物性讲义(电学1)-导体-半导体-绝缘体

1、主讲教员：刘呈燕 博士桂林电子科技大学材料科学与工程学院桂林电子科技大学材料科学与工程学院为什么要学材料物理 材料的应用大都基于其物理现象、物理效应。 是对物理现象与本质、微观机制的探讨，从而指导工程实践。 有助于更好地研究材料的物理性能及使用性能，更好地选材、用材。 随着新材料产业与信息时代的飞速发展，对材料提出了更高的要求，因此，对材料的物理性能的学习与研究显得更加重要。 使用教材：使用教材：n邱成军等邱成军等 主编主编材料物理性能材料物理性能，哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社，工业大学出版社，2003。参考书目：1. 马向东,王振廷.材料物理性能.中国矿业大学出版社,2002.2. 田莳,材

2、料物理性能.北京航空航天大学出版社,20013. 关振铎,张中太,焦金生.无机材料物理性能.清华大学出版社,1998.主要内容及学时安排1、材料的电学性能、材料的电学性能 20学时学时2、材料的磁学性能、材料的磁学性能 16学时学时3、材料的光学性能、材料的光学性能 12学时学时注意事项注意事项 期末成绩考评办法：平时成绩占期末成绩考评办法：平时成绩占30%，考核，考核70%。n作业缺交作业缺交1次平时成绩扣次平时成绩扣6分，缺交分，缺交2次以上平时成次以上平时成绩为绩为0分。分。n旷课旷课1次平时成绩扣次平时成绩扣5分，旷课分，旷课3次以上平时成绩为次以上平时成绩为0分。分。第一章第一章 材

3、料的电学性能材料的电学性能 导电性总论 金属及合金的电学性能 半导体的电学性能 绝缘体的电学性能 超导体的电学性能 接触电性 热电性三大热电效应1.1 1.1 固体的导电性和晶体能带固体的导电性和晶体能带物质三态物质三态气态气态液态液态固态固态大多数气体是不导电大多数气体是不导电多数液态物质均是导电多数液态物质均是导电导电导电性具性具有复有复杂性杂性绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体普通塑料、木材、橡胶普通塑料、木材、橡胶硅、锗硅、锗 金金 属属一、基本现象一、基本现象 不同材料的电阻率（不同材料的电阻率（ 或电导率或电导率 1）：）：导导 体：体： =106108 s/m Cu: r =10r

4、 =10-8-8 绝缘体：绝缘体： =10-2010 9 s/m 金刚石金刚石r =10r =101212 半导体：半导体： =10 9105s/m Si:Si:r =10r =103 3 LRS=r物质物质导电导电性的性的表征表征电阻率（电阻率（）材料固有的特征值材料固有的特征值iEr=i：电流密度，电流密度， ：电阻率，：电阻率，E：电场强度：电场强度 导体和非导体的区别半导体和绝缘体的区别(a)金属：满带、空带和未满带； (b) 绝缘体：满带和空带，禁带宽度Eg比较大； (c) 半导体：满带和空带，禁带宽度很小；(d) 半金属：满带和空带，无禁带宽度有关能带被占据情况的几个名词：有关能带

5、被占据情况的几个名词： 1满带（排满电子）满带（排满电子） 2价带（排满电子或部分排满电子）价带（排满电子或部分排满电子） 3导带（未排电子）导带（未排电子） 4禁带（不能排电子）禁带（不能排电子） 它们的导电性能不同，它们的导电性能不同， 是因为它们的能带是因为它们的能带结构不同。结构不同。晶体按导电性能的高低可以分为晶体按导电性能的高低可以分为导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体 在外电场的作用下，大量共有化电子很在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。易获得能量，集体定向流动形成电流。从能级图上来看，从能级图上来看，是因为其共有化电子是因为其共有化电子很易从低能

6、级跃迁到高能级上去。很易从低能级跃迁到高能级上去。E导体导体从能级图上来看，是因为满带与空带之间从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个有一个较宽的禁带较宽的禁带（ Eg 约约36 eV），），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。高能级（空带）上去。 在外电场的作用下，共有化电子很难接在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。受外电场的能量，所以形不成电流。 的能带结构的能带结构,满带与空带之间也是禁带，满带与空带之间也是禁带， 但是但是禁带很窄禁带很窄（ E g 约约0.12 eV )。绝缘体绝缘体半导体半导

7、体三、导电性的表征参数三、导电性的表征参数1.1.电阻电阻R R与电阻率与电阻率2.2.电导与电导率电导与电导率：电阻率的倒数，电导率越：电阻率的倒数，电导率越大，材料导电性越好。大，材料导电性越好。3.3.导体、半导体与绝缘体导体、半导体与绝缘体 导导 体：体： 10 10 。 纯金属纯金属：10 10 10 10 合金合金：10 10 10 10 。 半导体：半导体：在在10 10 10 10 。 绝缘体：绝缘体：10 10 。5m87m75m39m9mRUI =SLR/r=一、金属的导电机制与马基申定则一、金属的导电机制与马基申定则 用量子电子理论和能带理论可导出所有材料的电用量子电子理

8、论和能带理论可导出所有材料的电导率：导率： 此式完整地反应了晶体导电的物理本质。此式完整地反应了晶体导电的物理本质。 量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通过量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通过一个一个理想的晶体点阵理想的晶体点阵时，它将不会受到散射而无阻碍时，它将不会受到散射而无阻碍地传播，即地传播，即 无穷大，这时无穷大，这时0 0，而，而为无穷大，即为无穷大，即此时的材料是一个理想的导体。此时的材料是一个理想的导体。1.2 1.2 金属的导电性金属的导电性碰撞时间间隔）(L=L=men22在晶体点阵的在晶体点阵的完整性完整性及由于晶体点阵离子的及由于晶体点阵离子的热振动热振动，晶

9、体中的，晶体中的异类原子、位错和点缺陷等异类原子、位错和点缺陷等使晶体点阵的使晶体点阵的周期性遭到破坏周期性遭到破坏，电，电子波就会受到散射，子波就会受到散射， 减小，从而产生了阻碍作用，降低导电减小，从而产生了阻碍作用，降低导电性，这就是性，这就是材料产生电阻的本质材料产生电阻的本质所在。所在。 令令 为散射系数，可导出：为散射系数，可导出： 即材料的电阻与散射系数成正比。即材料的电阻与散射系数成正比。 金属电阻随温度升高而升高原因：金属电阻随温度升高而升高原因： 金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，可认为子就愈易受到散射

10、，可认为与温度成正比，则与温度成正比，则也也与温度成正比。与温度成正比。r22/ 1enm=L/1=L 由于实际的晶体并非理想，会有杂质和缺陷。因此，传导电由于实际的晶体并非理想，会有杂质和缺陷。因此，传导电子的散射发生在子的散射发生在电子电子- -声子、电子声子、电子- -杂质以及其它点阵静态缺陷相杂质以及其它点阵静态缺陷相互互相碰撞的时候。相碰撞的时候。 金属电阻包括：金属电阻包括： （1 1）基本电阻）基本电阻(T)(T) ：对应声子散射和电子散：对应声子散射和电子散射两机制，由射两机制，由热振动热振动产生，与温度有关，产生，与温度有关，0K时时为为0。纯金属电阻率。纯金属电阻率。 （2

11、）残余电阻）残余电阻残残 ：对应电子在：对应电子在杂质和缺陷杂质和缺陷上的散射机制，上的散射机制， 0K时金属的电阻时金属的电阻。反应了金属。反应了金属的纯度和完整性。的纯度和完整性。 马基申定律马基申定律 马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率(T)(T)和残余电阻和残余电阻残残组成。组成。 即即（T T）残残 称称为为马基申定律马基申定律。 问题：马基申定律忽略了电子各种散射机制间的交互问题：马基申定律忽略了电子各种散射机制间的交互作用，但简明描述了合金的导电性，并对于作用，但简明描述了合金的导电性，并对于低浓度固溶体低浓度固溶体与实验事实

12、符合的很好与实验事实符合的很好。 根据马基申定律根据马基申定律，在高温时金属的电阻率基本上取决，在高温时金属的电阻率基本上取决于于(T)(T) ，而在低温时取决于，而在低温时取决于残残。既然。既然残残是电子在杂是电子在杂质和缺陷上的散射引起的，质和缺陷上的散射引起的，那么那么残残的大小就可以用来评的大小就可以用来评定金属的电学纯度定金属的电学纯度。 考虑到考虑到残测量困难，实际上常采用残测量困难，实际上常采用相对电阻率相对电阻率(300K)/ (4.2K)的大小来评定金属的的大小来评定金属的电学纯度电学纯度。晶体越纯、越完善，相对电阻率越晶体越纯、越完善，相对电阻率越大大。许多完整的金属单晶相

13、对电阻率可高达。许多完整的金属单晶相对电阻率可高达20000。 二、影响金属导电性的因素二、影响金属导电性的因素 主要因素：温度，受力情况，冷加工，晶体缺陷，主要因素：温度，受力情况，冷加工，晶体缺陷，热处理，几何尺寸效应，电阻率各向异性。热处理，几何尺寸效应，电阻率各向异性。 1.1. 温度温度 加热时发生点阵热振动和振幅的变化，出现相变、加热时发生点阵热振动和振幅的变化，出现相变、回复、空位、再结晶以及合金相成分和组织的变化，回复、空位、再结晶以及合金相成分和组织的变化，这些现象对电阻的变化有重要影响。这些现象对电阻的变化有重要影响。 测量测量电阻与温度电阻与温度的关系是研究这些现象和过程

14、的一的关系是研究这些现象和过程的一个重要方法。对于简单金属，情况如下。个重要方法。对于简单金属，情况如下。 (1)(1)一般规律（指一般金属的规律）一般规律（指一般金属的规律） 在绝对零度下，纯净又无缺陷的金属，电阻率等于在绝对零度下，纯净又无缺陷的金属，电阻率等于零。随温度的升高金属电阻率增加。理想晶体的电阻零。随温度的升高金属电阻率增加。理想晶体的电阻率是温度的单值函数，若晶体中存在杂质和结构缺陷，率是温度的单值函数，若晶体中存在杂质和结构缺陷，那么电阻率与温度的关系曲线将发生变化。那么电阻率与温度的关系曲线将发生变化。 (T)(T)与与D D 之间的关系之间的关系 (T)(T)在在D D

15、 以上和以下与温度有不同的函数以上和以下与温度有不同的函数关系：（关系：（电子声子散射电子声子散射） T D D 时：时： 电子电子- -电子电子 T D D时：时： 电子电子-声子声子 因此，当研制具有一定电阻值和电阻温度系数因此，当研制具有一定电阻值和电阻温度系数值的材料时，知道金属在哪个温区工作，怎样控制值的材料时，知道金属在哪个温区工作，怎样控制和发挥其性能非常重要。和发挥其性能非常重要。)/()()(DDTTrr5)/()()(DDTTrr在室温和更高一些的温度下在室温和更高一些的温度下( (T T 2/3D D ）：）： 对于正常元素，出现电阻温度线性关系及对于正常元素，出现电阻温

16、度线性关系及电阻温度系数电阻温度系数 过渡族以外的金属过渡族以外的金属 441010-3-3-1-1过渡族金属特别是磁性金属过渡族金属特别是磁性金属较大，如铁的较大，如铁的6 61010-3-3性能见图性能见图2.42.4低温时低温时 电阻主要来源于电阻主要来源于“电子电子电子电子”散射，电阻与温度散射，电阻与温度的平方成正比。的平方成正比。高温时，增加1.52倍，金属原子规则排列遭到破坏，电子散射增加所致；也有例外，如Sb金属。)1 (0TTrr=2普通非过渡族金属的电阻与温度的关系如下：普通非过渡族金属的电阻与温度的关系如下： (2)(2)过渡族金属和多晶型转变过渡族金属和多晶型转变 过渡

17、族金属电阻与温度间有着复杂的关系。过渡族金属电阻与温度间有着复杂的关系。 原因：在过渡族金属中原因：在过渡族金属中存在着不同的载体存在着不同的载体，传导电子有可能从，传导电子有可能从s-s-壳层向壳层向d-d-壳层过渡，可能对电阻带来明显的影响。壳层过渡，可能对电阻带来明显的影响。 另外，在另外，在T T D D 时，时，s s态电子在态电子在d d态电子上的散射将变得很态电子上的散射将变得很可观。可观。 多晶型金属多晶型金属 由于不同结构，电阻温度系数变化显著，由于不同结构，电阻温度系数变化显著，T T曲线发生转折。曲线发生转折。转折原因转折原因：s-s-壳层基壳层基本被填满，且其中电本被填

18、满，且其中电流的载体是空穴；而流的载体是空穴；而在在d-d-壳层中却是电子。壳层中却是电子。(3)(3)铁磁金属的电阻温度关系反常铁磁金属的电阻温度关系反常 铁磁性金属的电阻温度系数，在居里点附近出现极大值。居里铁磁性金属的电阻温度系数，在居里点附近出现极大值。居里点温度以下，随着温度的升高点温度以下，随着温度的升高增大，居里点温度以上，随着温度增大，居里点温度以上，随着温度的升高的升高急剧减小。急剧减小。 此现象在许多仪器制造中被用来获得电阻温度系数很高的合金。此现象在许多仪器制造中被用来获得电阻温度系数很高的合金。2. 2. 受力情况受力情况（1 1）拉力）拉力 在弹性范围内单向拉伸或扭转

19、应力能提高金属的在弹性范围内单向拉伸或扭转应力能提高金属的，并，并有有（2 2）外界气压压力）外界气压压力 对大多数金属来说，在受压力情况下电阻率降低。对大多数金属来说，在受压力情况下电阻率降低。 原因原因：金属在压力的作用下其原子间距缩小，内部缺：金属在压力的作用下其原子间距缩小，内部缺陷的形态、电子结构、费米面和能带结构以及电子散射机陷的形态、电子结构、费米面和能带结构以及电子散射机制等都将生变化，引起金属的导电性能变化。尤其对过渡制等都将生变化，引起金属的导电性能变化。尤其对过渡族金属，由于其内部存在着具有能量差别不大的未填满电族金属，由于其内部存在着具有能量差别不大的未填满电子的壳层，

20、在压力的作用下，子的壳层，在压力的作用下，有可能使外壳层电子转移到有可能使外壳层电子转移到未填满的内壳层未填满的内壳层，这就必然会表现出性能的变化。，这就必然会表现出性能的变化。 )1 (0rr=)1 (0prr= 人们在研究中发现人们在研究中发现几乎所有纯元素随温度的变化电阻几乎所有纯元素随温度的变化电阻压力系数几乎不变压力系数几乎不变, ,说明电阻压力系数与温度无关。说明电阻压力系数与温度无关。 压力对电阻的影响，金属可分为两类：压力对电阻的影响，金属可分为两类：正常金属元素正常金属元素电阻率随压力增大而下降；（见电阻率随压力增大而下降；（见P60P60图图2.92.9（a and b).

21、a and b).反常金属元素反常金属元素：碱金属、碱土金属、稀土金属和第：碱金属、碱土金属、稀土金属和第V V族的半金属，它们有正的电阻压力系数，但随压力族的半金属，它们有正的电阻压力系数，但随压力升高一定值后系数变号，研究表明，这种反常现象升高一定值后系数变号，研究表明，这种反常现象和压力作用下的和压力作用下的相变有关相变有关。见图。见图2.92.9（c c）。）。 高压力还能导致物质的金属化，高压力还能导致物质的金属化，引起导电类型引起导电类型的变化，而且有助于从绝缘体的变化，而且有助于从绝缘体- -半导体半导体- -金属金属- -超导体超导体的某种转变。的某种转变。高压力能导致物质的金

22、属化见高压力能导致物质的金属化见P60 表表2.1冷加工（详细见冷加工（详细见材料科学基础材料科学基础）：）：通常指金属的切削加工，即用切削工具从金属材料（毛坯）或工件上切除多余的金属层，从而使工件获得具有一定形状、尺寸精度和表面粗糙度的加工方法。如车削、钻削、铣削、刨削、磨削、拉削等。在金属工艺学中，与热加工相对应，冷加工则指在低于再结晶温度下使金属产生塑性变形的加工工艺，如冷轧、冷拔、冷锻、冲压、冷挤压等。 3. 冷加工冷加工 一般一般冷加工变形使金属（如冷加工变形使金属（如 Fe、Cu、Ag、Al等）的等）的电阻率增加电阻率增加2-6；W、Mo、Sn等等可分别增加为可分别增加为3050、

23、1520、90 ；一般单相固溶体一般单相固溶体经冷加工后，经冷加工后，电阻可增加电阻可增加1020，而，而有序固溶体有序固溶体则增加则增加100甚至甚至更高。更高。 也有相反的情况也有相反的情况，如镍，如镍-铬、镍铬、镍-铜铜-锌、铁锌、铁-铬铬-铝等合铝等合金则冷加工变形将使电阻降低。金则冷加工变形将使电阻降低。 金属经塑性形变电阻率增大的原因金属经塑性形变电阻率增大的原因：冷加工使晶体点：冷加工使晶体点阵发生畸变和缺陷，从而增加了电子散射的几率。同时冷阵发生畸变和缺陷，从而增加了电子散射的几率。同时冷加工也会引起金属原子间结合键的变化，导致原子间距的加工也会引起金属原子间结合键的变化，导致

24、原子间距的改变。改变。 在在0K时，冷加工的金属仍保留有某极限电阻率，称之时，冷加工的金属仍保留有某极限电阻率，称之为残余电阻率。实验证明，此部分电阻率与温度无关。为残余电阻率。实验证明，此部分电阻率与温度无关。4. 4. 晶体缺陷晶体缺陷 空位、位错、间隙原子及它们的组合等晶体缺陷使空位、位错、间隙原子及它们的组合等晶体缺陷使金属电阻率增加。金属电阻率增加。 根据马基申定律，在极低温度下，纯金属电阻率主根据马基申定律，在极低温度下，纯金属电阻率主要由其内部缺陷决定。研究晶体缺陷对电阻率的影响，要由其内部缺陷决定。研究晶体缺陷对电阻率的影响，对于估价单晶体结构完整性有重要意义。掌握这些缺对于估

25、价单晶体结构完整性有重要意义。掌握这些缺陷对电阻的影响，可以研制具有一定电阻值的金属。陷对电阻的影响，可以研制具有一定电阻值的金属。半导体单晶体的电阻值就是根据这个原则进行人为控半导体单晶体的电阻值就是根据这个原则进行人为控制的。不同类型的晶体缺陷对金属电阻的影响程度不制的。不同类型的晶体缺陷对金属电阻的影响程度不同（见同（见P62P62表表2.22.2）。）。 通常，分别用通常，分别用1 1原子空位浓度或原子空位浓度或1 1原子间隙原子、原子间隙原子、单位体积中位错线的单位长度、单位体积中晶界的单单位体积中位错线的单位长度、单位体积中晶界的单位面积所引起的电阻率变化来表征点缺陷、线缺陷、位面

26、积所引起的电阻率变化来表征点缺陷、线缺陷、面缺陷对金属电阻的影响。面缺陷对金属电阻的影响。5. 5. 热处理热处理 金属冷加工形变后再进行金属冷加工形变后再进行退火退火，可，可使电阻降使电阻降低低，尤其当退火温度接近再结晶温度时，电阻，尤其当退火温度接近再结晶温度时，电阻可恢复到接近冷加工前的水平（见可恢复到接近冷加工前的水平（见P62P62图图2.112.11） 。 但当但当退火温度高过再结晶温度退火温度高过再结晶温度时，时，电阻反又电阻反又增大增大，原因是再结晶后新晶粒的晶界阻碍了电，原因是再结晶后新晶粒的晶界阻碍了电子运动。子运动。 淬火淬火能够固定金属在高温时空位的浓度，从能够固定金属

27、在高温时空位的浓度，从而产生残余电阻。淬火温度愈高空位浓度愈高，而产生残余电阻。淬火温度愈高空位浓度愈高，则残余电阻率就越大。则残余电阻率就越大。 6. 6. 几何尺寸效应几何尺寸效应 当导电电子的自由程同试样尺寸是同一数量当导电电子的自由程同试样尺寸是同一数量级时，将产生显著的级时，将产生显著的“尺寸效应尺寸效应”，电阻率随试，电阻率随试样尺寸减小而显著增大。这一现象对研究和测试样尺寸减小而显著增大。这一现象对研究和测试金属薄膜和细丝材料（厚度金属薄膜和细丝材料（厚度 l l 10nm10nm）的电阻）的电阻非常重要。非常重要。 在低温下，随金属纯度的提高，样品尺寸对在低温下，随金属纯度的提

28、高，样品尺寸对电阻的影响更加明显。因为此时导电电子自由程电阻的影响更加明显。因为此时导电电子自由程超过了原子间距（超过了原子间距（42K42K时纯金属电子自由程达几时纯金属电子自由程达几毫米），这样电子在试样表面的散射就构成了新毫米），这样电子在试样表面的散射就构成了新的附加电阻。的附加电阻。薄膜厚度对电阻的影响薄膜厚度对电阻的影响P63P63图图2.12.2.12.7. 7. 电阻率的各向异性电阻率的各向异性 一般在立方晶系中金属的电阻表现为各向同一般在立方晶系中金属的电阻表现为各向同性。但在对称性较差的六方、四方、斜方晶系中，性。但在对称性较差的六方、四方、斜方晶系中，导电性表现为各向异性

29、。导电性表现为各向异性。 其规律太复杂，难于总结清楚。其规律太复杂，难于总结清楚。一些金属电一些金属电阻的各向异性阻的各向异性P63P63表表2.3.2.3. 1.固溶体的导电性 双组元固溶体双组元固溶体的电阻与组元浓度的关系见P64图2.13. 与纯组元相比，合金的导电性降低了。 原因：（1）晶体点阵畸变；（2）杂质对理想晶体的破坏；（3）影响了能带结构，移动费米面及电子能态密度和有效电导电子数；（4）影响了弹性常数。过渡金属与贵金属两组元固溶时过渡金属与贵金属两组元固溶时：电阻异常高，原因它们的价电子可以转移到过渡金属的尚未被填满的d-或f-壳层中，从而使有效电导的电子数目减少。三三 、合

30、金的导电性、合金的导电性 当形成化合物时，合金的导电性变化激烈，其电阻率要比各组元的电阻率高很多。 原因在于原子键合的方式发生了变化，其中至少一部分由金属键变为共价键获离子键，使导电电子减少。此外，对于多相合金，导电性非常复杂，具体分析见P69.2. 金属化合物的导电性金属化合物的导电性四、四、 基于电阻分析金属部分物性的应用基于电阻分析金属部分物性的应用 研究合金的时效 研究合金的有序-无序转变 测量固溶体的溶解度 研究淬火钢的回火 研究材料的疲劳过程复习基本概念和基本理论 马基申定律： （T）残残 金属电阻随温度升高而升高原因？ 影响金属导电性的因素有哪些？1.3 1.3 半导体的电学性能

31、半导体的电学性能一、概述一、概述1.1.半导体的概念：能带结构（半导体的概念：能带结构（E Eg g=0.2-3.5 eV=0.2-3.5 eV）和电阻率。）和电阻率。2.2.分类：分类： 晶体半导体晶体半导体 元素半导体：十几种，如元素半导体：十几种，如GeGe、SiSi、SeSe、TeTe等；等； 化合物半导体：数十种：化合物半导体：数十种：GaNGaN（蓝光）（蓝光）, GaP, GaP（红绿发光）（红绿发光） 固溶体半导体：固溶体半导体：BaSbBaSb0.040.04SnSn0.960.96O O3 3 非晶半导体：非晶硅、多孔硅。非晶半导体：非晶硅、多孔硅。 有机物半导体：聚乙炔链

32、。有机物半导体：聚乙炔链。二、半导体中的能带二、半导体中的能带 电子的共有化运动电子的共有化运动价电子能级分裂价电子能级分裂能带能带三、本征半导体的电学性能三、本征半导体的电学性能 在纯净无缺陷的半导体单晶中，参加导电的电子在纯净无缺陷的半导体单晶中，参加导电的电子和空穴浓度相等，这种半导体称为和空穴浓度相等，这种半导体称为本征半导体本征半导体。 导电机理：在热、光等外界条件的影响下，满带导电机理：在热、光等外界条件的影响下，满带上的价电子获得足够的能量，跃过禁带跃迁至空带而上的价电子获得足够的能量，跃过禁带跃迁至空带而成为成为自由电子自由电子，同时在满带中留下，同时在满带中留下电子空穴电子空

33、穴，自由电，自由电子和电子空穴在外加电场的作用下定向移动形成电流。子和电子空穴在外加电场的作用下定向移动形成电流。 载流子：在电场作用下定向移动形成电流的带电载流子：在电场作用下定向移动形成电流的带电体，如电子、空穴。体，如电子、空穴。1.1.本征载流子的浓度本征载流子的浓度 根据本征载流子占据能级的概率和对其能带的能根据本征载流子占据能级的概率和对其能带的能态密度进行积分运算等，可得到本征载流子的浓度表达态密度进行积分运算等，可得到本征载流子的浓度表达式：式： 其中其中n ni i、p pi i分别为自由电子和空穴的浓分别为自由电子和空穴的浓度度;K;K1 1=4.82=4.82101015

34、15K K-3/2-3/2;T;T为绝对温度为绝对温度;k;k为玻尔兹曼常数。为玻尔兹曼常数。 影响因素：温度和禁带宽度。影响因素：温度和禁带宽度。为什么金属材料导电为什么金属材料导电性一般随温度升高而降低，而半导体导电性随温度的升性一般随温度升高而降低，而半导体导电性随温度的升高而升高？高而升高？ 室温下有一定的导电能力，但很微弱。室温下有一定的导电能力，但很微弱。-=kTETKpngii2exp2312.2.本征半导体的迁移率和电阻率本征半导体的迁移率和电阻率 迁移率的概念：单位场强作用下自由电子和空穴迁移率的概念：单位场强作用下自由电子和空穴的平均漂移速度。的平均漂移速度。 由欧姆定律可

35、知，本征半导体的电阻率：由欧姆定律可知，本征半导体的电阻率： 电流密度电流密度j：单位时间内流过单位面积的电荷量。：单位时间内流过单位面积的电荷量。 pnipiniiqnqnqnjr=1本征半导体的电学特性本征半导体的电学特性（1）本征激发成对地产生自由和空穴，所以自由电子和）本征激发成对地产生自由和空穴，所以自由电子和空穴浓度相等，都等于本征载流子浓度；空穴浓度相等，都等于本征载流子浓度；（2）ni与与Eg有近似反比关系，例如硅的有近似反比关系，例如硅的Eg比锗大，故硅比锗大，故硅的的ni比锗小；比锗小；（3）ni与温度近似成正比，故温度升高时与温度近似成正比，故温度升高时ni就增大；就增大

36、；（4）ni与原子密度相比是极小的，所以本征半导体的导与原子密度相比是极小的，所以本征半导体的导电能力很微弱。电能力很微弱。四、杂质半导体的电学性能四、杂质半导体的电学性能 通常制造半导体器件的材料是杂质半导体。在本征半导体中人为地掺入通常制造半导体器件的材料是杂质半导体。在本征半导体中人为地掺入5价元素或价元素或3价元素将分别获得价元素将分别获得N型（电子型）杂质半导体和型（电子型）杂质半导体和P型（空穴型）型（空穴型）杂质半导体。杂质半导体。1. N型半导体（电子型半导体）型半导体（电子型半导体） 本征半导体中掺入本征半导体中掺入5价元素（磷，砷，锑）就可使晶体中的自由电子的浓价元素（磷，

37、砷，锑）就可使晶体中的自由电子的浓度极大地增加。因为度极大地增加。因为5价元素的原子有价元素的原子有5个价电子，当它顶替晶格中的一个个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素的原子时，余下了价元素的原子时，余下了1个价电子变成多余的，此电子的能级非常靠近导个价电子变成多余的，此电子的能级非常靠近导带底，非常容易进入导带成为自由电子，因而导带中的自由电子较本征半导带底，非常容易进入导带成为自由电子，因而导带中的自由电子较本征半导体显著增多，导电性能大幅度提高。体显著增多，导电性能大幅度提高。 施主杂质（施主杂质（N N型杂质）、施主能级、施主电离能的概念。型杂质）、施主能级、施主电离能的概念。 多数

38、载流子（自由电子）、少数载流子（空穴）。多数载流子（自由电子）、少数载流子（空穴）。 N型半导体的电流密度：型半导体的电流密度： nnnqnjj0=nn0为为N型半导体的自由电子浓度。型半导体的自由电子浓度。N型半导体的电阻率为：（型半导体的电阻率为：（ND为掺杂浓度）为掺杂浓度）nDnnnqNqnr110 2. P型半导体（空穴型半导体）型半导体（空穴型半导体） 在本征半导体中，掺入在本征半导体中，掺入3价元素的杂质（硼，铝，镓，铟），价元素的杂质（硼，铝，镓，铟），就可以使晶体中空穴浓度大大增加。因为就可以使晶体中空穴浓度大大增加。因为3价元素的原子只有价元素的原子只有3个个价电子，当它顶

39、替晶格中的一个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素原子，并与周围的价元素原子，并与周围的4个硅个硅（或锗）原子组成（或锗）原子组成4个共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位。个共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位。因为，因为，3价元素形成的空位能级非常靠近价带顶的能量，在价电子价元素形成的空位能级非常靠近价带顶的能量，在价电子共有化运动中，相邻的原子上的价电子就很容易来填补这个空位共有化运动中，相邻的原子上的价电子就很容易来填补这个空位（较跃迁至禁带以上的空带容易的多），从而产生一个空穴。所（较跃迁至禁带以上的空带容易的多），从而产生一个空穴。所以每一个三价杂质元素的原子都能接受一个价电子，

40、而在价带中以每一个三价杂质元素的原子都能接受一个价电子，而在价带中产生一个空穴。产生一个空穴。 理解：理解：受主杂质（受主杂质（P型杂质）型杂质） 、受主、受主能级，其中的电离能、能级，其中的电离能、多数载流子、少多数载流子、少数载流子。数载流子。P型半导体的电流密度：型半导体的电流密度： pppqnjj0=np0为为P型半导体的空穴浓度。型半导体的空穴浓度。P型半导体的电阻率为：型半导体的电阻率为：pApppqNqnr110 杂质半导体与本征半导体相比的特性：杂质半导体与本征半导体相比的特性：（1 1）掺杂浓度与原子密度相比虽然微小，但是却能）掺杂浓度与原子密度相比虽然微小，但是却能使载流子

41、浓度极大地提高，导电能力因而也显著增强。使载流子浓度极大地提高，导电能力因而也显著增强。掺杂浓度愈大，其导电能力也愈强。掺杂浓度愈大，其导电能力也愈强。（2 2）掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质）掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠一种载流子导电。当掺入三价元素（受半导体主要靠一种载流子导电。当掺入三价元素（受主杂质）时，主要靠空穴导电；当掺入主杂质）时，主要靠空穴导电；当掺入5 5价元素（施价元素（施主杂质），主要靠电子导电。主杂质），主要靠电子导电。 PN结的特性PN结的构成（作图）PN结的特性是其单向导电性，即当外加电压极性不同时其表现出的导电性截然不同。 （1）

42、外加正向电压的情况(PN结正向注入） 外加反向电压（PN结的反向抽取） 显然，PN结正、反向导电的显著差异反映出其具有整流特性，所以由一个PN结组成的半导体二极管常用来做整流二极管，检波二极管，发光二极管等。 金属-绝缘体-半导体系统和MOS反型层 如果金属-绝缘体-半导体中绝缘体为氧化物则称MOS系统。 耗尽层 反型层 P型半导体的表面反型层是由电子构成的，所以称为N沟道。 N沟道晶体管 在P型衬底的MOS系统中增加两个N型扩散区，分别称为源区（S表示）和漏区（D表示）。V+较小V+较大 通过控制栅压G的极性和数值，可以使MOS晶体管分别处于导通或截止的状态：源、漏之间的电流将受到栅压的调制

43、，这就是MOS晶体管工作原理的基础，利用这一性质做成的MOS集成电路是大规模集成电路中最重要的类型之一。 光生伏特效应-太阳能电池 四、四、 BaTiO3材料半导化机制材料半导化机制 能带结构能带结构 Eg=2.90 eV，属于，属于ABO3钙钛矿结构。钙钛矿结构。 1、掺杂五价元素如、掺杂五价元素如Nb等等 属于施主掺杂（微量替代属于施主掺杂（微量替代Ti），杂质在），杂质在带隙中提供带有电子的能级，能级略低带隙中提供带有电子的能级，能级略低于导带底的能量，和价带中的电子比较于导带底的能量，和价带中的电子比较，很容易激发到导带中去，形成电子载，很容易激发到导带中去，形成电子载流子（流子（ca

44、rrier)。Eg=0.21.0 eV 2、掺杂3价元素如Fe等 属于受主掺杂（微量替代Ti），杂质提供带隙中空的能级，电子由价带激发到受主能级要比激发到导带容易的多。主要含有受主杂质的半导体，因价带中的一些电子被激发到施主能级，而在价带中产生许多空穴，主要依靠这些空穴导电-P性半导体。Eg=0.21.4 eV 五、纳米TiO2半导体的半导化机制及实验论证结果（STM/ STS技术）Eg=3.2 eV，纳米二氧化钛半导体 掺杂Ce的纳米TiO2半导体 同时掺杂Ce和Ag的纳米TiO2半导体 六、半导体随温度的升高导电率升高举例 最为常见的为NTC热敏材料（以BaFexSn1-xO3为例）。20

45、406080100120140160180200220102103104105106107Resitivity (cm)Temperature() BaFe0.3Sn0.7O3 BaFe0.4Sn0.6O3 BaFe0.5Sn0.5O3 BaFe0.6Sn0.4O3 BaFe0.8Sn0.2O3电阻率109绝缘材料主要用途：绝缘、介电（电容器）主要性能指标：极化、介电常数、耐电压主要性能指标：极化、介电常数、耐电压强度强度( (或者击穿电压）、损耗因数、或者击穿电压）、损耗因数、电阻率例如：微波电容器、压电铁电器件等。m1.4 1.4 绝缘体的电学性能绝缘体的电学性能一、电介质的极化一、电介质

46、的极化1.1.极化极化 介质在电场作用下，其内部的束缚电荷发生弹性介质在电场作用下，其内部的束缚电荷发生弹性位移和偶极子定向取向，从而产生表面感应电荷的现位移和偶极子定向取向，从而产生表面感应电荷的现象。（图示）象。（图示）2.2.电介质电介质 在电场中可产生极化的材料。多是优良的绝缘材在电场中可产生极化的材料。多是优良的绝缘材料，故二者常通用。料，故二者常通用。-+-+-3.3.组成电介质的粒子（原子、分子或离子组成电介质的粒子（原子、分子或离子) )可分为：可分为：极性和非极性和非极性极性两类。两类。 1 1）非极性电介质粒子（中性电介质）：结构对称的中性分）非极性电介质粒子（中性电介质）

47、：结构对称的中性分子构成。子构成。 无外电场作用下，正负电荷中心重合，对外不显示极性。无外电场作用下，正负电荷中心重合，对外不显示极性。 有外电场作用时，正电荷沿有外电场作用时，正电荷沿E E方向移动，形成方向移动，形成电偶极子电偶极子，定义定义电偶极矩电偶极矩 P=P=q qd d（d d是矢量，规定其方向从负电荷指向正是矢量，规定其方向从负电荷指向正电荷）。电荷）。 材料被极化后，所有电偶极子方向都沿外材料被极化后，所有电偶极子方向都沿外E E方向，电介质方向，电介质表面出现正负束缚电荷（类似表面出现正负束缚电荷（类似P89P89图图2.51b2.51b）。）。E E越强，越强，P P越大

48、，越大，表面束缚电荷越多。表面束缚电荷越多。E E消失，消失，P P0 0，束缚电荷消失。，束缚电荷消失。 2）极性电介质（偶极电介质）：极性分子）极性电介质（偶极电介质）：极性分子或离子型电介质。或离子型电介质。 无外加电场时，每个分子都有一定的电偶无外加电场时，每个分子都有一定的电偶极矩，但由于分子热运动，极矩，但由于分子热运动，P的排列杂乱无的排列杂乱无章，对外不显示极性。在章，对外不显示极性。在E中，在电力矩中，在电力矩作用下，使各电偶极矩有转向外作用下，使各电偶极矩有转向外E的趋势的趋势，电介质表面出现的束缚电荷越多，极化，电介质表面出现的束缚电荷越多，极化程度越高。程度越高。弹性位

49、移极化弹性位移极化（瞬时极化）（瞬时极化）取向极化取向极化（弛豫极化）（弛豫极化）电子位移极化（Electronic Polarizability） Response is fast, Response is fast, is small离子位移极化（Ionic Polarizability） Response is slower偶极子取向极化（Dipolar Polarizability） Response is still slower空间电荷极化(Space Charge Polarizability) Response is quite slow, is large 1 1）电子式极化

50、（电子位移极化）：在）电子式极化（电子位移极化）：在E E作用下，原作用下，原子外围的电子云中心相对于原子核发生位移，形成子外围的电子云中心相对于原子核发生位移，形成感应电矩而使介质极化的现象。感应电矩而使介质极化的现象。 形成很快（形成很快（1010-14-141010-16-16 s), s),是是弹性弹性可逆的，极化可逆的，极化过程不消耗能量。在所有电介质中都存在，唯一存过程不消耗能量。在所有电介质中都存在，唯一存在此种极化（没有别的）的电介质在此种极化（没有别的）的电介质只有只有中性的气体、中性的气体、液体和少数非极性固体。液体和少数非极性固体。2 2）离子式极化）离子式极化( (离子

51、位移极化）离子位移极化）: :离子晶体中，除离子中的电子产离子晶体中，除离子中的电子产生位移极化外，正负离子也在生位移极化外，正负离子也在E E作用下发生相对位移而引起的极化。作用下发生相对位移而引起的极化。又分为：又分为： a a. .离子离子弹性弹性位移极化：在离子键构成的晶体中，离子间约束力位移极化：在离子键构成的晶体中，离子间约束力很强，离子位移有限，极化过程很快（很强，离子位移有限，极化过程很快（ 1010-12-121010-13-13s s），不消耗），不消耗能量，可逆。能量，可逆。 b b. .热离子极化（离子松弛式位移极热离子极化（离子松弛式位移极化）：在有些离子晶体和无定形

52、体中，化）：在有些离子晶体和无定形体中，存在一些约束力较弱的离子，无存在一些约束力较弱的离子，无E E时作时作无规则热运动，宏观无电矩；有无规则热运动，宏观无电矩；有E E时，时，正负离子反向迁移，形成正负离子分离正负离子反向迁移，形成正负离子分离而产生介质极化。极化建立时间较长而产生介质极化。极化建立时间较长（ 1010-2-21010-5-5s s），有极化滞后现象，），有极化滞后现象，需消耗一定能量，不可逆。需消耗一定能量，不可逆。 3 3）偶极子极化）偶极子极化( (固有电矩的转向极化）固有电矩的转向极化）: :有有E E时，偶极时，偶极子有沿电场方向排列的趋势，而形成宏观电矩，形成子

53、有沿电场方向排列的趋势，而形成宏观电矩，形成的极化。所需时间较长（的极化。所需时间较长（1010-2-21010-10-10s s），不可逆，需），不可逆，需消耗能量。消耗能量。4 4）空间电荷极化：有些电介质中，存在可移动的）空间电荷极化：有些电介质中，存在可移动的离子，在离子，在E E作用下，正负离子分离所形成的极化。作用下，正负离子分离所形成的极化。所需时间最长（所需时间最长（1010-2-2s s）。）。 以上：电子极化、离子极化、空间电荷极化以上：电子极化、离子极化、空间电荷极化都是正、负电荷在都是正、负电荷在E E作用下发生相对位移产生的，作用下发生相对位移产生的，通称通称位移极化

54、位移极化；偶极子极化是偶极子在；偶极子极化是偶极子在E E作用下作用下发生转向形成的，称发生转向形成的，称转向极化转向极化。只有位移极化的电介质称为非极性材料；只只有位移极化的电介质称为非极性材料；只有转向极化的电介质称为极性材料。有转向极化的电介质称为极性材料。 原子和离子的电子位移极化率与温度无关。注意：注意： 离子位移极化率与正负离子半径的立方成正比，与电子位移极化率有大体相同的数量级，随温度升高，离子间距离增大，相互作用减弱，力常数K减小，因此离子位移极化率随温度升高应该有所增大，但增加甚微。 偶极子取向极化率与温度成反比，随温度升高而下降。偶极子取向极化率比电子位移极化率大得多，约为

55、1038 F.m2.。 介电性能的温度特性对于介电材料的实际应用至关重要，如介电常数温度系数是衡量电介质陶瓷性能的重要指标之一。 三、电介质的介电常数三、电介质的介电常数（1 1）电介质的）电介质的介电常数介电常数 综合反应电介质材料极化行为的宏观物理量。表示电容器综合反应电介质材料极化行为的宏观物理量。表示电容器（两极板间）有电介质时的电容较在真空状态时的电容的增加（两极板间）有电介质时的电容较在真空状态时的电容的增加倍数。倍数。 真空介电常数：真空介电常数： 相对介电常数：相对介电常数：dSC=00=CCrdSC00=（2 2）电介质的介电损耗）电介质的介电损耗 1.1.电介质损耗的基本概

56、念电介质损耗的基本概念 任何电介质在任何电介质在E E作用下，总会或多或少地把部分电作用下，总会或多或少地把部分电能转换为热能使介质发热。电介质在能转换为热能使介质发热。电介质在E E作用下，单位时作用下，单位时间内因发热而消耗的能量称电介质的损耗功率，简称间内因发热而消耗的能量称电介质的损耗功率，简称介质损耗介质损耗。 电介质在电工和电子工业中，介质损耗不仅耗能，电介质在电工和电子工业中，介质损耗不仅耗能，而且使元件温度升高，影响正常工作。特别是应用于而且使元件温度升高，影响正常工作。特别是应用于交流电场交流电场中是电介质重要的品质之一。介质损耗通常中是电介质重要的品质之一。介质损耗通常越小

57、越好。越小越好。ViCUiCUGU90电容器电流与电压的关系理想电容器非理想电容器90-无能量消耗有能量消耗 电介质的电导 并不是所有的电介质都是理想的绝缘体，在外电场作用下，介质中都会有一个很小的电流。称为泄露电流。 导电方式有：电子与空穴（电子电导）；移动额正负离子电导（离子电导）。对于离子电导，必须需要指出的是：在较低场强下，存在离子电导；在高场强下，呈现电子电导。 晶体的离子电导分为两类：一类是源于晶体点阵中基本离子的运动，称为离子固有电导或本征电导，这种电导是热缺陷形成的，即是由离子自身随着热运动的加剧而离开晶格点阵形成。另一类是源于结合力较弱的杂质离子的运动造成的，称为杂质电导。

58、2.2.介质损耗形式介质损耗形式 介质损耗是各种形式损耗的综合损耗。为研究方便介质损耗是各种形式损耗的综合损耗。为研究方便把其简化成各种形式，然后综合考虑。把其简化成各种形式，然后综合考虑。 1 1）电导（或漏导）损耗）电导（或漏导）损耗 实际使用的电介质都不是理想的绝缘体，都或多或实际使用的电介质都不是理想的绝缘体，都或多或少地存在一些弱联系带电离子或空穴，在少地存在一些弱联系带电离子或空穴，在E E 作用下产作用下产生漏导电流，发热，产生损耗。生漏导电流，发热，产生损耗。 低场强下，存在离子电导；高场强下，电子电导。低场强下，存在离子电导；高场强下，电子电导。 离子电导：本征电导和杂质电导

59、。离子电导：本征电导和杂质电导。2 2）极化损耗）极化损耗 介质极化时介质极化时, ,有些极化形式可引起损耗。有些极化形式可引起损耗。 如松弛极化造成损耗较大：如松弛极化造成损耗较大： 一方面：极化过程中离子要在一方面：极化过程中离子要在E E作用下克服热运动作用下克服热运动消耗能量，引起损耗。消耗能量，引起损耗。 另一方面：松弛极化建立时间较长，极化跟不上外另一方面：松弛极化建立时间较长，极化跟不上外E E的变化（特别是交流频率较高时），所造成的电矩往的变化（特别是交流频率较高时），所造成的电矩往往滞后于往滞后于E E，即，即E E达最大时，极化引起的极化电荷未达最达最大时，极化引起的极化电

60、荷未达最大，当大，当E E开始减小时，极化仍继续增至最大值后才开始开始减小时，极化仍继续增至最大值后才开始减小，当减小，当E E为为0 0时，极化尚未完全消除，当外时，极化尚未完全消除，当外E E反向时，反向时，极板上遗留的部分电荷中和了电源对极板充电的部分电极板上遗留的部分电荷中和了电源对极板充电的部分电荷，并以热的形式散发，产生损耗。荷，并以热的形式散发，产生损耗。3 3）电离损耗）电离损耗 又称游离损耗，是气体引起的，含气孔的固体电介又称游离损耗，是气体引起的，含气孔的固体电介质，外质，外E E大于气体电离所需的大于气体电离所需的E E时，气体发生电离吸收时，气体发生电离吸收能量，造成损