材料物理性能:第二章 电导_第1页
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文档简介

1、材料物理性能第二章 电导,电导的物理现象,物质的能带差异及其带间隙电子的充填性质,是载流子在电场作用下的定向迁移 载流子carriers,材料中带电的自由粒子。 在电场的作用下,产生电导和电流,金属材料之中的载流子? 无机材料之中的载流子? 半导体之中的载流子,电子电导的物理特征 霍尔效应 电子电导的特征是具有霍尔效应,产生电阻的原因自由电子在定向迁移过程中,因不断与其他质点发 生碰撞,而使电子的迁移受阻,这就是产生电阻的原因 金属材料的电阻来源于自由电子的散射,材料电阻的本质,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),可以看成为基本电阻。 这个电阻在绝对零度时降为零,金属导电机

2、制-马基申定则,理想晶体: 电子散射和声子散射-基本电阻-0-K 消失 非理想晶体: 电子在杂质和缺陷上散射-0K仍然存在残余电阻,基本电阻和残余电阻,第三种机制(电子在杂质和缺陷上的散射) 在有缺陷的晶体中可以观察到,是绝对零度下金属还有电阻残余电阻,这个电阻表示了金属的纯度和完整性,金属导电机制-马基申定则,为残余电阻-决定于化学缺陷和物理缺陷。化学缺陷为偶然存在的杂质原子以及人工加人的合金元素原子。 物理缺陷系空位、间隙原子、位错以及它们的复合体,式中 为与温度有关的金属基本电阻,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 ,而在低温时则决定于残余电阻 , 既然残余电阻是电子在

3、杂质和缺陷上的散射引起的,那末 的大小可以用来评定金属的电学纯度,电阻的本质是和原子的振动密切联系的,原子的振动理论德拜理论根据德拜温度的分界,把振动和温度的直接关系化为两个俨然不同的区域,影响金属电导的因素,温度的影响,电阻率与声子的浓度和声子平均动量的平方成正比,声子的浓度,声子平均动量的平方,可见, 电阻率与 成正比,低温下,德拜温度前后的电阻变化,金属电阻率在不同温度范围内和温度变化关系是不同,当温度 ,电阻率正比于温度,极低温下2k,电子电子散射是主要电阻来源,金属融化时候的电阻变化,金属融化时候,原子的周期规则排列被破坏,增强了电子的散射机会,因此金属的电阻增加,一般要增加至少1.

4、5-2倍,Question,以立方晶系金属为例,电导与电流的关系是,热导系数与热能流密度的关系,可见, 电场强度 一定, 电导 大, 电流密度 就大. 电导成为金属通流能力的量度,电导大的金属热导系数也大? 本质联系是什么,过渡金属的电阻 过渡金属的电阻和温度的关系是反常的,特别是铁磁性金属,发生磁性转变时候,电阻率出现反常,和温度的依赖关系不在适用。 这些金属电阻和温度的反常关系,主要原因: 金属d及其s壳层电子云相互作用所致,影响金属电导的因素,尺寸影响 对于极薄金属器件有效。 极薄金属具有表面散射表面附加电阻,电 子电导金属的导电性,离子电导的物理特征 (2) 电解效应 离子电导的特征是

5、存在电解效应。 离子的迁移伴随着一定的质量变化,离子在电极附近发生电子得失,产生新的物质,这就是电解现象。 检验陶瓷材料是否存在离子电导,判定载流子是正离子还是负离子,本征导电-晶格点阵上的离子定向运动(热缺陷的运 动) 弗仑克尔缺陷为-填隙离子-空位对 肖特基缺陷为阳离子空位-阴离子空位对。 杂质导电-杂质离子的定向运动。 填隙杂质或置换杂质(溶质,4. 离子导电的种类,E2,如果固体电介质的导电率比正常离子化合物的导电率高处几个数量级,通常叫做快离子导体FIC 晶体结构的主体是一类占有特定位置的离子 具有很大的空位,空位数量远大于可移动的离子数 具有相对低的激活能。 在点阵间总是存在通路,

6、以便沿着有利的路径可以平移,6. 快离子导体,一般特征,半导体,1 本征半导体与非本征半导体,Si 和Ge属于本征半导体。这里,“本征”是具有“原本特征”的意思。这些半导体的禁带Eg比较小,具有足够热能的电子能够越过禁带,从价带被激发到导带。被激发的电子原来占据的价带的能级上则留下一个空穴,如果电子过来填充这个空穴,原来的能级上又会出现空穴。所以空穴携带正电荷移动产生电流。如果在半导体材料上加上电压,导带上的电子朝正极移动,价带上的空穴则向负极移动,本征半导体,通过控制温度来控制载流子的数量及其导电性。在绝对零度时,所有的电子都处于价带,导带中的所有能级都是空的。 温度升高,电子占据导带能级的

7、可能性增加,半导体的导电性也随之增加。半导体中的导电性与温度的这种关系刚好与金属相反。 在金属中,导电性是随着温度升高而降低,实际应用中,本征半导体由于两种载流子的数量相等,显示不出它们彼此的特性。所以不能用来制作晶体管之类的电子器件。 但是本征半导体对光、射线、温度的作用非常敏感,使半导体的载流子数量随之发生明显变化,因此可用来制作一些探测器,锗比硅容易提纯,所以最初发明的半导体三极管是锗制成的。但是,锗的禁带宽度(0.67eV)只有硅的禁带宽度(1.11eV)的大约一半,所以硅的电阻率比锗大,在较宽的禁带中能更有效地设置杂质能级,所以硅半导体逐渐取代了锗半导体,除了硅和锗以外,还出现了像砷

8、化镓(GaAs)-族元素和族元素组成的化合物半导体。 在化合物半导体中,载流子的移动速率远远大于硅和锗,所以能够制备更加高速的大规模集成电路,N-型半导体,如何通过实验来测定载流子是电子还是空穴,所谓半导化,是指在禁带中形成附加能级,这些附加能级的电离能都比较低,高温下受到热激发就会产生载流子而形成半导体 。氧化物陶瓷这种由绝缘体转变为半导体的现象,半导体陶瓷的能带结构,氧化物晶体中,产生附加能级主要有两个途径: (1)不含杂质的氧化物主要通过化学计量比偏离,在晶体中存在固有缺陷。 (2)在氧化物掺入少量杂质,在晶体中存在杂质缺陷,施主能级结构,1)杂质施主能级 若是高价替位杂质,则在能带的导

9、带底附近的位置产生附加的施主能级。 在氧化物晶体MO中,M2+是二价,如果掺入外来三价金属离子形成替位离子,则在位于靠近导带底的位置上产生附加能级杂质施主能级,2)氧空位或填隙金属离子施主能级 半导瓷制备要经过高温烧结,如果在氮气或氢气气氛中,其氧分压低于某一临界值,则晶粒内部的氧将向外界扩散而产生氧不足,而在冷却过程中在高温热平衡状态下产生的氧不足会保留下来, 小的阳离子可能会占据晶格间隙位置,对于MO晶体,将会使MO的分子式变为MO1-x。这时,由于氧子晶格位置过剩而出现的固有缺陷有两种可能: 产生氧空位固有缺陷; 产生填隙金属离子固有缺陷。 两种情况会在晶格周围中产生过剩的电子,这些过剩的电子被氧空位或填隙金属离子形成的正电中心所束缚,且处于一种弱束缚状态,在导带下面形成施主能级,受主能级结构,1)杂质受主能级 若是低价杂质替位,则在半导体晶体能带中位于价带顶附近的位置产生附近的受主能级。 如,MO中,如果掺入一价金属杂质离子,使它代替了M2+离子的晶格位置,则在位于靠近价带顶的位置产生附加能级杂质受主能级,2)间隙O离子-受主能级 高温烧结如果在氧气氛中,氧量较高,其氧分压超过某一临界值时,氧将向瓷体内部扩散,在达到气一固平衡时就会在晶体中产生超过化学计量比的氧过剩,这氧过剩可能在降温时大部分保留下来,从而使最终产品显著地偏离严格的化学计量比

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