下化学上纯净又无缺陷的 金属 其电阻等于零 随着温度的升金属 其电阻等于零 随着温度的升 高 金属电阻也在增加 如曲线高 金属电阻也在增加 如曲线1所示 所示 如果在晶体中存在少量杂质和结构缺如果在晶体中存在少量杂质和结构缺 陷 电阻与温度的关系发生变化 曲陷 电阻与温度的关系发生变化 曲 线线2和和3所示 在低温下材料结构对电所示 在低温下材料结构对电 阻的贡献主要由阻的贡献主要由 残表示 缺陷的数量表示 缺陷的数量 和类型决定了与缺陷有关的电阻 和类型决定了与缺陷有关的电阻 材料物理材料物理 46 温度对金属电阻的影响温度对金属电阻的影响 在在2K以下金属的电阻主要由 电子以下金属的电阻主要由 电子 电子电子 散射决定 但除了最低的温散射决定 但除了最低的温 度以外 在所有温度下大多数金属的电阻都决定于 电子度以外 在所有温度下大多数金属的电阻都决定于 电子 声子 散射 声子 散射 即金属的电阻取决于离子的热运动 即金属的电阻取决于离子的热运动 根据德拜理论 原子热振动的特征在两个温度区域存在本质的差别 根据德拜理论 原子热振动的特征在两个温度区域存在本质的差别 划分这两个区域的温度划分这两个区域的温度 D称为德拜温度或特征温度 在称为德拜温度或特征温度 在T D 时电阻与温度有不同的函数关系 时电阻与温度有不同的函数关系 2 5 2 3 2 TKT TT TT D D 时 时 时 材料物理材料物理 47 实验表明 对于普通的非过渡族金属 德拜温度一般不超过实验表明 对于普通的非过渡族金属 德拜温度一般不超过500K 当当 时 电阻和温度成线性关系 即时 电阻和温度成线性关系 即 式中式中 为电阻温度系数 为电阻温度系数 在低温下金属电阻取决于 电子在低温下金属电阻取决于 电子 电子 散射 这时的电阻与温度的平方成电子 散射 这时的电阻与温度的平方成 正比 正比 大多数金属在熔化成液态时 其电阻率会突然增大大多数金属在熔化成液态时 其电阻率会突然增大1 5 2倍 这是由于原子倍 这是由于原子 排列的长程有序被破坏 反而加强了对电子的散射 引起电阻增加 但有排列的长程有序被破坏 反而加强了对电子的散射 引起电阻增加 但有 些金属是反常的 些金属是反常的 D T 3 2 1 0 T T 2 T 电 电 温度对金属电阻的影响温度对金属电阻的影响 材料物理材料物理 48 压力对金属电阻的影响压力对金属电阻的影响 由于压力改变着系统的热力学平衡条件 压力对材料的性能表现出强烈的由于压力改变着系统的热力学平衡条件 压力对材料的性能表现出强烈的 影响 影响 材料物理材料物理 49 压力对金属电阻的影响压力对金属电阻的影响 高的压力往往导致物质的金属化 引起导电类型的变化 而且高的压力往往导致物质的金属化 引起导电类型的变化 而且 有助于从绝缘体有助于从绝缘体 半导体半导体 金属金属 超导体的某种转变 超导体的某种转变 某些半导体和电介质转变为金属态所要的临界压力某些半导体和电介质转变为金属态所要的临界压力 材料物理材料物理 50 与纯金属相比 金属固溶体的形成总是伴随着电阻的增大 即使是在低与纯金属相比 金属固溶体的形成总是伴随着电阻的增大 即使是在低 导电性溶剂中加人高导电性溶质也是如此 但电阻随成分平稳地连续变导电性溶剂中加人高导电性溶质也是如此 但电阻随成分平稳地连续变 化而不发生突变 化而不发生突变 在无限固溶体的情况下 当组元在无限固溶体的情况下 当组元A添加于添加于 组元组元B时电阻逐渐增大 到达极大值后减时电阻逐渐增大 到达极大值后减 小到小到B组元的电阻值 组元的电阻值 这是因为原子半径差所引起的晶体点阵这是因为原子半径差所引起的晶体点阵 畸变使电子的散射增加 固溶体电阻总畸变使电子的散射增加 固溶体电阻总 是大于纯金属电阻 且原子半径差越大 是大于纯金属电阻 且原子半径差越大 固溶体电阻也越大 固溶体电阻也越大 固溶体的导电性固溶体的导电性 材料物理材料物理 Contents 材料的导电性能材料的导电性能 1 金属导电性金属导电性 2 半导体物理半导体物理 3 4 51 超导物理超导物理 本征半导体本征半导体 材料物理材料物理 52 纯净的半导体称为本征半导体 如纯硅和纯锗 这些半导体的禁带纯净的半导体称为本征半导体 如纯硅和纯锗 这些半导体的禁带EgEg比较比较 小 具有足够热能的电子能够越过禁带 从价带激发到导带 被激发的电小 具有足够热能的电子能够越过禁带 从价带激发到导带 被激发的电 子原来能级上则留下一个空穴 如果另一个电子过来填充这个空穴 那么子原来能级上则留下一个空穴 如果另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 导带上的电子向正的移动也会产生电流 如果在半导体材料上加上电压 导带上的电子向正 极移动 价带上的空穴则向负极移动 极移动 价带上的空穴则向负极移动 材料物理材料物理 53 在本征半导体中 导电性能对温度非常敏感 绝对零度时 所有的电在本征半导体中 导电性能对温度非常敏感 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 在一般使据导带能级的可能性也增加 半导体的导电性也随之增加 在一般使 用温度下 本征载流子浓度随温度升高近似按指数关系增加 半导体用温度下 本征载流子浓度随温度升高近似按指数关系增加 半导体 中的导电性与温度的这种关系刚好与金属相反 中的导电性与温度的这种关系刚好与金属相反 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 一定温度范围内与温度关系不大 本征半导体本征半导体 材料物理材料物理 54 杂质半导体杂质半导体 掺入杂质的半导体称为杂质半导体 也称为非本征掺入杂质的半导体称为杂质半导体 也称为非本征 半导体 有半导体 有N型和型和P型两种 型两种 如果向本征半导体中添加像锑 砷 磷这样的如果向本征半导体中添加像锑 砷 磷这样的5价价 元素 那么锑 砷 磷中的元素 那么锑 砷 磷中的4个价电子会参加本征个价电子会参加本征 半导体的共价键结合 当它顶替本征半导体晶格半导体的共价键结合 当它顶替本征半导体晶格 中一个中一个4价元素原子时 还余下一个价电子 这个价元素原子时 还余下一个价电子 这个 价电子有可能进入导带 参加导电 价电子有可能进入导带 参加导电 由于杂质原子可以提供电子 称为施主 掺入了由于杂质原子可以提供电子 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 所以称为载流子 所以称为N negative 表示负电荷的意 表示负电荷的意 思 型半导体 思 型半导体 材料物理材料物理 55 理论计算和实验结果表明 施主的富余价电子所理论计算和实验结果表明 施主的富余价电子所 处的能级处的能级Ed 施主能级 非常靠近导带底 施主能级 非常靠近导带底 Ec为为 导带能级 这个价电子并没有被施主原子束缚导带能级 这个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得很紧 只要有一个很小的能量Ec Ed就可以使就可以使 这个电子进入导带 这个多余的价电子进入导带这个电子进入导带 这个多余的价电子进入导带 后 不会在价带中产生空穴 后 不会在价带中产生空穴 例如 在锗中掺磷例如 在锗中掺磷Ec Ed值为值为0 012eV 在硅中掺砷在硅中掺砷Ec Ed值为值为0 049eV 在硅中掺锑在硅中掺锑Ec Ed值为值为0 039eV N型半导体型半导体 材料物理材料物理 56 当温度从很低的温度逐渐升高时 越来越多的施当温度从很低的温度逐渐升高时 越来越多的施 主电子得到能量主电子得到能量Ec Ed越过禁带进入导带 一般越过禁带进入导带 一般 来说 在常温下 每个掺入的来说 在常温下 每个掺入的5价元素原子的价价元素原子的价 电子都具有大于电子都具有大于Ec Ed的能量 所以所有施主电的能量 所以所有施主电 子都进入导带 而本征半导体中的电子还没有足子都进入导带 而本征半导体中的电子还没有足 够的能量进入导带 因此导带中的电子数目不变 够的能量进入导带 因此导带中的电子数目不变 电导率将维持一个常量 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在更高的温度下 才会出现本征半导体产生的导 电性 电性 N型半导体型半导体 材料物理材料物理 57 如果向本征半导体中添加像镓 铟 硼 铝如果向本征半导体中添加像镓 铟 硼 铝 这样的这样的3价元素 因为没有足够的电子参与价元素 因为没有足够的电子参与 共价键的结合 当它顶替本征半导体晶格中共价键的结合 当它顶替本征半导体晶格中 的一个的一个4价元素的原子时 必然缺少一个价价元素的原子时 必然缺少一个价 电子 形成一个空位 如果相邻的其他电子电子 形成一个空位 如果相邻的其他电子 过来填充这个空穴 就会产生一个新的空穴 过来填充这个空穴 就会产生一个新的空穴 像这种能够向本征半导体提供空穴作为载流像这种能够向本征半导体提供空穴作为载流 子的杂质元素称为受主 掺入了受主杂志的子的杂质元素称为受主 掺入了受主杂志的 非本质半导体以正电荷 空穴 作为载流子 非本质半导体以正电荷 空穴 作为载流子 所以称为所以称为P positive 型半导体 型半导体 P型半导体型半导体 材料物理材料物理 58 理论计算和实验结果表明 理论计算和实验结果表明 3价元素形成的价元素形成的 允许价电子占有的能级允许价电子占有的能级Ea与本征半导体的价与本征半导体的价 带能级带能级Ev非常接近 价带上的电子只要获得非常接近 价带上的电子只要获得 能量能量Ea Ev 就可以跃迁上去填充受主的空 就可以跃迁上去填充受主的空 穴而在价带上产生空穴 价带上的空穴可以穴而在价带上产生空穴 价带上的空穴可以 移动 传导电流 移动 传导电流 例如 在锗中掺硼 铝的例如 在锗中掺硼 铝的Ea Ev值为值为0 01eV 在硅中掺镓的在硅中掺镓的Ea Ev值为值为0 065eV 在硅中掺铟的在硅中掺铟的Ea Ev值为值为0 16eV P型半导体型半导体 材料物理材料物理 59 当温度从很低的温度逐渐升高时 越来越多当温度从很低的温度逐渐升高时 越来越多 的受主空穴被价带上的电子所填充 一般来的受主空穴被价带上的电子所填充 一般来 说 在常温下 处于价带的价电子都具有大说 在常温下 处于价带的价电子都具有大 于于Ea Ev的能量 都可以进入的能量 都可以进入Ea能级 所以能级 所以 中的空穴全部被填充 而价带中的电子还没中的空穴全部被填充 而价带中的电子还没 有足够的能量进入导带 因此价带中的空穴有足够的能量进入导带 因此价带中的空穴 数目不变 电导率将维持一个常量 数目不变 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在更高的温度下 才会出现本征半导体产生 的导电性 的导电性 P型半导体型半导体 材料物理材料物理 60 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 杂质半导体杂质半导体 材料物理材料物理 61 本征半导体和非本征半导体的区别本征半导体和非本征半导体的区别 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 体中的电子载流子和空穴载流子的数量是不相等的 N型半导体中电子载流子多于空穴载流子 电子称为多数载流子 型半导体中电子载流子多于空穴载流子 电子称为多数载流子 P 型半导体中空穴载流子多于电子载流子 空穴称为多数载流子 由于型半导体中空穴载流子多于电子载流子 空穴称为多数载流子 由于 少数载流子是由本征半导体中热激发出来的 所以少数载流子对温度少数载流子是由本征半导体中热激发出来的 所以少数载流子对温度 非常敏感 非常敏感 材料物理材料物理 62 PN结结 在一块完整的硅片上 用不同的掺杂工艺使其一边形成在一块完整的硅片上 用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体 另型半导体 另 一边形成一边形成P型半导体 那么在两种半导体的交界面附近就形成了型半导体 那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结 结 P区 N区 PN结内载流子的扩散运动结内载流子的扩散运动 N区的电子必然向区的电子必然向P区运动 扩散区运动 扩散 到到P区的电子与空穴复合而消失 区的电子与空穴复合而消失 同时同时P区的空穴也要向区的空穴也要向N区扩散 区扩散 与与N区中的电子复合 这种由于区中的电子复合 这种由于 浓度差而引起的运动称为扩散运浓度差而引起的运动称为扩散运 动 动 材料物理材料物理 63 P区 N区 空间电荷区 负离子 空穴 正离子 电子 U内 接触电势差 内电场 平衡状态下的平衡状态下的PN结结 PN结结 材料物理材料物理 64 PN结的单向导电性结的单向导电性 加正向电压加正向电压 P区 N区 U内 U外 内电场 外电场 耗尽层 材料物理材料物理 65 P区 N区 U内 U外 内电场 外电场 耗尽层 加反向电压加反向电压 PN结的单向导电性结的单向导电性 材料物理材料物理 66 PN结的特性结的特性 PNPN结加正向电压时 形成较大的正向电流 而在加反向结加正向电压时 形成较大的正向电流 而在加反向 电压时 反向电流很小 这种特性称为单向导电性 电压时 反向电流很小 这种特性称为单向导电性 PNPN结的整流效应结的整流效应 材料物理材料物理 67 PN结的伏安特性结的伏安特性 PN结的击穿结的击穿 反向偏压太大 通过反向偏压太大 通过PNPN结的绝缘结的绝缘 区的漏电流的载流子将会被大大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 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导致在反向偏压下也产生一个很 大的电流 这种现象称为大的电流 这种现象称为PNPN结的结的 反向击穿 反向击穿 可以通过调节半导体掺杂和可以通过调节半导体掺杂和PNPN结结 的结构来改变的结构来改变PNPN结的反向许可电结的反向许可电 压 压 材料物理材料物理 68 双结晶体管 n n p p n n型晶体管电路及其结构型晶体管电路及其结构 材料物理材料物理 69 n n p p n n型型MOSMOS场效应管场效应管 场效应晶体管 光致发光效应 荧光效应 光致发光效应 荧光效应 发光二极管发光二极管 电致发光效应电致发光效应 激光二极管激光二极管 光伏特效应光伏特效应 材料物理材料物理 70 半导体的物理效应 材料物理材料物理 71 光致发光效应 价带的电子受到入射光子的激发后 会跃过禁带进入导带 如果导价带的电子受到入射光子的激发后 会跃过禁带进入导带 如果导 带上的这些被激发的电子又跃迁回到价带时 会以放出光子的形式带上的这些被激发的电子又跃迁回到价带时 会以放出光子的形式 来释放能量 这就是来释放能量 这就是光致发光效应光致发光效应 也称为荧光效应 也称为荧光效应 荧光产生原理荧光产生原理 a a 没有禁带的金属没有禁带的金属 b b 有禁带的半导体有禁带的半导体 材料物理材料物理 72 在某些陶瓷和半导体中 价带和导带之间的禁带宽度不大不小 所以被在某些陶瓷和半导体中 价带和导带之间的禁带宽度不大不小 所以被 激发的电子从导带跃过禁带回到价带时释放的光子波长刚好在可见光波激发的电子从导带跃过禁带回到价带时释放的光子波长刚好在可见光波 段 这样的材料称为段 这样的材料称为荧光材料荧光材料 日光灯灯管的内壁涂有荧光物质 管内的汞蒸气在电场作用下发出紫日光灯灯管的内壁涂有荧光物质 管内的汞蒸气在电场作用下发出紫 外线 这些紫外线轰击在荧光物质上使其发光 关掉电源后荧光物质外线 这些紫外线轰击在荧光物质上使其发光 关掉电源后荧光物质 便不再发光 便不再发光 光致发光效应 材料物理材料物理 73 余辉效应 如果荧光材料中含有一些微量杂质 且这些杂质的能级位于禁带内 相如果荧光材料中含有一些微量杂质 且这些杂质的能级位于禁带内 相 当于陷阱能级当于陷阱能级 E Ed d 从价带被激发的电子进入导带后 又会掉入这些陷阱 从价带被激发的电子进入导带后 又会掉入这些陷阱 能级 因为这些被陷阱能级所捕获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进能级 因为这些被陷阱能级所捕获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进 入导带后才能跃迁回到价带 所以它们被入射光子激发后 需要延迟一入导带后才能跃迁回到价带 所以它们被入射光子激发后 需要延迟一 段时间才会发光 出现了所谓的段时间才会发光 出现了所谓的余辉现象余辉现象 材料物理材料物理 74 余辉时间余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之间的能级差 即陷阱能级深度 因取决于这些陷阱能级与导带之间的能级差 即陷阱能级深度 因 为在一定温度下 处于较深的陷阱能级上的电子被热重新激发到导带的几为在一定温度下 处于较深的陷阱能级上的电子被热重新激发到导带的几 率较小 或者电子进入导带后又落入其他陷阱能级 发生多次捕获 这率较小 或者电子进入导带后又落入其他陷阱能级 发生多次捕获 这 些情况都使余辉时间变长 也就是使发光的衰减很慢 些情况都使余辉时间变长 也就是使发光的衰减很慢 通过研究光致发光材料中陷阱能级的规律 可以制造出具有长余辉效应的通过研究光致发光材料中陷阱能级的规律 可以制造出具有长余辉效应的 发光材料 余辉时间特别长的荧光材料可以用作发光材料 余辉时间特别长的荧光材料可以用作夜光材料夜光材料 可以将白天受 可以将白天受 的光储存起来用于夜晚显示 的光储存起来用于夜晚显示 余辉效应 材料物理材料物理 75 夜光材料 SrAlSrAl2 2O O4 4 Eu Dy Eu Dy长余辉材料的发光原理长余辉材料的发光原理 材料物理材料物理 76 发光二极管 当两块半导体结合形成当两块半导体结合形成PNPN结时 结时 按照费米能级的定义 电子将从按照费米能级的定义 电子将从 费米能级高的费米能级高的N N区流向费米能级低区流向费米能级低 的的P P区 直至两边的费米能级相等区