材料物理性能03

1第二章材料的电学性能主要指导电性能！2.1概述电荷的定向移动形成电流承载电荷的载体称为“载流子”电子、空穴、正离子、负离子、离子空位迁移数（输运数）：表征某种载流子对总电导的贡献22.1概述离子导体：离子迁移数大于0.99混合导体：非离子导体电导率(electricalconductivity)表征材料导电性的大小。

电阻率与电导率的关系单位：S.m-1,

（Ω.m）-1（Ω.cm）-132.1概述材料电阻率Ω.m电导率S.m-1超导体导体半导体绝缘体010-8-10-510-5-107107-1018∞105-10810-7-10510-18-10-7根据电导率对材料的分类相对电导率（IACS％）：与标准软（纯）铜的电导率之比20℃，1.724×10-8

Ω.m；5.8×107S.m-142.1.2材料导电性的微观机理电荷的定向移动形成电流假设材料中的一种载流子电量为q，数量密度为n,在电场E的作用下运动，形成电流在电场作用下，载流子受到电场力的作用，沿电场力的方向产生加速度，产生定向运动。定向运动速度不能一直增加要受到晶格、其他电子的碰撞而丧失定向移动速度。因此有一个平均速度－漂移速度v52.1.2材料导电性的微观机理62.1.2材料导电性的微观机理回想前面讲过的量子自由电子理论EF0KTK费米面和热激发电子受到电场的作用力，电子速度增加！意味着电子能量增加！只有费米面附近的电子的能量能够增加！72.1.2材料导电性的微观机理能带理论对导电机理的解释是基于费米面对称性变化的角度－本质与上面的解释一样，把书翻到52页！82.2金属材料的导电性2.2.1金属材料导电性的典型实验规律马提申规则基本电阻，由杂质浓度、点缺陷、位错等引起，与温度无关由晶格振动引起，与温度关系很大剩余电阻－液氦温度（4.2K）的电阻率92.2.1金属材料导电性的典型实验规律另外有一些合金材料的电阻随温度的变化偏离马提申规则。合金元素不仅影响残余电阻，也影响电阻随温度的变化率！电阻率温度系数102.2.1金属材料导电性的典型实验规律教材P55112.2.2金属材料的导电性控制因素其中能够对电导率产生影响的控制因素是平均自由程电子波在理想晶体点阵里传播时，不受散射！晶体点阵遭到破坏的地方，电子波受到散射，对电流产生阻碍－电阻！温度（晶格振动）、晶体缺陷等－－影响散射效果－－影响电阻122.2.3温度对金属导电性的影响温度增加，晶格振动加剧，原子偏离平衡位置幅度加大偏离理想晶格的程度加大对电子的散射加强，电阻增加！132.2.4合金元素与晶体缺陷对金属导电性的影响形成固溶体－电阻升高原因：缺陷固溶体有序化后形成新相新相晶体结构比固溶体有序－电阻降低导电电子数减小－电阻增加14其他缺陷对电阻率的影响冷加工，金属电阻率增大原因：冷加工塑性变形晶格畸变（空位、位错等）增加电子波的散射几率电阻率随应变（变形率）的变化（VanBeuren公式）15冷加工和缺陷对电阻率的影响不同的缺陷对电阻率变化的影响不同冷加工导致的范性变形、高能粒子辐照、高温金属极速冷却－产生大量缺陷－增大电阻率。退火会减小上述原因导致的缺陷，减小电阻率！16薄膜材料或其他低维材料，当材料在某方向的尺度小到一定程度时（导电电子的平均自由程），随尺度的进一步减小，材料在该方向的电阻增加！由于金属晶体的晶体结构的各向异性会导致能带结构变化－电阻率各向异性。多晶体金属一般电阻率各向同性。17磁性对导电性的影响前面的讨论都没有考虑磁性对导电电子的影响！但电子有自旋－正自旋和反自旋电子在移动过程中必然会受到磁场的影响！传导电子的晶体中运动，必然受到原子实磁矩的影响！绝大多数金属原子实的磁矩都为零（材料没有磁性），所以多数时候可以不考虑材料磁性对电子导电的影响！18磁性对导电性的影响但对于组成金属的原子实有固有磁矩时，其磁矩必然对传导电子的运动产生影响！例如：Mo－Fe合金中的近藤效应（P64）另外，金属中原子有固有磁矩的话，这种磁矩是随机排列还是有序排列，对传导电子的影响显然不同！外界磁场能够影响原子固有磁矩的有序、无序排列情况，因此：外界磁场就能够影响这种材料的电阻！磁电阻效应！192.2.5合金电阻率检测的应用有很多办法可以测量金属材料（包括合金）的电阻率及其随外界环境（温度、压力等）的变化。如前所述，金属的电阻率与很多因素有关，那么，反过来，我们可以通过测量金属材料电阻率的变化来研究某些影响电阻变化的因素！测量相变点、测量缺陷的浓度、分析金属淬火、退回过程等。202.3半导体材料的导电性满带带隙半导体存在一系列满带，最上面的满带称为价带；存在一系列空带，最下面的空带称为导带。外界能量（光照、热起伏）等可以激发价带电子到导带，形成电子－空穴对，这个过程称为半导体的本征跃迁212.3半导体材料的导电性N(E)EkE本征半导体－所有载流子都由本征跃迁产生。掺杂半导体（n型半导体，p型半导体）222.3半导体材料的导电性232.3半导体材料的导电性导带底附近的电子和价带顶附近的空穴可以用简单的有效质量描述。可以直接利用自由电子的能态密度公式写出导带底和价带顶的能态密度N(E)EN(E)kE242.3半导体材料的导电性迁移率本征半导体中的热平衡载流子密度与导电性半导体中费米能级位于禁带中间252.3半导体材料的导电性EE-E+EFf(E)导带电子在导带各能级的分布几率262.3半导体材料的导电性价带中空穴的占据几率，就是为电子不占据的几率：27本征半导体中的热平衡载流子密度与导电性引入有效能级密度28本征半导体中的热平衡载流子密度与导电性本征半导体中，导带电子与价带空穴成对儿出现本征半导体电导率随温度指数增加29掺杂半导体的载流子与导电性施主：杂质在带隙中提供带有电子的能级满带导带施主T>0T=0N型满带导带受主T>0T=0P型受主：杂质提供带隙中空的能级30掺杂半导体的载流子与导电性设想在N型半导体中只含有一种施主，能级位置为ED，施主浓度为ND。在低温下，本征激发可以忽略，载流子主要是由施主激发到导带的电子满带导带施主T>0T=0N型31掺杂半导体的载流子与导电性低温时高温时32掺杂半导体的载流子与导电性同样可以得到对于受主浓度为NA的P型半导体中低温时高温时33掺杂半导体的载流子与导电性一般情况下，掺杂半导体中的载流子，既有杂质激发的导带电子或价带空穴，也有本征激发的导带电子和价带空穴。载流子浓度本征激发区耗尽区杂质激发区电导率对于化合物半导体，除了所谓的杂质掺杂外，还可