电子材料第一讲概论导电材料

电子材料课程学科分类：材料学授课人：谭婷婷年9月第一页，共49页。第二页，共49页。课程概论课程名：电子材料学分：3时间：秋季学期4-13周先修课程：材料科学根底半导体物理第三页，共49页。本课程为本专业高年级专业课，它严密地把根底理论与消费理论溶于一体。学生学习本课程后，更深化掌握固体物理、电介质物理、磁性物理的根底知识，具备从事电子材料消费、研究、应用和开发的根本才能。电子材料的重点是说明各类电子材料晶体构造、电磁特性及影响因素、根本工艺，为研制电子材料奠定理论与理论.课程性质和任务第四页，共49页。教材和参考资料电子材料导论李言荣清华大学出版社半导体物理与器件DonaldA.Neamen著赵毅强译 电子工业出版社固体物理 黄昆高等教育出版社材料物理性能吴其胜华东理工大学出版社半导体器件学 刘恩科 电子工业出版社第五页，共49页。课程内容第二章导电材料

第三章半导体材料

第四章电介质材料

第五章超导材料

第六章光电子材料第七章磁性材料

第一章电子材料概论第六页，共49页。成绩考核课程考核平时表现：20％期末考试：80％第七页，共49页。第一章电子材料概论§1.1电子材料在国民经济中的地位§1.2电子材料的分类§1.3电子材料对环境的要求§1.4电子材料的应用与开展第八页，共49页。§1.1电子材料在国民经济中的地位

电子材料是指与电子工业有关的、在电子学和微电子学中使用的材料，是电子工业和电子科学技术开展的物质根底。材料同信息工程、能源工程及生物工程并列为当今世界上新技术革命的四大支柱，是人类消费活动和生活必需的物质根底。第九页，共49页。从材料用处来区分

构造材料

功能材料从功能特性来区分

半导体材料

导电材料

电子陶瓷材料

磁性材料

光电子材料

敏感材料……从构造状态来区分

单晶体

多晶体

非晶体

液晶体

从化学成分来区分无机电子材料有机电子材料§1.2电子材料的分类第十页，共49页。§1.3电子材料对环境的要求

温度压力湿度环境中的化学颗粒及尘埃霉菌和昆虫辐射机械因素第十一页，共49页。§1.4电子材料的应用与开展构造与功能相结合智能材料减少污染节省能源长寿命与可控寿命为适应电子整机和设备小型化、轻量化、薄型化、数字化、多功能，如今社会要求电子元器件的开发消费必须向小型化、高集成化、片式化开展；电子材料今后将尽可能适应电子元器件的这些要求。第十二页，共49页。第二章导电材料§2.1导电材料的根底知识§2.2高导材料§2.3高电阻材料§2.4其他导电材料第十三页，共49页。§2.1导电材料的根底知识1、导电材料的定义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。作为导电材料，希望其电阻率尽可能小〔≤10-6Ω·m〕。第十四页，共49页。2、导电材料的性质

〔1〕电阻与电阻率式中，R为导体的电阻，L为导体的长度，A为横截面面积，ρ为材料的电阻率。单位为Ω·m〔或Ω·cm〕，指1m3〔或1cm3〕材料的电阻，仅与导电材料有关。(2-1)材料电阻率的倒数为电导率：(2-2)欧姆定律：第十五页，共49页。〔2〕电阻温度系数式中，RT1为在基准温度T1的电阻，αT1为在基准温度T1的电阻温度系数。(2-3)第十六页，共49页。3、金属的导电理论

〔1〕经典电子理论在经典电子理论中，把金属设想成是由原子或离子组成的一种有规那么的三维排列，自由电子可以在金属中来回运动。自由电子在无外加电场时，自由电子在金属阳离子之间不停地无规那么运动，各向同性。施加外电场E后，电子除本身的热运动外，沿电场反方向做定向运动。第十七页，共49页。假如每单位体积中有n个电子，它们以速度VE平行于导体运动，电流密度那么为：（2-4）电子在两次碰撞之间的平均时间称为弛豫时间，用τ表示，电子的加速度为:a=qE/me〔2-5〕则（2-6）代入（2-4）得（2-7）则（2-8）第十八页，共49页。由电子平均热运动速度和平均自由程可得弛豫时间为：（2-9）于是（2-10）根据经典电子理论可以解释金属导电的很多问题，但还有许多问题不能解决，比方电导率的数值及其对温度的依赖关系不能得出正确的结果。第十九页，共49页。〔2〕量子力学的金属电子理论

量子力学认为，电子的能量是不连续的，它服从泡利不相容原理，其运动速度是按费米-狄拉克统计规律分布的。假设用费米速度VF代替经典理论中的平均速度，那么式〔2-7〕可写为：〔2-11〕式中nef表示单位体积内实际参加传导过程的电子数，me*称为电子的有效质量，它是考虑了晶体点阵对电场作用的结果。第二十页，共49页。理想金属晶体中，原子的排列是完全等距的，电子在其中运动的问题可以用量子力学的薛定谔方程加以解决，这个方程的讲解明，由原子形成的势场完全是周期的，那么电子有一个无限长的平均自由程，其电阻率为零。在实际晶体中，固体中存在缺陷，这些缺陷破坏了晶体点阵所形成的周期性势场，充当了电子散射中心，并决定电子的平均自由程和电导率。固体缺陷主要有：化学杂质、空穴、填隙原子、位错、晶界和裂纹等物理缺陷。第二十一页，共49页。4、影响导体电阻率的主要因素温度缺陷杂质〔溶质原子〕压力冷加工……第二十二页，共49页。〔1〕电阻率与温度的关系假设以ρ0和ρT分别表示金属在0℃和T(℃)温度下的电阻率，那么(2-12)式中α是电阻温度系数，由上式：(2-13)温度越高，金属的电阻率越大。第二十三页，共49页。第二十四页，共49页。〔2〕电阻率与缺陷的关系空位、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。金属内部的空位引起的附加电阻率：(2-14)式中，E为空位形成能，A为常数，T为温度。大量的实验结果说明，点缺陷所引起的剩余电阻率的变化远比线缺陷的影响大。第二十五页，共49页。第二十六页，共49页。〔3〕电阻率与杂质的关系马西森定律〔MatthiessenRule〕金属总的电阻包括金属的根本电阻和杂质〔溶质〕浓度引起的电阻，（2-15）式中，ρ’是与杂质浓度、点缺陷、位错等有关的电阻率，ρ(T)为金属与温度有关的电阻率。高温时，ρ(T)占主导低温时，ρ’占主导把在极低温度〔一般为4.2K〕下测得的金属电阻率称为金属剩余电阻率。可作为衡量金属纯度的重要指标。第二十七页，共49页。溶质原子及杂质对电阻的影响与以下三个因素有关：①与参加的溶质原子或杂质浓度，以及它们与基体金属的价电子差数有关。②溶质原子或杂质与基体金属的原子半径之差越大，那么晶格畸变越大，电阻的增加就越大。③与溶质原子或杂质在基体金属中所处的状态有关。当形成两相混合物时，其电阻随高电阻金属的含量增多而按比例增加；形成固溶体时，由于点阵交杂，使晶格的点阵规律受到较大的破坏，电阻率增大。第二十八页，共49页。第二十九页，共49页。〔4〕电阻率与压力的关系在宏大的流体静压条件下，金属原子间距缩小，内部缺陷形态、电子构造和能带构造等都将发生变化，会显著影响金属的导电性能。第三十页，共49页。在流体静压下，金属的电阻率可用下式计算：(2-16)式中，ρ0表示在真空条件下的电阻率，P表示压力，

φ是压力系数。按压力对金属导电性的影响，可将金属分为两种，即正常金属和反常金属。正常金属：随压力增大，金属的电阻率下降。如铁、钴、镍、钯、铂、铱、铜、银、金、锆等。反常金属：随压力增大，金属的电阻率增大。如碱金属和稀土金属等。第三十一页，共49页。〔5〕电阻率与冷加工的关系弹性变形对金属材料的电阻影响很小塑性变形晶格畸变，晶体中可能出现空位、置换原子，位错及晶界弯曲等引起电子散射增加金属的电阻率增大第三十二页，共49页。第三十三页，共49页。5、金属的热电效应ABT0T将两种不同的金属两端互相严密地连接在一起回路中会产生电势形成热电流金属的热电效应〔塞贝克效应〕当T>T0称为两种材料的接触电势单一导体的温差电势第三十四页，共49页。〔1〕两种材料的接触电势〔珀尔电势〕不同的金属，其自由电子密度是不一样的。当两种金属接触在一起时，在结点处就要发生电子扩散，电子浓度大的金属中的自由电子就会向电子浓度小的金属中扩散。这时，电子浓度大的金属因失去电子而具有正电位，反之，电子浓度小的金属由于接收扩散来的多余电子而带负电。这种扩散一直持续到动态平衡为止，从而得到一个稳定的接触电势。接触电势的大小除与两种材料的性质有关，还与接触点的温度有关。温度越高，电子的扩散运动越剧烈，到达动态平衡时的接触电势也就越高。〔2-17〕式中，nA、nB分别为材料A、B的自由电子浓度。第三十五页，共49页。〔2〕单一导体的温差电势〔汤姆逊电势〕同一导体，假设两端温度不同，T>T0，那么在两端会产生温差电势UA(T,T0)。导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因此向低温端扩散。高温段失去电子，带正电，而低温端那么得到电子而带负电。〔2-18〕式中，σA为汤姆逊系数。第三十六页，共49页。〔3〕热电偶通常把前面图中所示的由两种不同导体所构成的回路称为热电偶，A、B两导体那么称为热电极。根据热电效应，可选用热电偶电势大的两种金属组成热电偶，用来测量温度和作温度控制用，具有测量温度范围宽、灵敏度和准确度高等优点。第三十七页，共49页。§2.2高导材料具有高电导率的导电金属。常用导电材料铜合金铜铝

铍铜合金铁铜合金铜锌合金铜镍合金铜-镍-锌合金铝合金〔Aldrey〕Si(0.5%-0.6%)、Mg(4%)、Fe(0.3%)成分第三十八页，共49页。1、铜及铜合金纯铜又称紫铜，外观呈淡紫红色，是导电材料中最主要的金属，具有良好的导电性、耐腐蚀性，塑性加工性能好，便于进展各种冷热加工。铜中所含杂质对电导率的影响甚大，即使微量也会导致电导率的显著下降。最大缺点是硬度低、耐磨性差。第三十九页，共49页。杂质对铜导电性的影响第四十页，共49页。铝的资源丰富，价格比铜低，因此除对导体尺寸及机械性能等有特殊要求的场合，应优先采用铝作导体材料。主要缺点，不易焊接。铝合金：铝硅合金、铝镁合金、铝镁硅合金2、铝及铝合金第四十一页，共49页。3、其他纯金属导电材料银〔Ag〕金〔Au〕铂〔Pt〕汞〔Hg〕铅〔Pb〕锡〔Sn〕镍〔Ni〕锌〔Zn〕钨〔W〕钼〔Mo〕钛〔Ti〕……第四十二页，共49页。铬锆铜缝焊轮铍镍铜（稀土铜）铬锆铜棒冷挤压电极头电极材料铍铜线材铍铜各种电极头,电极帽等钨铜第四十三页，共49页。

高电阻材料高电阻材料是指电阻率较高的一类导电材料，主要用来制作标准电阻器、变阻器、电热器及一些敏感电阻器件。电阻合金材料锰铜电阻合金康铜电阻合金镍铬系电阻合金贵金属电阻合金第四十四页，共49页。电接触材料：可变电阻器、电位器、开关插头座、继电器等电子元件。焊接材料：将两个以上互相别离的金属结合起来，不仅实现机械上的接合，更重要的是完成电的连接。熔体材料：要求材料有确定的熔断温度，熔断器。电碳材料：非金属高电阻导电材料，主要包括石墨等结晶形碳和炭黑等无定形碳。导电高聚物和导电胶粘剂：基体高聚物、导电填料等。§2.4其他导电材料第四十五页，共49页。薄膜导电材料薄膜：厚度小，电阻值可以做到较高。