第4章材料的导电性能

1、材料电学性能：指材料在外电场作用下表现出来的行为。材料电学性能：指材料在外电场作用下表现出来的行为。材料电学性能的一般简介材料电学性能的一般简介导电性能导电性能以带电粒子以带电粒子( (载流子载流子) )长程迁移，即长程迁移，即传导的方式对外电场作出的响应。传导的方式对外电场作出的响应。以感应方式对外电场（包括频率、以感应方式对外电场（包括频率、温度）等物理作用作出的响应，温度）等物理作用作出的响应，即产生电偶极矩或电偶极矩的改即产生电偶极矩或电偶极矩的改变。如：铁电性、压电性等。变。如：铁电性、压电性等。介电性能介电性能电学性能电学性能 电阻与导电的基本概念电阻与导电的基本概念1 1 导电导

2、电 当在材料的两端施加电压时，材料中有电流流过当在材料的两端施加电压时，材料中有电流流过 欧姆定律欧姆定律2 2 电阻电阻 与材料的性质有关与材料的性质有关 还与材料的长度及截面积有关还与材料的长度及截面积有关3 3 电阻率电阻率 只与材料本性有关只与材料本性有关 而与导体的几何尺寸无关而与导体的几何尺寸无关 评定导电性的基本参数评定导电性的基本参数RIV4 4 电导率电导率 愈大，材料导电性能就越好愈大，材料导电性能就越好5 5 材料分类材料分类超导体、导体、绝缘体和半导体超导体、导体、绝缘体和半导体 10-27m 超导体超导体 10-3m 导体导体 10-3109m半导体半导体 109m

3、绝缘体绝缘体注意：不同的手册，划分范围不尽相同。注意：不同的手册，划分范围不尽相同。载流子载流子电子（金属、合金）电子（金属、合金）电子和空穴（半导体）电子和空穴（半导体）离子和空位（离子类材料）离子和空位（离子类材料）超导体的导电性来自于库柏电子对超导体的导电性来自于库柏电子对导电能力相差很大，决定于结构与导电本质导电能力相差很大，决定于结构与导电本质2 045V VIAR .SRLVELIJS.EJEIJS.LRS.VE L.ELJ SLSAreaLengthi电流密度（单位时间内通过单位面积的电荷） 微分式说明导体中某点的电流密度正比于该点的电场强度微分式说明导体中某点的电流密度正比于该

4、点的电场强度,比例系数为电导率比例系数为电导率。 电场强度电场强度E伏特伏特/厘米厘米; 电流密度电流密度J安培安培/厘米厘米2; 电阻率电阻率欧姆欧姆.厘米厘米; 电导率电导率西门子西门子.厘米厘米-1.EJE电导率即单位电场强度下的电流密度。电导率即单位电场强度下的电流密度。电流密度是单位时间内通过单位面积的电荷。电流密度是单位时间内通过单位面积的电荷。设材料中的载流子所带电荷是设材料中的载流子所带电荷是q,q,载流子浓度载流子浓度( (单位体积的载流单位体积的载流子数目）是子数目）是n,n,载流子运动速度是载流子运动速度是n，则电流密度：则电流密度：JEJ=nqn将将 带入带入 有：有：

5、 J=nqnJE =nqn n/E =niqim mi迁移率迁移率m m：电子的运动速度和电场强度成正比，单电子的运动速度和电场强度成正比，单 位电场下，载流子的运动速度叫迁移率。位电场下，载流子的运动速度叫迁移率。Enm =nqm m 经典自由电子导电理论经典自由电子导电理论量子自由电子理论量子自由电子理论能带理论能带理论三个重要阶段三个重要阶段 4.2.1 金属及半导体的导电机理金属及半导体的导电机理 1）正离子构成的完整晶体点阵；）正离子构成的完整晶体点阵； （电场均匀）（电场均匀）2）价电子完全自由化、公有化，弥散分布整个点阵；）价电子完全自由化、公有化，弥散分布整个点阵； （价电子为

6、自由电子）（价电子为自由电子） 一、经典自由电子理论一、经典自由电子理论假设：假设： 经典自由电子理论学说成功地解释了导电性和导热经典自由电子理论学说成功地解释了导电性和导热性的关系，但在应用中遇到很多问题：性的关系，但在应用中遇到很多问题： 高价金属导电性不如一价金属；高价金属导电性不如一价金属； 无法解释金属、半导体和绝缘体材料导电性能的巨大无法解释金属、半导体和绝缘体材料导电性能的巨大差异差异 。主要原因：用经典力学理论不能正确反映微观质点主要原因：用经典力学理论不能正确反映微观质点的运动规律。的运动规律。假设：假设：1）正离子构成的完整晶体点阵；）正离子构成的完整晶体点阵； （电场均匀

7、）（电场均匀）2）价电子的能量状态是按照量子化的规律分布。）价电子的能量状态是按照量子化的规律分布。 （具有不同能级）（具有不同能级）2、量子自由电子理论、量子自由电子理论 量子自由电子理论较好地解释了金属导电性，量子自由电子理论较好地解释了金属导电性，一价金属比一价金属比二、三价金属导电性较好，二、三价金属导电性较好，但仍无法解释铁磁性等问题，但仍无法解释铁磁性等问题，为什么？为什么？原因：假定金属中的离子所产生的势场是均匀的。原因：假定金属中的离子所产生的势场是均匀的。 假设：假设： 3 3、能带理论、能带理论假设：假设：1）正离子构成的晶体点阵形成周期性势场；）正离子构成的晶体点阵形成周

8、期性势场； （电场不均匀）（电场不均匀）2）价电子在离子周期势场中运动，能量随着其位置）价电子在离子周期势场中运动，能量随着其位置的变化呈周期性变化（的变化呈周期性变化（近正离子时势能低，离开时近正离子时势能低，离开时势能增高是准自由电子势能增高是准自由电子）。）。禁带禁带：能隙：能隙所对应的能所对应的能带。带。允带允带：电子：电子可以具有的可以具有的能级所组成能级所组成的能带。的能带。在允带中每在允带中每个能级只允个能级只允许有两个自许有两个自旋反向的电旋反向的电子存在子存在填满的能带填满的能带 满带：所有能级都被价电子占满的允带满带：所有能级都被价电子占满的允带 价带：占有电子的能量最高的

9、允带。价带：占有电子的能量最高的允带。 空带：未被电子填充的允带。空带：未被电子填充的允带。 导带：相应于价带以上的允带及未被占满的导带：相应于价带以上的允带及未被占满的价带价带 禁带禁带：能隙所对应的能带。：能隙所对应的能带。 导带导带中的电子导电，满带电子不自由不导电中的电子导电，满带电子不自由不导电。2 2）能带结构中的有关概念：）能带结构中的有关概念：3 3）能带理论对固体导电性的解释：）能带理论对固体导电性的解释：费米能级：费米能级：0K0K时电子占据的最高能级。时电子占据的最高能级。 半导体，禁带宽度小，在绝对半导体，禁带宽度小，在绝对0K时，电子在价带中，时，电子在价带中，导带空

10、，无导电能力。一旦获得能量导带空，无导电能力。一旦获得能量Eg既可以导电。既可以导电。 绝缘体禁带宽度大，难以越过，不导电。绝缘体禁带宽度大，难以越过，不导电。 金属的禁带为金属的禁带为0，导电性好；，导电性好； 半导体的禁带居中（在半导体的禁带居中（在3eV以内），导电性差；以内），导电性差； 绝缘体的禁带最宽（近绝缘体的禁带最宽（近6eV以上），不能导电。以上），不能导电。 半导体和绝缘体材料的能带结构相同，但禁带宽度不同。半导体和绝缘体材料的能带结构相同，但禁带宽度不同。 能带理论可以解释金属和半导体的导电现象，却难以能带理论可以解释金属和半导体的导电现象，却难以解释陶瓷、玻璃和高分子等

11、非金属材料的导电机理。解释陶瓷、玻璃和高分子等非金属材料的导电机理。无机材料无机材料中，载流子有两类：中，载流子有两类： 离子和离子空位，故称离子和离子空位，故称离子电导离子电导； 电子和空穴；（类似半导体材料）电子和空穴；（类似半导体材料）离子电导导电机理：离子电导导电机理： 离子晶体中空位的迁移。涉及离子运动离子晶体中空位的迁移。涉及离子运动本征电导：本征电导：晶体点阵中基本离子的运动产生电导。晶体点阵中基本离子的运动产生电导。杂质电导：杂质电导：结合力弱的离子运动造成，主要是杂质离子。结合力弱的离子运动造成，主要是杂质离子。离子移位产生电流离子移位产生电流晶体的离子电导可以分为两类晶体的

12、离子电导可以分为两类玻璃的导电机理：玻璃的导电机理：原因：碱金属离子在结构中的可动性原因：碱金属离子在结构中的可动性( (在空位之间跳跃在空位之间跳跃) )所导致的。所导致的。 (a)碱金属含量不大时，碱金属含量不大时，与碱金属含量呈直线关系，碱与碱金属含量呈直线关系，碱金属只增加离子数目；但碱金属含量超过一定限度时，金属只增加离子数目；但碱金属含量超过一定限度时，与碱金属含量呈指数关系，这是因为碱金属含量的增加破与碱金属含量呈指数关系，这是因为碱金属含量的增加破坏了玻璃的网络，而使玻璃结构更加松散，因而活化能降坏了玻璃的网络，而使玻璃结构更加松散，因而活化能降低，低， 导电率指数式上升。导电

13、率指数式上升。 玻璃的组成对玻璃的电阻影响很大玻璃的组成对玻璃的电阻影响很大 (b) (b) 双碱效应双碱效应 应用条件：当碱金属离子总浓应用条件：当碱金属离子总浓度较大时（占玻璃度较大时（占玻璃25-30%25-30%），），在碱金属离子总浓度相同情况在碱金属离子总浓度相同情况下，含两种碱比含一种碱的电下，含两种碱比含一种碱的电导率要小，比例恰当时，可降导率要小，比例恰当时，可降到最低到最低( (降低降低4 45 5个数量级个数量级) )。 (3) (3)压碱效应压碱效应 含碱玻璃中加入二价金属氧化物，尤含碱玻璃中加入二价金属氧化物，尤其是重金属氧化物，可使玻璃电导率其是重金属氧化物，可使玻

14、璃电导率降低，这是因为二价离子与玻璃体中降低，这是因为二价离子与玻璃体中氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网络结构，以致堵住了离子的迁移通道，络结构，以致堵住了离子的迁移通道，使碱金属离子移动困难，使碱金属离子移动困难， 从而减小了从而减小了玻璃的电导率。也可这样理解，二价玻璃的电导率。也可这样理解，二价金属离子的加入，加强玻璃的网络形金属离子的加入，加强玻璃的网络形成，从而降低了碱金属离子的迁移能成，从而降低了碱金属离子的迁移能力。力。 Kamerlingh Onnes4.2K附近，水银的电阻突然下降到无法附近，水银的电阻突然下降到无法测量的程度或者说电阻为零测量

15、的程度或者说电阻为零超导电性超导电性 - -在一定的低温条件下材料突然失去电阻的现象。在一定的低温条件下材料突然失去电阻的现象。 -材料由正常状态转变为超导状态的温度称为临界温度，材料由正常状态转变为超导状态的温度称为临界温度，并以并以TcTc表示。表示。4.4.1 4.4.1 超导电性的微观机理超导电性的微观机理 载流子：库柏电子对载流子：库柏电子对(BCS)(BCS) 电子电子声子相互作用所产生电子对。声子相互作用所产生电子对。 杂质原子和缺陷对电子对不能进行有效的散射杂质原子和缺陷对电子对不能进行有效的散射 4.4.2 两个基本特性两个基本特性：完全导电性：完全导电性： 把超导体做成圆环

16、，放把超导体做成圆环，放在磁场中，冷却到小于在磁场中，冷却到小于TcTc，把外磁场突然去掉，则通过把外磁场突然去掉，则通过磁感应作用，沿着圆环将产磁感应作用，沿着圆环将产生感生电流。生感生电流。 由于圆环的电阻为零，由于圆环的电阻为零，感生电流将永不衰竭，称为感生电流将永不衰竭，称为永久电流。永久电流。 环内感应电流使环内的环内感应电流使环内的磁通保持不变，称为冻结磁磁通保持不变，称为冻结磁通通。完全抗磁性：完全抗磁性： 处于超导状态的金属，处于超导状态的金属，内部磁感应强度内部磁感应强度B始终为零。始终为零。 不仅外加磁场不能进入不仅外加磁场不能进入超导体内部，原来处于磁场超导体内部，原来处

17、于磁场中的正常态样品，当温度下中的正常态样品，当温度下降使其变成超导体时，也会降使其变成超导体时，也会把原来在体内的磁场完全排把原来在体内的磁场完全排除出去。完全抗磁性通常称除出去。完全抗磁性通常称为迈斯纳效应为迈斯纳效应(Meissner)。三、超导电性三、超导电性超导态的三个性能参数超导态的三个性能参数 温度（TC）超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。临界电流密度（JC）通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。临界磁场（HC）施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。以上三个参数彼此关联，其相互关系如右图所示。 导电的前提：在外

18、界能量导电的前提：在外界能量( (如热、辐射如热、辐射) )、价带中、价带中的电子获得能量跃迁到导带中去；的电子获得能量跃迁到导带中去； 导电机制：电子与空穴。导电机制：电子与空穴。 本征半导体：本征半导体：纯净的无结构缺陷的半导体单晶。纯净的无结构缺陷的半导体单晶。 本征电导：本征电导：载流子由半导体晶格本身提供，是由热激载流子由半导体晶格本身提供，是由热激发产生的，其浓度与温度呈指数关系。发产生的，其浓度与温度呈指数关系。 导带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在，载导带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在，载流子电子和空穴的浓度是相等的。流子电子和空穴的浓度是相等的。 本征半导体的导

19、电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。 1. n 1. n型半导体型半导体 杂质对半导体的导电性能影响很杂质对半导体的导电性能影响很大，例如，单晶硅中掺大，例如，单晶硅中掺(1/10(1/10万万) )硼，导电能力将增大硼，导

20、电能力将增大10001000倍。杂倍。杂质半导体可分为质半导体可分为n n型型( (可提供电子可提供电子) )和和p p型型( (会吸收电子，造成空穴会吸收电子，造成空穴) )。在四价的在四价的SiSi单晶中掺入五价的杂质砷，一个砷原子外层有五单晶中掺入五价的杂质砷，一个砷原子外层有五个电子，取代一个硅原子后，其中四个同相邻的四个硅原子个电子，取代一个硅原子后，其中四个同相邻的四个硅原子形成共价键，还多出一个电子，它离导带很近，只差形成共价键，还多出一个电子，它离导带很近，只差E E1 1 = = 0.05eV0.05eV，为硅禁带宽度的，为硅禁带宽度的5%5%，很容易激发到导带中去。这种，很

21、容易激发到导带中去。这种“多余多余”电子的杂质能级称为施主能级，电子的杂质能级称为施主能级，n n型半导体。型半导体。多余多余电子电子磷原子磷原子n型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载

22、流子少数载流子（少子少子）。）。+4+4+5+4 2 p型半导体型半导体 若在若在SiSi中掺入第三族元素中掺入第三族元素( (如如B)B)，因其外层只有三个价电，因其外层只有三个价电子，子， 这样它和硅形成共价键这样它和硅形成共价键就少了一个电子就少了一个电子( (出现了一个出现了一个空穴能级空穴能级) )此能级距价带很近，此能级距价带很近，只差只差E E1 1 = 0.045eV = 0.045eV，价带中的，价带中的电子激发到此能级上比越过电子激发到此能级上比越过整个禁带容易整个禁带容易(1.1eV)(1.1eV)。这种。这种杂质能级称为受主能级，杂质能级称为受主能级，P P型型半导体。半导体。IIII、p 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动