电子材料复习要点.doc

导电材料是指电流容易通过的材料，常用作电极、电刷、电线等。马西森定律：金属的总电阻包括金属的基本电阻和溶质浓度引起的电阻（与温度无关）。电阻率与压力的关系：在流体静压压缩时，大多数金属的电阻率下降，这是因为在巨大的流体静压条件下，金属的原子间距缩小，内部缺陷形态、电子结构、费米能和能带结构都发生变化。其中随压力增大电阻率下降的成为正常金属，反之为反常金属。冷加工引起金属电阻率增加。冷加工引起金属晶格畸变也像原子热振动一样，增加电子散射几率，同时也会引起金属晶体原子间键合的改变，导致原子间距的改变。空位、间隙原子以及它们的组合、位错等晶体缺陷使金属电阻率增加。一般在立方系晶体中金属的电阻表现为各向同性。但在对称性较差的六方晶系、四方晶系、斜方晶系和菱面体中，导电性表现为各向异性。常用导电材料：铜合金和铝合金电容器电极材料要求：1.导电性能优良，体积电阻率小；2.化学稳定，抗腐蚀，不易氧化，对介质材料的老化、催化作用小；3.机械性能良好，与电容器工艺匹配；4.密度小，热导率大；5.易焊接，熔沸点适当；6.材料来源广，价格便宜。电刷与弹性材料要求：良好的物理性能、化学稳定性和优良的机械性能；良好的匹配、接触电阻小而稳定、磨损小。厚膜导电材料：良好的导电性能；良好的焊接工艺性能；与基片结合牢固。电子导电聚合物：温度升高有利于聚合物中形成大的共轭键体系，所以温度升高电导率增大。超导体：临界温度、临界磁场迈斯纳效应：材料进入超导态后能把体内磁感线完全排除，即体内磁通量为零，成为超导体的完全抗磁性，也常称为迈斯纳效应。同位素效应：超导体的转变温度与超导体的同位素质量有关，可表示为TcMi=常数。说明了超导电性的产生和电子与晶格振动的作用即电子-声子相互作用有关，因为同位素的差异改变了构成晶格的离子质量，因而影响了声子的性质。BCS理论：巴丁、库柏、施里弗。组成库柏电子对的条件：距费米能级EF为能量范围内的电子；满足p1+p2=0，即准动量大小相等、方向相反的电子；一个自旋向上，一个自旋向下。超导材料的应用：强电强磁应用：超导电缆，超导磁体；弱电弱磁：基于约瑟夫森效应，超导量子干涉器件；利用约瑟夫森结的交流伏安特性进行微波检测；超导计算机。电子共有化运动：原子相互靠近，不同原子内外壳层电子出现交叠，电子可由一个原子转移到相邻的原子，电子可以在整个晶体中运动，称为电子共有化运动。晶体中电子作共有化运动后，原来孤立的原子能级都分裂成一组组彼此相距很近的能级，每组构成一个能带。能带能级对应于晶体中电子作共有化运动的能量称为允带，允带之间的能量范围对共有化运动状态是禁止，称为禁带。有效质量概括半导体内部势场对电子的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。空穴的特点：（1）带有与电子电荷量相等符号相反的+q电荷。（2）空穴的浓度等同于价带顶附近空态的浓度。（3）空穴的共有化运动速度就是价带顶附近空态中电子的共有化运动速度。（4）空穴的有效质量 mp*，与价带顶附近空态的电子有效质量 mn*大小相等，符号相反，即 mp*=-mn*。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点-半导体的热敏性。杂质半导体：利用将杂质元素掺入纯元素中，把电子从杂质能级（带）激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上，从而在价带中产生空穴的激发叫非本征激发或杂质激发。这种半导体叫杂质半导体。热平衡状态：在给定温度下，两个相反过程之间建立起动态平衡，称之为热平衡状态。此时载流子的产生速率等于它们的复合速率，价带顶空穴浓度和导带底电子浓度保持不变。热平衡状态下半导体内导电电子浓度 n0 和价带空穴浓度 p0 的普遍表达式：半导体中载流子浓度的热平衡状态被打破之后，主要通过以下三种途径来恢复：（1）导带电子与价带空穴的直接复合或产生；（2）通过复合中心的间接复合或产生，即导带电子与价带空穴同时进入禁带之中的同一能级，该能级通常位于禁带中部，起因于某些杂质或缺陷；（3）通过表面复合中心的复合或产生。在这些复合过程中，载流子的能量主要通过以下形式来释放：（1）发射光子，辐射复合；（2）发射声子，把能量传递给晶格振动，称为多声子复合；（3）激发另外的电子或空穴，即所谓俄歇(Auger)复合。根据量子统计理论，服从泡利不相容原子的电子遵循费米统计律，对于能量为 E 的一个量子态被一个电子占据的概率 f(E) 为：费米能级的位置比较直观的标志了电子占据量子态的情况，EF高，则说明有较多的能量较高的量子态上有电子；T升高，电子占据能量小于费米能级的量子态的概率下降，而占据能量大于费米能级的量子态的概率增大。导带的电子浓度n0仅与导带底能级Ec和费米能级有关，与导带其他能级无关。故将导带看成是量子态均集中在导带底Ec能级，状态密度为Nc；有效状态密度不是常数，而是温度的函数。实际上，温度越高，电子的分布范围宽，电子实际占据的导带能级越高，电子占据的导带量子态越多，等效的状态密度越大。由电场作用而产生的、沿电场力方向的运动为漂移运动。由于载流子的漂移运动所引起的电流称为漂移电流。当有外电场作用时，载流子存在着相互矛盾的两种运动：（1）载流子受到电场力的作用，沿电场方向（空穴）或反电场方向（电子）定向运动；（2）载流子不断地遭到散射，使载流子的运动方向不断地改变。半导体中载流子在运动过程中为什么会遭到散射？其根本原因是周期性势场被破坏，引入附加势场，导致电子运动过程中状态不断发生改变。晶格振动的散射；电离杂质的散射；其他因素引起的散射电阻率与杂质浓度的关系：杂质的作用可以分为两个方面：提供导带电子，使传导电流增加，减小电阻率；形成电离中心，阻碍电子运动，增大电阻率。电阻率与温度的关系：对于本征半导体，本征载流子浓度随 ni 随温度上升急剧增加，而迁移率随温度下降较慢，因此本征半导体的电阻率随温度的增加而单调下降。对于杂质半导体，分为三个区：低温区，电阻率随温度升高而下降，本征激发可忽略，载流子主要由杂质电离提供，它随温度升高而增加，散射主要由电离杂质决定，迁移率也随温度升高而增大；饱和区，电阻率随温度升高而增大，杂质全部电离，本征激发还不明显，载流子基本上不随温度变化，晶格振动散射起主要作用，迁移率随温度升高而降低；本征区，电阻率随温度升高而下降，温度继续升高，本征激发很快增加，大量本征载流子的产生远远超过迁移率减小对电阻率的影响，表现出同本征半导体相似的特征。隧道击穿：隧道击穿是在强电场作用下，由于隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的一种击穿现象。雪崩击穿：雪崩击穿是在电场作用下，载流子能量增大，不断与晶体原子相碰，使共价键中的电子激发形成自由电子-空穴对。新产生的载流子又通过碰撞产生自由电子-空穴对，这就是倍增效应。热击穿： 当pn结上施加反向电压时，流过pn结的反向电流要引起热损耗，引起结温上升。结温上升，使得反向饱和电流密度的上升速度很快，最后发生击穿。形成n型和p型阻挡层的条件：n型p型WmWs阻挡层反阻挡层WmWs反阻挡层阻挡层在半导体中，电子吸收光子能量后的跃迁形式主要有下列几种：本征吸收；激子吸收；自由载流子吸收；杂质吸收；晶格振动吸收在本征吸收中，如果电子吸收光子产生跃迁时，保持波数（准动量）不变，则称此跃迁为直接跃迁。对于间接带隙的半导体材料，电子在跃迁前后波矢不相等，即电子从价带跃迁至导带时不仅能量发生了变化，而且动量也发生了变化。则称此跃迁为间接跃迁。当用适当波长的光照射非均匀掺杂的半导体(pn结等)时，由于光激发和半导体内建电场的作用，在半导体内产生电动势（光生电压）；如将pn结短路，则会出现电流（光生电流）。这种由内建场引起的光电效应，称为光生伏特效应。处于激发态的电子向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放出能量。也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这就是半导体的发光现象。产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡状态，即在半导体内需要有某种激发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光。测定载流子浓度和迁移率：n型和p型半导体的霍耳系数符号相反，也即霍耳电压的正负相反，因此，从霍耳电压的正负可以判别半导体的导电类型。在与电流垂直的方向加磁场后，进一步研究发现，沿外加电场方向的电流密度有所降低，即由于磁场的存在，半导体的电阻增大，此现象称为磁阻效应。半导体中的载流子除了输运电荷外，还可输运能量。如果在样品中建立一个温度梯度，半导体将产生热传导、温差电动势等现象。一般磁性材料的电子自旋磁矩要比电子轨道磁矩要大，在晶体中，电子轨道磁矩受晶格场的作用，其方向是不断变化的，不能形成一个联合磁矩。很多固态物质的磁性，主要不是由电子轨道磁矩引起的，而是来源于电子的自旋磁矩。电子自旋磁矩在一定条件下是物质内部建立起磁性的根源。1、物质的磁性来源于电子的自旋和轨道运动；2、原子内电子轨道具有未填满的电子是物质具有磁性的必要条件；3、电子的“交换作用”是物质具有磁性的重要条件。磁化强度：衡量物质有无磁性或磁性大小的物理量，定义为物质单位体积中的磁矩大小。磁场强度：是指外界磁场的大小，也是一个矢量。单位同磁化强度 M 。磁场强度 H 一般是由导体中的电流或者永磁体产生的。磁化强度 M 与磁场强度 H 的比值称为磁化率，即：M / H磁偶极子：通常把尺寸小到原子大小的小磁体称为磁偶极子，等效为环绕回路流动的电荷。磁偶极矩pm：真空中每单位外加磁场作用在磁偶极子上的最大力矩，单位为Wb m。材料在受到外加磁场H的作用后，其感生的磁化强度M和H的方向相反，这种磁性称为抗磁性。材料在受到外加磁场H的作用后，其感生的磁化强度M和H的方向相同，这种磁性称为顺磁性。其特征是组成这些物质的原子具有固有的总磁矩 。某些材料在一定的温度以下，只要很小的外加磁场作用就能被磁化到饱和，磁化强度 M 与磁场强度 H 之间的关系是非线性的复杂函数关系，反复磁化时出现磁滞现象，这种磁性称为铁磁性。1、很易磁化，在不强的磁场下就可磁化到饱和状态，且相应的饱和磁化强度很高；2、铁磁性物质的磁化强度和外磁场不呈线性关系，当反复磁化时，M和H的关系是一闭合曲线，称磁滞回线；3、铁磁性物质的磁性与温度有关。铁磁物质的原子结构特点：（1）原子存在未填满的内电子层（例如3d或4f层），在此层中未对消的电子自旋磁矩产生原子磁矩。（2）原子间距与未满电子层半径之比值要求有一定的大小，这样才能够有足够大的交换力，使物质中原子磁矩同相排列，才能形成铁磁性。某些材料，当温度达到某个临界值 TN 以上时，磁化率与温度的关系遵从居里-外斯定律。当 TTN时，磁化率不是继续增大，而是减小，并逐渐趋于定值，因此这类材料的磁化率在温度等于 TN 时出现极大值，这种磁性称为反铁磁性。反铁磁性材料中的磁矩相互抵消，如果磁矩虽然反向平行排列，但大小不同，从而出现未被抵消的净磁矩，其宏观磁性跟铁磁性相同，这类磁性称为亚铁磁性。1、若两个原子之间的距离很大，未填满的电子壳层基本上无重叠，交换作用就不存在，这种物质就是顺磁性物质；2、当两个原子距离很小时，使交换积分A小于零，为使Eex处于能量最低状态，只有cos ij=-1才行。这种情况说明邻近两原子的磁矩是反平行的，这是反铁磁物质Cr和Mn以及亚铁磁物质的情况；3、当A大于零时，能量Eex最低值是ij=0时的值，也就是说，邻近原子的磁矩相互平行时能量最低，这就是铁磁物质。一般常把容易磁化和退磁的磁性材料称为软磁材料，这种材料具有矫顽力小，磁导率高等优点。在电力工程，可作为变压器、电动机、发电机的磁心；在电子工业中，可用于制造继电器、变压器、电表、磁放大器和各类电感线圈、磁头及微电机等。Bs 饱和磁感应强度，是指用足够大的磁场来磁化磁性物质时，其磁化曲线接近水平不再随外磁场的加大而增加时的相应 B 值，单位为T或Gs；Hc 矫顽力，是指当磁性物质磁化到饱和后，由于有磁滞现象，故要使 B 减为零需有一定的负磁场，单位为安/米（A/m）；Br 剩余磁感应强度，是指当以足够大的磁场使磁性物质达到饱和后，又将磁场减小到零时的相应的磁感应强度；Br/Bm 矩形比，是指剩余磁感Br与规定磁场强度所对应的磁感强度Bm的比值。一般以Br/Bs之比为标准；磁导率，是B-H曲线上任意一点的B和H的比值， B/H，单位是H/m或Gs/Oe；例：同样都是铁芯材料，a、在大功率下用于电力、配电变压器和发电机时，要求材料具有很高的Bs、较高的和低的铁芯功率损耗P；b、在用于通信变压器时，要求材料具有很高的、较高的Bs和低的P；c、在用于开关元件和逻辑元件中，要求材料有较高的Br和接近矩形的磁滞回线；d、而用于恒电感线圈和宽频带变压器时，要求材料的能在一定的磁场范围内保持不变。永磁材料的重要指标：高的剩余磁感应强度和高的剩余磁化强度；高的矫顽力；高的最大磁能积；高的稳定性。磁记录介质材料性能要求：矫顽力要适当高；磁滞回线矩形比高；饱和磁化强度要高；温度稳定性好，老化效应小；用于垂直记录的介质，其垂直磁各向异性系数要高。巨磁阻效应是指当铁磁材料和非磁性金属层交替组合成的材料在足够强的磁场中时电阻突然巨幅下降的现象。激光特点：（1）方向性好，亮度高，能量集中；（2）单色性好，谱线宽度小于10-17m；（3）相干性好；（4）激光传递信息的容量大；（5）高简并度的强激光，其场强远大于分子、原子内的库仑场强，跟物质发生相互作用时，会引起倍频、和频、差