电气材料基础 课件 第4、5章 半导体材料、导电材料

1《电气材料基础》第4章半导体材料4.1半导体的基本特征4.2本征半导体和掺杂半导体4.3半导体的电导特性4.4金属-半导体接触4.5

半导体材料的应用主要内容34.1半导体的基本特征

基于能带理论，固体可分为：导体绝缘体半导体半导体是电导率处于导体与绝缘体之间的固体。室温下，其电阻率大致在10-6~108Ω∙m的范围。半导体的电阻率强烈地受杂质影响，当改变杂质的种类和数量时，其电导特性也会有很大的变化。

例:1.高纯锗，室温下电阻率为0.43Ω·m，若每2×106个锗原子中掺入一个杂质原子锑，则室温电阻率降为0.9×10-3Ω·m，减小约470倍；2.在硅晶体中，每105个硅原子中掺入一个杂质原子硼，则比纯硅在室温下的电导率增加103倍。

半导体中载流子有两种：电子和空穴。电子带负电荷，空穴带正电荷，电量均为1.6×10–19C。

当有外部光或者热的作用时，半导体的电学特性也会发生很大变化。半导体具有比金属大的温差电效应，还具有光电效应、霍耳效应、磁阻效应、热磁效应、光磁电效应、压阻效应等物理效应。具有的各种物理效应及整流特性等现象，是制作各种半导体器件、集成电路的基础。已发现属于半导体的材料约有一千多种，可以大体分为元素半导体、化合物半导体，及非晶半导体和有机半导体。元素半导体：有硅、锗、硒、碲等，其中Si和Ge属于典型的元素半导体，均为第Ⅳ主族元素。化合物半导体：由两种元素组成的二元化合物半导体，以及由三种元素或更多种元素组成的多元化合物半导体；例如SiC、SiGe、PbS等。半导体禁带宽度/eV（300K）迁移率/（m2/V.s）（室温）用途，特征epSi1.140.150.05晶体管，二极管，IC，光电池，功率MOSFET,IGBT，晶闸管，太阳能电池Ge0.670.450.19晶体管GaAs1.520.970.07微波器件，FET，二极管，霍尔器件，发光二级管，半导体激光器，太阳能电池InSb0.237.70.075霍尔器件InAs0.363.30.046霍尔器件InP1.350.460.065C（金刚石）5.50.180.12大功率器件，高输出高频FET，紫外光发光器件，紫外光深测器PbS0.34～0.370.0550.06PbTe0.300.160.075热电冷却FeSi20.800.050.05热电材料，发光二极管，太阳电池0.69(46K)1.3(50K)AgCl3.20.005ZnSe2.690.020.0015可见发光二极管ZnO3.20.018传感器，变阻器SiC2.80.026大功率器件（可高温使用），MOSFETSiGe超高频晶体管6各种半导体的特征例如：LED（LightEmittingDiode）——发光二极管根据固体能带论，当电子从一个带中能态E1跃迁(转移)到另一带中的能态E2时，就会吸收或发出一定频率(v)的光。v与能量差(ΔE=E2-E1)成正比，即v=ΔE/hE2EFE184.2本征半导体和掺杂半导体4.2.1半导体中的载流子

1.电子和空穴

2.掺杂原子和能级4.2.2载流子浓度的状态分布1.载流子的分布2.本征半导体中电子和空穴分布

3.非本征半导体中电子和空穴分布

4.电中性条件下的载流子浓度

5.费米能级随掺杂浓度和温度的变化

9

本征半导体：是没有杂质原子和缺陷的纯净半导体。本征半导体中的载流子称为本征载流子，有两种类型：电子和空穴。是由本征热激发所产生，而不是由掺杂所产生的载流子。价电子受热跃迁入导带成为载流子后，在价带上留下一个带正电的“空状态”；相邻价电子获得热能时可跃入这些空状态。价电子在空状态中的运动等价为带正电“空状态”的交替运动，被称为空穴。

掺杂半导体：称为非本征半导体。通过控制加入到半导体中的特定杂质原子及掺杂原子的数量，可改变半导体的电学特性。掺杂原子的类型决定了主要载流子电荷是导带电子还是价带空穴。掺杂原子的引入改变了电子在有效能量状态上的分布，因此费米能级是杂质原子类型和浓度的函数1.电子和空穴4.2.1半导体中的载流子102.掺杂原子和能级

施主杂质：提供电子的杂质。例如：当Si（硅）原子的位置被5价的As（砷）杂质占据时，由于第Ⅴ主族元素有5个价电子，其中四个与Si原子形成共价键，剩下的第五个电子则松散的束缚于As原子上，称为施主电子。掺杂As后Si晶体的二维模型及其能带图。其中能级Ed为施主电子的能量状态。可见，As原子向导带提供了电子，故称为施主杂质原子。它可增加导带电子，此时的半导体称为n型半导体。极低温度下，施主电子被束缚在As原子上。如果电子获得了少量能量，则可激发到导带，并形成一个带正电的As+离子。4.2.1半导体中的载流子11图所示为掺B的Si晶体模型及能带图第Ⅲ主族原子从价带中获得电子，称为受主杂质原子。它们可在价带中产生空穴，但不能在导带中产生电子，称这类半导体为p型半导体。如果在硅中掺入第Ⅲ主族的B（硼）元素，B有三个价电子与Si（硅）结合形成了共价键，则有一个共价键的位置悬空。该位置可获得一个电子，使B原子带负电。但该电子并不具备足够的能量进入导带。当B原子引入的空位被填满，其他价电子位置将变空，即为空穴。4.2.1半导体中的载流子

受主杂质：提供空穴的杂质。124.2.2载流子浓度的状态分布载流子的浓度与状态密度函数和费米分布函数有关，是半导体的一个重要表征参数。

在无外界影响（如电场、磁场或温度梯度）的热平衡状态下，载流子浓度为一给定值。导带电子分布可表示为：

fF(E)：为费米-狄拉克概率分布函数：gc(E)：导带中的状态密度函数，是导带中单位能量间隔可以被电子占据的状态数。E为电子能量，EF为费米能级，T为绝对温度，k为波尔兹曼常数1.3810-23J/K

1.载流子的分布同理，价带中空穴的分布可表示为:

gv(E)：为价带中的状态密度函数。13将二式分别在导带和价带能量范围积分，可得到导带单位体积的总电子浓度和价带单位体积的总空穴浓度。导带中E~(E+dE)范围内电子状态密度为：

Ec为导带底能量，mn为电子有效质量，h为普朗克常数6.62610-34J·s

则热平衡电子的浓度为：在室温下：kT=0.025eV，E-EF>>kT，exp[(E-EF)/kT]>>1，则f(E)≈e-(E-EF)/kT——玻尔兹曼近似

EF:电子占据概率为1/2的能级——费米能级4.2.2载流子浓度的状态分布设Nc为导带状态密度，Nv为价带状态密度：同理，价带中空穴浓度：14以上二式中的状态密度：，对于本征半导体，n=p则：则费米能级的位置为：4.2.2载流子浓度的状态分布15

如果mp=mn，则EFi位于禁带中央；如果mp>mn，则稍高于禁带中央；如果mp<mn，则稍低于禁带中央。通常，右边第二项很小可忽略。则：本征费米能级EFi将随状态密度和有效质量的增大而移动，以保持电子和空穴的浓度相等，且等于本征电子浓度ni。Eg——禁带宽度Eg=Ec-Ev本征费米能级的位置4.2.2载流子浓度的状态分布16从n和p的关系式中消去EF，得到：ni——本征电子浓度该式适应于本征半导体，也适应于掺杂半导体。当温度变化时，（kT)3/2项变化很小，而e-Eg/2kT变化大，可以认为n和p随着温度的上升呈指数关系增加。4.2.2载流子浓度的状态分布17

2.本征半导体中电子和空穴分布

本征半导体在平衡状态下，导带中的电子浓度值等于价带中的空穴浓度值。本征半导体中的电子和空穴的浓度分别表示为ni和pi。通常称它们是本征电子浓度和本征空穴浓度。在本征半导体中有：两式相乘：式中Eg为禁带宽度。

对于给定的半导体材料（Eg），当温度（T）恒定时，ni为定值，与费米能级无关。4.2.2载流子浓度的状态分布电子浓度空穴浓度183.非本征半导体中电子和空穴分布施主或受主杂质原子会改变半导体中电子或空穴的分布状态。费米能级与分布函数相关，故掺杂会引起费米能级的变化。热平衡状态下，电子浓度n0和空穴浓度p0的一般表达式如下：本征载流子浓度ni可表示为：因此：EF>EFi，则n0>p0，为n型半导体，施主掺杂；电子为多子，空穴为少子；EF<EFi，则p0>n0，为p型半导体，受主掺杂；空穴为多子，电子为少子。4.2.2载流子浓度的状态分布19对于n型半导体，EF>EFi，n0>ni，p0<ni，即n0>p0而对p型半导体，有EF<EFi，p0>ni，n0<ni，即p0>n0考虑n0和p0的乘积：上式表明，在满足波尔兹曼近似和一定温度的热平衡条件下，n0和p0的乘积为一常数。

这是热平衡条件下半导体的一个基本公式。4.2.2载流子浓度的状态分布EFiEFi20

4.电中性条件下的载流子浓度如果半导体同一区域中同时含有施主和受主杂质原子，则称之为补偿半导体。

Nd表示施主原子的浓度，Na表示受主原子的浓度。

当Nd

>Na，即为n型补偿半导体；当Nd<Na，则为p型补偿半导体；而Nd=Na时，为完全补偿半导体，与本征半导体类似。在完全电离条件下，补偿半导体的电中性条件为：由可得：对于完全补偿半导体，Nd=Na

，n0=ni4.2.2载流子浓度的状态分布21

随着施主杂质原子的增加，导带中电子的浓度增加并大于本征载流子浓度，电子在有效能量状态中重新分布，一部分施主电子将进入价带中的空位，与一部分的本征空穴相复合，使得少数载流子空穴浓度大大降低。此时导带中电子浓度并不等于施主浓度与本征电子浓度之和。本征载流子浓度ni强烈依赖于温度T，故当温度升高时上式中ni2项开始占据主导地位，半导体的本征特性增加而非本征特性削弱。施主掺杂浓度为5×1014cm-3的Si中，电子浓度与温度T的关系。4.2.2载流子浓度的状态分布22应用实例——半导体的热电效应载流子浓度随温度升高而增加，使得半导体随温度呈现不同的电特性。当受热物体中的电子或空穴随着温度梯度由高温区往低温区移动时，会产生电流或电荷积聚的现象，称为热电效应。

在热电效应中有塞贝克效应（热产生电）和佩尔捷效应（电产生热）。塞贝克效应导体连接成闭合电路，具有不同温度的两连接点之间产生电动势的现象——温差电动势。热

电（可发电）佩尔捷效应将不同半导体连接起来，当电流通过时，在连接点处产生吸热或放热的现象。电

热（可制冷）4.2.2载流子浓度的状态分布235.费米能级随掺杂浓度和温度的变化在满足波尔兹曼近似和热平衡状态的条件下，由电子浓度表达式可以确定费米能级在禁带中的位置。对于n型半导体，假设Nd>>ni，则n0≈Nd，则上式变为：可见，随着施主杂质浓度的增加，费米能级向导带移动，导带与费米能级之间的距离减小。对于杂质补偿半导体，上式中的Nd，由净有效施主浓度Nd

-Na代替。4.2.2载流子浓度的状态分布24对于n型半导体有：

可得费米能级与本征费米能级之差与施主浓度的函数关系。随着掺杂水平的提高，n型半导体的EF向导带靠近；

而p型半导体的EF向价带靠近。如右下图所示。温度升高，ni增加，EF趋近于EFi，半导体非本征特性向本征特性转变。在极低温度下，波尔兹曼假设不再有效，上述公式不再适用，此时n型半导体的EF位于Ed之上，p型半导体的EF位于Ea之下。在0K时，EF之下所有能级都被电子填满，而EF之上全部能级均为空。4.2.2载流子浓度的状态分布254.3半导体的电导特性4.3.1载流子的迁移4.3.2霍尔效应4.3.3非平衡过剩载流子运动264.3半导体的电导特性

半导体中的载流子（电子和空穴）在外加电场力的作用下产生定向迁移并形成电流。其电流密度可写成：迁移率定义：单位电场作用下的迁移速度。单位:m2（V.s)-1迁移率是半导体中的一个重要参数，描述了载流子在电场作用下的运动情况。式中：σ为半导体的电导率(S·m-1)，是载流子浓度和迁移率的函数。

n和p分别表示电子和空穴的浓度。

n和

p分别表示电子和空穴的迁移率。4.3.1载流子的迁移27

影响载流子迁移率的微观机制：晶格散射和电离杂质散射。定义：

L为只有晶格散射时的迁移率，存在以下近似关系：当T下降时，晶格振动减弱，

L将增大。电离杂质散射：室温下，电子或空穴与电离杂质之间存在库仑作用，引起碰撞或散射而改变载流子的运动速度。定义：

I为只有电离杂质散射时的迁移率，则近似有：其中NI=N+d+N-a，表示电离杂质的总浓度。

4.3.1载流子的迁移28

低温区，温度越低电离越少，电子浓度和电导率随T的下降而降低。中温区，掺杂杂质全部电离，电子浓度为一恒定值。由于迁移率在不同温度区间，分别受控于电离杂质散射(较低温)和晶格散射(较高温)，故在中温区内电导率随温度T发生变化。高温区，本征态载流子电离，本征载流子浓度随着T而迅速增大，并主导了电子浓度和电导率。图4-6载流子浓度和电导率与温度T的关系曲线对特定掺杂浓度的半导体，可得下图曲线。4.3.1载流子的迁移29除了载流子在外电场作用下的迁移运动之外，粒子还存在从高浓度区流向低浓度区的运动过程，称为扩散运动。载流子的迁移运动和扩散运动都能产生电流。总电流密度可表示为电子、空穴的迁移电流和扩散电流之和：4.3.1载流子的迁移Dn：电子扩散系数，cm2/sDp：空穴扩散系数，cm2/s

n、

p

：电子、空穴迁移率电子迁移率描述了电子在电场作用下的运动，而扩散系数描述了电子在浓度梯度下的运动。迁移率和扩散系数通过爱因斯坦关系相互关联4.3.2霍尔效应

洛伦兹力：运动电荷在磁场中受力发生偏转。

（左手定则）314.3.2霍尔效应霍尔效应：指电场和磁场对运动电荷作用而产生的效应，1879年被物理学家霍尔发现。半导体置于磁场内且有电流时，载流子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压的现象。霍尔效应可用于判断半导体的类型；并可计算载流子的浓度和迁移率。霍尔效应的测量原理如图4-7：半导体中的电流为Ix；磁场与电流方向垂直沿z方向；电子和空穴受到力的作用，均为y轴方向。对于n型半导体，负电荷积累在y=0的表面，在y方向产生感应电场。达到稳定状态时，磁场力与感生电场力平衡，有:32y方向的感生电场为霍尔电场，其在半导体内产生的电压为霍尔电压VH。n型半导体的VH为负，p型半导体的VH为正。从VH正负判断非本征半导体的导电类型是n型还是p型。p型半导体中的空穴漂移速度为：可求得空穴的浓度为：在p型半导体中：即可得到空穴的迁移率为：同理，对于n型半导体，其电子浓度为：迁移率为：xyz4.3.2霍尔效应33应用实例——半导体的电磁效应4.3.2霍尔效应半导体的电磁效应包括霍尔效应和磁阻效应，物理过程相互关联。磁阻效应：指在电流垂直方向加磁场后，沿外电场方向的电流密度降低，电阻增大的现象。物理磁阻效应是由于载流子运动中受到洛伦兹力干扰，前进方向发生弯曲，因此散射概率增大，迁移率降低所致。几何磁阻效应同半导体样品的形状相关，例如，柯宾诺圆盘。盘形元件外圆周边和中心处形成辐射状电场，磁场作用下，从中心流出的电流在达到外周电极以前，形成与半径方向成霍尔角θ的弯曲；电流以螺旋状路径流通，距离增加，电极间电阻增大；无电荷积累，不产生霍尔电场。霍尔效应和磁阻效应用来测量磁场，如磁通计、位移计、功率计、乘法器等。344.3.3非平衡过剩载流子的运动非平衡过剩载流子：半导体受到外部的激励（光、电），除热平衡浓度之外，在导带和价带中分别产生的过剩电子和空穴。任何热平衡状态的偏离，都可能导致非平衡载流子的产生。热平衡状态下：电子不断受到热激发从价带跃入导带，产生电子-空穴对。导带中的电子靠近空穴时，可落入空穴，导致电子-空穴复合。热平衡条件下净载流子浓度与时间无关，电子和空穴的产生率等于复合率。1.过剩载流子的产生与复合T>0K导带价带35

n0，p0为热平衡条件下电子和空穴的浓度。

δn和δp为过剩电子和过剩空穴浓度。显然：np≠n0p0=ni2。过剩载流子产生的同时也会导致复合。由于过剩电子和空穴是成对产生与复合，因此有：δn（t）=δp（t）。非热平衡条件下：导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度将高于热平衡时的值。可以表示为：4.3.3非平衡过剩载流子的运动1.过剩载流子的产生与复合36当过剩载流子浓度远小于热平衡多数载流子的浓度时，在外界激励消除后，过剩少数载流子浓度将随时间而衰减：其中

n0代表复合前的平均时间，称为过剩少数载流子的寿命。激励消除后，非平衡载流子浓度随时间按指数规律衰减。

的大小反映了外界激励撤除后非平衡载流子衰减速度的不同，寿命越短衰减越快。同一材料在不同条件下，其寿命可能大不相同。2.过剩载流子的寿命非平衡载流子的寿命不取决于材料的基本性质，而是与材料中的缺陷——深能级存在直接相关。T>0K4.3.3非平衡过剩载流子的运动37对于理想半导体，禁带中不存在电子能态。实际半导体中，缺陷存在而破坏了晶体完整的周期性势函数，缺陷密度不太大的条件下，在禁带中产生分立的电子能态。假设：在禁带中存在一个独立的复合中心（陷阱），它俘获电子和空穴的概率相同，该单一的陷阱可能存在四个基本过程：（1）电子的俘获：导带中的电子被一个陷阱俘获（2）电子的发射：陷阱能级中心电子被发射回导带（3）空穴的俘获：价带中的空穴被包含电子的陷阱俘获或陷阱中心电子发射到价带（4）空穴的发射：中性陷阱将空穴发射到价带中，或陷阱从价带中俘获电子2.过剩载流子的寿命4.3.3非平衡过剩载流子的运动38热平衡条件下：

导带中的电子被陷阱俘获的概率与导带中的电子密度和空陷阱的密度分别成比例，且与电子被发射回导带的概率相等。一般而言，非本征半导体材料的注入小（δp<<n0

，或δn<<p0），过剩载流子寿命可归纳为少子的寿命。若陷阱浓度增加，则过剩载流子的复合概率增加，使少子的寿命降低。当材料由非本征变为本征时，与过剩少子复合的有效多子的数量减少，少子寿命增加。4.3.3非平衡过剩载流子的运动2.过剩载流子的寿命393.过剩载流子的输运过剩载流子的输运：电场作用下的漂移运动+热导致的扩散运动，+材料内部或表面存在杂质、陷阱等原因会发生过剩载流子的复合。在热平衡条件下，半导体的电中性条件是过剩少子浓度等于过剩多子浓度。半导体中的过剩电子与空穴不是相互独立运动的，它们具有相同的迁移率、扩散系数和寿命。过剩电子和过剩空穴以同一个等效的迁移率或扩散系数共同漂移或扩散的现象称为双极输运。过剩载流子浓度的运动规律可由电流连续性方程来描述：4.3.3非平衡过剩载流子的运动

E是电场强度，te和th是过剩电子和空穴的寿命，ge和gh是单位时间单位体积内产生的电子和空穴。前两项由漂移运动产生的单位时间单位体积电子或空穴积累.第三项由扩散运动产生的单位时间单位体积电子或空穴的积累.第五项是小注入时单位时间单位体积中复合消失的电子或空穴。403.过剩载流子的输运

通过求解连续性方程，可以得到过剩电子和空穴浓度。例如，

在一块均匀的p型半导体中，在x=0处给一个脉冲激励（例如光照等）产生非平衡过剩电子和空穴，设δn（0）<<p0。激励消失后，在无电场的情况下，可以通过求解连续性方程得到稳定状态过剩电子和空穴的分布随时间的变化。非平衡载流子浓度随时间呈指数衰减，且具有相同的扩散长度。

激励停止后的过剩多子与过剩少子以及电子和空穴的稳态分布浓度如图所示。4.3.3非平衡过剩载流子的运动以p型半导体为例，δn<<p0，多子空穴的总浓度几乎没有改变，但少子浓度将有几个数量级的变化。在过剩载流子浓度很小和非本征掺杂条件下，过剩载流子的漂移与扩散主要取决于少子的特性。通常，非平衡载流子都是指非平衡少子。41光照在物体上，使物体的电导率发生变化的现象称为光电导效应，这是一种典型的由外部光能产生非平衡载流子的现象。无光照射时半导体的电导率：4.3.3非平衡过剩载流子的运动应用实例——半导体的光电导效应光照射下，电子和空穴分别产生∆n和∆p，则电导率：如果n≤∆n，p≤∆p，把光照射到加电压的半导体上，产生与照射光强成比例的电流，从而检测光强。424.4金属-半导体接触4.4.1p-n结1.无偏压的开路状态2.正偏时的扩散电流和复合电流3.反向偏压的电流4.耗尽层电容、扩散电容和动态电阻5.反向击穿4.4.2金属-半导体接触434.4.1p-n结近20年，光电子和光电子器件得到快速的发展。例如：发光二极管、半导体激光器、光探测器、太阳能电池等等。这些器件都是基于p-n结原理。因此了解p-n结的基本原理对于认识相关器件的工作原理和性能都十分重要。1.无偏压的开路状态当硅半导体一边为n型掺杂，另一边为p型掺杂时，会在n区与p区间形成一个不连续的突变结，称为冶金结M。从p到n存在空穴浓度梯度，空穴向右扩散，与n区电子复合。同理，电子向左扩散，与附近的空穴复合。图4-12（a）所示。44假定图4-9中，Nd<Na，则有Wp<Wn，即耗尽区进入到轻掺杂一侧的半导体。根据电荷密度可求得电场：结附近产生一个从右向左的电场，其中的电荷将受到电场力的作用。图4-12（b）。由于浓度差，存在扩散驱动力。平衡时空穴向右的扩散速率等于向左迁移速率，扩散电流等于迁移电流。图4-12（c）为结附近的净空间电荷浓度。由于半导体为电中性，则有：4.4.1p-n结45取远离M处的p边电势为0，则电势分布如图4-12（d、e）所示。图中V0称为内建电势。内建电势决定于掺杂物及材料性质：耗尽区宽度为：可见：W0∝V01/2，说明耗尽区电容将依赖于电压。4.4.1p-n结46对于热平衡系统，EF必须连续，即n，p和M的EF必须一致。为了EFn=EFp且Ec-Ev保持不变，必须在M附近将Ec和Ev弯曲。图4-13可见：导带上n边的电子须越过eV0的势垒才能到达p区，V0为内建电势。图4-13开路时的p-n结能带4.4.1p-n结47给p-n结外施一个正向偏压（p正，n负），外施电压与内建电势方向相反，减少了内建电势，更多的空穴可以扩散越过耗尽区进入n边，而过剩的电子也可更多的扩散进入p边，这导致了过剩少数载流子的注入。扩散到n边的过剩空穴数目通过下式表达：2.正向偏压扩散电流和复合电流上式称为结定律。显然V=0时，pn(0)=pn0。图4-14表示正偏条件下的载流子浓度曲线。图4-14器件在正偏条件下的载流子浓度曲线4.4.1p-n结48正偏时的总的扩散电流可表示为理想二极管（肖克利）公式：JS0反向饱和电流密度Lh、Le

空穴、电子扩散长度

除了少子在中性区的扩散和复合产生扩散电流外，少子在耗尽区的复合也将产生电流，该电流称为复合电流。二极管的总电流将为中性区少数载流子扩散过程和耗尽区的复合过程提供载流子。在V>kT/e的条件下：图4-15p-n正偏时的能带图。此时外加电压主要降在耗尽层，n区导带中的电子很容易越过势垒到达p区，空穴也能够从p区到达n区，形成电回路。4.4.1p-n结49（1）少子扩散电流在反向偏压下，pn(0)≈0，pn0

0，形成浓度梯度。产生一个n区流向耗尽区的空穴扩散电流，同理，在p区存在一个电子的扩散电流。在耗尽区，这些载流子在电场驱动下迁移。3.反向偏压电流反向偏压时，外电场与内建电场一致，空间电荷层(耗尽区)的电场大于内建电场。n区的电子和p区的空穴都无法向对方移动。反向电流主要由少子扩散和热生电子-空穴对两部分组成。

少子扩散电流为反向饱和电流，依赖于材料的参数、外加电压、温度。

4.4.1p-n结50（2）热生电子—空穴对

图4-17为反偏的能带图。在耗尽层的热产生电子-空穴对在电场下分离。电子沿势能坡下降到n区的导带；空穴到达p区；之后在电场的驱动下迁移。在中性区耗尽层热产生的少子也对反偏电流有贡献。图4-17反偏能带及热生电子-空穴对4.4.1p-n结514.耗尽层电容、扩散电容和动态电阻（1）耗尽层电容耗尽层电容的表达式：Cdep随偏置电压的变化关系如图4-18所示。它随反偏电压的增大而减小。在反偏和正偏条件下都存在。图4-18Cdep随偏置电压的变化曲线式中：A为p-n结面积，W为结宽，

为结介电常数，e为电子电量，Na为受主原子浓度，Nd为施主原子浓度，V0为正向导通电压，V为偏置电压。

4.4.1p-n结52（2）扩散电容扩散电容只在正偏的条件下产生。当p-n结正向偏置时，n区会通过少子的注入和扩散存储正电荷，如图4-19所示。

V的微小增量dV引起附加少子电荷dQ注入n区，则扩散电容：

h为少子空穴寿命，I为二极管电流。扩散电容值在nF范围，远大于耗尽层的电容。图4-19正偏条件下的扩散电容4.4.1p-n结53（3）动态电阻动态电阻的定义为：图4-20动态电阻的定义rd是I-V曲线斜率的倒数，依赖于电流I，它将二极管电流和电压变化关联起来。室温下正偏电压小于热电压（kT/e）或25mV时，可以认为rd和Cdiff决定了正偏条件下对交流小信号的响应，即将一个正偏二极管等效为rd和Cdiff的并联。4.4.1p-n结545.反向击穿随着反向电压的增加，p-n结最终会以雪崩或齐纳机制发生击穿，在V=Vbr附近，产生很大的反向电流。（1）雪崩击穿反向电压，耗尽区中电场

。耗尽区中的迁移电子可从电场获得足够的能量，并轰击其它原子，使其发生电离——碰撞电离现象。被加速的电子必须获得至少一个禁带宽度Eg的能量，通过碰撞电离产生额外的电子-空穴对。碰撞电离产生的电子-空穴对自身也可能被电场加速，并连续发生碰撞电离。如此产生雪崩效应。图4-21碰撞电离引起的雪崩击穿4.4.1p-n结55（2）齐纳击穿重掺杂的p-n结耗尽层变窄，其中电场强度增大。一定的反偏电压下，n区的导带底Ec可能会低于p区的价带顶Ev，即p区价带顶的电子与n区导带在一个相同的能级上。图4-22反向偏压使Ec和Ev对齐时从p边价带到n边导带的电子隧穿过程——齐纳击穿如果价带和导带间隔很窄，则电子容易从p区的价带通过隧道击穿形式到达n区，同时产生大电流，这个过程称为“齐纳效应”。4.4.1p-n结56在一个单边重掺杂（p+-n或p-n+）的突变结中，耗尽层内发生雪崩击穿或齐纳击穿的击穿电场Ebr，依赖于轻掺杂一边的杂质浓度Nd。在高场强下的反向击穿主要为隧道击穿方式。图4-23单边轻掺杂突变p-n结耗尽层反向击穿场强与掺杂浓度的关系4.4.1p-n结4.4.2金属-半导体接触--

p-n结是由同一种半导体材料组成的，称为同质结。如果二极管的结是由不同材料组成的，则称为异质结。金属-半导体接触也可形成具有整流接触的二极管。金属-半导体接触形成耗尽层p-n结半导体-半导体接触半导体的电子流向金属58

金属和n型半导体接触前的理想能带如图4-24（a）所示。其中真空能级作为参考能级，Φm和Φs分别为金属和半导体的功函数，χ为电子亲和能。接触前，Φm

>χ，半导体的费米能级高于金属的费米能级。接触后，半导体的电子流向金属，直到两边的费米能级一致，半导体中形成带正电的空穴和耗尽层，如图4-21（b）示。4.4.2金属-半导体接触（a）接触前图4-24（b）金属与半导体接触能带图

p-n结是由同一种半导体材料组成的，称为同质结。如果二极管的结是由不同材料组成的，则称为异质结。金属-半导体接触也可形成具有整流接触的二极管。Tips:功函数：金属中将电子从的费米能级移动致自由空间所需的能量电子亲合能：半导体中将电子从导带底移动致自由空间所需的能量59如果半导体为正极，半导体-金属势垒变大（+VR），形成反偏，耗尽层展宽，金属-半导体接触处于截止状态。如果金属为正电极，则势垒高度减小（-Va），形成正偏，此时由于内建电势差减小，电子从半导体流向金属。肖特基势垒二极管的电流主要取决于多子电子的流动，正偏电流方向从金属到半导体，大小是正偏电压Va的指数函数。ΦBO是金属中电子向半导体中移动所克服的势垒，即肖特基势垒，ΦBO=Φm-χ。图

反偏电压时理想金属半导体结图

正偏电压时理想金属半导体结Vbi为内建电势差，是半导体导带中的电子移动到金属所形成的势垒，Vbi=ΦBO-Φn

4.4.2金属-半导体接触60

p-n结中电流决定于少子，而金属-半导体中的电流取决于多子，基本过程为电子运动通过势垒。可用热电子发射理论解释，其电流密度可表示为：JsT为反向饱和电流密度：p-n结金属-半导体接触（肖特基结）具有方向性具有方向性电流由少子的扩散运动决定电流由多子的热发射越过势垒而形成反向饱和电流很小反向饱和电流值比p-n结大几个数量级开关时间纳n秒级高频器件，可用作快速开关（皮p秒级）4.4.2金属-半导体接触61应用实例——光电动势效应

如果将能量大于禁带宽度Eg的光照射在半导体上时，就会将价带上的电子激发到导带上，形成自由电子和空穴——光生载流子。

当能量大于禁带宽度Eg的光照射p-n结或肖特基结时，就产生电子和空穴，因为结处电场作用使其分开而产生了电压。

这种由光照射而产生电动势的现象叫作光电动势效应（光伏效应）

二极管的电流与电压特性可用下式表示：

式中，Iph为光生电流，

Id是光生电压V导致的二极管电流，

V的极性同p-n结内电场相反，相当于正向偏压，

n是二极管理想因子，一般在1~2之间。4.4.2金属-半导体接触62太阳能电池工作在伏安特性的第四象限。光照射和无光照射时的电流与电压特性。Ish为短路饱和电流，Voc为开路电压。图光电二极管的电压与电流的特性若负载电阻为R，可得到负载线。最大输出功率可由IRVR达到最大时的负载电阻得到。太阳能电池是替代传统矿物燃料的绿色能源，在低运行成本下提供几乎是永久性的电力，无污染，将缓解化石能源枯竭的危机。应用实例——光电动势效应其它光伏器件的原理644.5半导体材料应用4.5.1半导体材料分类1.元素半导体2.化合物半导体3.半导体薄膜4.5.2半导体材料的应用

1.电压电阻效应及其应用2.电热效应及其应用

3.硅半导体在电力电子器件中的应用654.5.1半导体材料分类半导体材料的种类很多，可分为有机半导体和无机半导体。无机半导体又分为元素和化合物半导体；从晶态可分为多晶、单晶和非晶半导体等。实际应用的绝大部分是单晶半导体材料，也有少数多晶或非晶态半导体材料，如多晶硅薄膜、非晶硅等。

1.元素半导体材料

获得应用的目前主要有Si、Ge、Se三种。其中90%以上的半导体器件和电路都是用硅来制作。

根据半导体材料的纯度和掺杂情况，分为本征半导体和掺杂半导体。

本征半导体的载流子由热激活产生，它对空位密度和温度很敏感。低温下纯净的硅和锗为绝缘体，温度升高后电导率迅速增大。

掺杂半导体则是利用施主和受主杂质，分别产生电子导电的n型半导体和空穴导电的p型半导体。2.化合物半导体材料化合物半导体材料的种类繁多、性能各异。其中以共价键结合为主的III-V族、II-VI族、IV-IV族和氧化物半导体材料的发展最为迅速。（1）III-V族化合物半导体：由III族和V族元素形成的金属间化合物半导体，大部分属于闪锌矿结构。其禁带宽度比硅大，具有优异的高温动作性能、热稳定性和耐辐射性。大多数III-V族化合物的电子迁移率比硅大，适用于高频、高速开关。同时，各种III-V族化合物间可形成固溶体，可制成禁带宽度、点阵常数和迁移率等连续变化的半导体材料。如应用于太阳能电池的GaAs、AlSb、GaSb、InAs等。（2）II-VI族化合物半导体：由II族元素（Zn、Cd、Hg）和VI族元素（O、S、Se、Te）组成。具有直接跃迁型能带结构，禁带范围宽，发光色彩较为丰富。其电导率变化范围广，随温度升高禁带宽度变小，可使电子从价带跃迁到导带。这类化合物在激光器、发光二极管、荧光管和场致发光器件等方面有广阔的应用前景。4.5.1半导体材料分类（3）IV-IV族化合物半导体：以SiC和Ge-Si合金为例说明。SiC是一种很重要的宽带半导体，其晶体结构复杂，通常以

-SiC和

-SiC为主。

-SiC室温禁带宽度为2.86eV，

-SiC属立方结构，禁带宽度1.9eV。SiC可制成p-n结，可制成高温下工作的面接触型整流器和场效应管。由于其宽的禁带，可制作蓝色和其他颜色的发光二极管。Si和Ge可形成连续的系列固溶体。晶格常数随组分的变化符合一定的规律，禁带宽度也随组分而变化。可用于特殊要求的探测器等方面。3.半导体薄膜

薄膜半导体不是新的材料类别。它的厚度只有几个微米，具有独特的微观结构。主要分为超晶格薄膜和非晶态薄膜半导体材料。

4.5.1半导体材料分类超晶格材料是两种不同掺杂的半导体薄膜或不同成分的薄膜交替生长而成的周期性多层结构材料，可以做成调制掺杂超晶格和组分超晶格晶体。超晶格材料的晶格常数和禁带宽度在很宽的范围内连续可调，载流子的迁移率和寿命较高，可产生隧道效应和独特的光学特性等。此类物理性能与材料性质和薄膜结构参数都有关系，可以根据需要设计出新的材料和器件，如光电器件有平面型掺杂势垒光探测器、量子阱激光器、调制发光管；电子器件有高电子迁移率晶体管、超晶格雪崩二极管和双势垒器件等。4.5.1半导体材料分类非晶态物质是原子排列上的长程无序短程有序的一种状态。非晶态半导体对杂质的掺入不敏感，薄膜的电导率与原始材料的掺杂程度无关。其非结构敏感性主要来源于掺入杂质的全部价电子都处于键合状态。出现掺杂无效及费米能级不随掺入杂质而移动的现象正是由于非晶态薄膜半导体与晶态半导体材料结构和形式上的差异，使其在电导率、温差电动势、霍尔效应、光学性质和内部能量存储等方面表现出突出的特性。4.5.1半导体材料分类70各种半导体的特征半导体禁带宽度/eV（300K）迁移率/（m2/V.s）（室温）用途，特征epSi1.140.150.05晶体管，二极管，IC，光电池，功率MOSFET，IGBT，晶闸管，太阳电池Ge0.670.450.19晶体管GaAs1.520.970.07微波器件，FET，二极管，霍尔器件，发光二级管，半导体激光器，太阳电池InSb0.237.70.075霍尔器件InAs0.363.30.046霍尔器件InP1.350.460.065C（金刚石）5.50.180.12大功率器件，高输出高频FET，紫外光发光器件，紫外光深测器PbS0.34～0.370.0550.06PbTe0.300.160.075热电冷却FeSi2en0.050.05热点材料，发光二极管，太阳电池0.69(46K)1.3(50K)AgCl3.20.005ZnSe2.690.020.0015可见发光二极管ZnO3.20.018传感器，变阻器SiC2.80.026大功率器件（可高温使用），MOSFETSiGe超高频晶体管4.5.1半导体材料分类714.5.2半导体材料的应用由电压引起电阻变化的现象称为电压电阻（压阻）效应。电压敏电阻是表现出非线性特性的元件，如图4-28所示。有对称形和非对称形压敏电阻，前者是ZnO等制成，后者有Si二极管等。半导体材料大量用于二极管、三极管、大规模集成电路、以及各类传感器等电子元器件领域；还可用于高压电机、电缆、避雷器、电力电子器件等设备1.电压电阻效应及其应用71非线性原因：晶界存在高电阻层势垒，在某一电压下由电子隧道效应和电子雪崩引起电流急增所致。元件制法不同，对应电流突然上升的电压在几伏~几千伏间变动。A、n均是常数。n是2~6越大非线性越大。压敏电阻的电压与电流特性可表示为：724.5.2半导体材料的应用有效地抑制电晕的产生,必须使槽口电场均匀化。目前采用两种办法：一种是采用中间电极(内屏蔽)分压法，另一种是采用电阻调节法。电阻调节法是通过降低线棒表面电阻的办法来达到降低槽口附近电压降的目的,这是采用半导电层解决线棒端部电晕问题的根据。定子线棒——大型高压发电机的重要部件，机械能和电磁能转换的场所，其端部电场十分集中。电压等级的提高，使电场更为集中，易发生局部放电或电晕。电晕，线棒局部温度急剧

、带电粒子高速碰撞和化学损伤

，线棒的使用寿命

，给发电机向大容量方向发展带来障碍。提高线棒的防电晕水平，是大型高压发电机发展的一个关键。72水轮发电机的定子线圈汽轮发电机的定子线圈定子线棒水冷定子线棒截面铜导体主绝缘图4-30端部防晕结构（1-低阻，2-中阻，3-高阻）A.SiC在高压电机防晕中的应用73人们希望得到这样一种材料:其电阻随电场强度的增加而自动降低，从而达到自动调节场强的目的。碳化硅SiC是一种优良的半导体材料，具有良好的非线性电阻特性，其电阻随电场的增加而自动降低，是一种理想的防电晕材料。非线性主要考虑电阻率和场强两个因素，二者符合如下规律:图4-29SiC微粉的非线性特性式中：E为电场强度，

0是未加电场时的电阻率，β为碳化硅的非线性系数，表征碳化硅的电阻随场强提高而下降的能力。碳化硅防晕漆的导电机理还没有统一的认识，一般认为其伏安特性的非线性是由颗粒间的电接触现象引起。4.5.2半导体材料的应用4.5.2半导体材料的应用74

避雷器：能释放雷电或电力系统操作过电压能量，保护电力设备免受瞬时过电压危害；又能截断续流，不致引起系统接地短路的电器装置。广泛使用的MOA阀片是以ZnO为主要成分，其性能取决于ZnO阀片，而ZnO压敏陶瓷的高非线性来自于晶界处形成的肖特基势垒。图ZnO避雷器（1000kV）及晶界势垒模型ZnO晶粒晶界层B.ZnO压敏陶瓷在金属氧化物避雷器中的应用752.热电阻效应及其应用半导体的电阻对温度是敏感的。随温度变化电阻发生很大变化的现象称为热电阻（简称热阻）效应。热阻效应的半导体材料称为热敏电阻。NTC（NegativeTemperatureCoefficient）热敏电阻表现出负电阻温度系数，有由Fe、Ni、Mn等过渡性氧化物和其它金属氧化物经混合一起进行烧结而制成的烧结型，和把过渡金属氧化物混入金属氧化物里进行熔融而制成玻璃体型的两种。用作温度敏感传感器和红外线辐射测温仪。红外线测温仪可以在安全距离测量电力设备等的表面温度，通过检查发热点，在出现导致设备故障的问题之前，进行定期维修或者更换。CTR（criticaltemperatureresistor）热敏电阻在某一温度下，电阻值随温度的增加急剧减小，具有很大的负温度系数，即具有负电阻突变特性。4.5.2半导体材料的应用76PTC热敏电阻表现出正电阻温度系数，分为陶瓷PTC和有机高分子PTC，前者一般是为了提高所含钛酸钡的导电性，在其中添加微量的稀土类元素再进行烧结而制成的n型半导体；后者由经过特殊处理的聚合树脂和分布在其内的导电粒子组成。PTC热敏电阻在居里点附近电阻会急剧增大，表现出正的温度系数。一般把它作为自控温元件而应用。传统的PTC热敏电阻主要应用于高精度温度传感器，应用于限流保护及液晶显示器等智能化仪器仪表。4.5.2半导体材料的应用77电力电子器件：是完成电能转换或控制的元件，在开关电源中已大量应用，通常工作于开关状态，又称为开关器件。电力电子器件种类很多，按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，以及驱动方式，分类如下：不可控器件二极管半控型器件SCR全控型器件

IGBT电力MOSFETGTRGTO晶闸管

电力电子器件电力电子器件电压驱动型电流驱动型电力MOSFETIGBTSCRGTO晶闸管

GTR图4-33电力电子器件的分类4.5.2半导体材料的应用3.硅半导体在电力电子器件中的应用78A.电力MOSFET电力MOSFET是近年发展最快的全控型电力电子器件之一。特点：用栅极电压来控制漏极电流，所需驱动功率小、驱动电路简单；靠多数载流子导电，没有少数载流子导电所需的存储时间，是目前开关速度最高的电力电子器件。小功率电力电子装置中应用最为广泛的器件。a)内部结构示意图b)电气图形符号图4-34电力MOSFET示意图电力MOSFET在导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，属单极型晶体管。与小功率的MOS管不同的是其结构大都采用垂直导电结构，以提高器件的耐压和耐电流能力。现在应用最多的是具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET。电力MOSFET按导电沟道可分为P沟道和N沟道。应用最多的是绝缘栅N沟道增强型。PowerMetal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor4.5.2半导体材料的应用79

MOSFET的输出特性：以栅源电压UGS为参变量反映漏极电流ID与漏极电压UDS间的关系曲线。MOSFET的转移特性：漏极电流ID和栅源电压UGS的关系，反映了输入控制电压与输出电流的关系。图4-35电力MOSFET的转移特性及输出特性MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应。因而关断过程非常迅速，开关时间在10~100ns之间。工作频率可达100kHz以上。导通后呈现电阻性质，在电流较大时的压降较高；器件容量较小，仅适用于小功率装置。4.5.2半导体材料的应用80B.绝缘栅双极型晶体管（IGBT）20世纪80年代出现的IGBT：把MOSFET与GTR复合形成。特点：具有MOSFET的电压型驱动、驱动功率小；GTR饱和压降低、可耐高电压和大电流等。开关频率低于MOSFET，高于GTR（GiantTransistor

）。当前在工业领域应用最广泛的电力电子器件。

图4-36IGBT结构、等效电路和电气符号InsulatedGateBipolarTransistor正向电压下，栅极驱动电压小于阀值时，IGBT的N-层与P-层间的PN结J2反偏，IGBT关断。栅极驱动电压高至阈值电压时，在栅极下P-区中出现导电通道，IGBT开始导通。此时J3处于正偏状态，有大量空穴从P+区注入到N-区域，使载流子浓度大大增加，产生电导调制效应，降低了IGBT的正向压降。4.5.2半导体材料的应用81转移特性：IGBT集电极电流与栅射电压间的关系。输出特性：集电极电流与栅射电压、集射电压之间的关系。图4-37IGBT的转移特性和输出特性从图中可以看出，当栅射电压高于开启电压UGE(th)时，IGBT开始导通，UGE(th)的值一般为2~6V。4.5.2半导体材料的应用

谢谢！83《电气材料基础》第5章导电材料845.1

导电材料分类5.2

导电材料基本性质5.3

常用导电材料5.4

超导材料5.5半导电材料主要内容85

导电材料指允许电流持续流通的材料。

导电过程有三个要素：导电通路本质是材料中的载流子在电场作用下贯穿电极间的定向迁移。导电通路：由材料本征结构和特性决定。导带电子、电子/离子迁移通道等载流子：电子或离子通常以一种类型的电荷载体为主。电场：外界作用。载流子电场5.1导电材料分类86良导体、不良导体及超导体良导体ρ<10–8Ω·m,主要功能:传输电能及电信号，要求在传输过程中能量损失尽可能少。良导体包括银、铜、金和铝。金和银是贵金属，只用于特殊场合，如用于高频的镀银铜线、镀金的印刷线路板等。大量应用铜和铝，铜的导电性能和机械加工性能都优于铝，但它在自然界的蕴藏量远少于铝，因此在一般应用中有以铝代铜的趋势。5.1导电材料分类按电导率大小不良导体ρ>10–8Ω·m，不良导体不宜应用于电能传输与良导体组成复合材料，如铝包钢、不锈钢包铜等，用于增加强度、耐腐蚀、耐高温以及降低价格等；用于能量转换，例如，作为电热丝用的镍铬合金主要用于把电能转换成热能，而制造白炽灯的钨丝、钼丝用于把电能转换成光能；用于信号转换，例如制造热电偶及各种传感器；用于和导电无直接相关的其他目的，如用作磁性材料、导热材料及结构材料等。875.1导电材料分类按导电机理分类（载流子）电子导电材料、离子导电材料和混合型导体。-典型材料的电导率导电类型材料类型电导率/

-1·m-1离子导电离子晶体10-16~10-2快离子导体10-1~103强（液）电解质10-1~103电子导电金属103~107半导体10-3~104绝缘体＜10-10885.1导电材料分类按化学成分分类

金属：银、铜、铝。常见的良导体为金属材料。电导率107~108S/m

合金：黄铜、镍鉻合金。满足其他应用性能要求。如增加强度、耐腐蚀、耐高温、降低价格等。电导率105~107S/m

无机非金属：酸、碱、盐的溶液、熔体，石墨等。电导率范围宽。电导率105~108S/m

种类多，应用广。高分子导电材料：共轭高分子聚合物，聚乙炔、聚苯胺等。电导率范围宽；必须掺杂。Al高电导率材料用于传输电流。高电阻率材料将电能转换成其它能量。895.1

导电材料分类5.2

导电材料基本性质5.3

常用导电材料5.4

超导材料5.5半导电材料主要内容905.2导电材料基本性能5.2.1导电特性金属如何具有导电性？金属中的金属键（金属阳离子和自由电子）金属键的键能低，原子核对电子束缚小电场作用下自由电子的定向迁移，并碰撞晶格发热温度升高：电子热运动加剧，难以定向，电阻率升高。温度降低？？？经典电子理论电子在金属内的运动用波动力学解释——量子力学观点电子沿金属的晶格传播，晶格骨架是障碍电子波传递能量，晶格振动使金属发热温度升高：晶格振动

，晶格的规整性

，电子波的传播阻碍

，电阻率

温度降低：晶格振动

，对电子波的阻碍

91比例系数

v称为体积电阻率用以表征材料的导电特性电阻率的单位

·m。导体的体积电阻R与导体的长度l成正比，与导体的截面积A成反比体积电阻率——材料导电性的表征参数电阻（R）是材料形状、尺寸的函数。电阻率（

v）是材料的固有性质，只与材料的组成结构有关，与材料的尺寸无关。电阻率（

v）是微观水平上阻碍电流流动的度量，微观结构对电阻率有很大影响。5.2.1导电特性表面电阻率单位？92（a）金属；（b）半导体微观结构电阻率随着温度升高而升高——导体的特征。影响金属导电性的因素对于金属导体，杂质元素会引起晶格畸变，造成电子散射，导致电阻率增大。对金属导体材料的冷变形与热处理，均会引起引起金属晶格的变形，导致电阻率增大。空穴、位错、晶粒的界面，都会阻碍电子的运动而使电阻率升高。温度导体中，温度升高使金属原子振动加剧，电子难以定向，电阻率增大。半导体带隙窄，温度升高使得载流子数目增加，导电性增加。93合金元素溶质原子，溶剂原子导致晶格畸变，引起电子散射电阻率增加ρi取决于晶格缺陷的多少，缺陷越多，ρi越大，一般与温度无关；ρT取决于晶格的热振动。

杂质——引起电子散射冷变形——弹性变形，塑性变形

热处理——退火，减少晶格缺陷

表面状态——污染、氧化、水分、腐蚀

在不同电场DC/AC中的导体电阻？94电导率电导率（σ）是电阻率的倒数，表征电流通过材料的难易程度。定义：单位时间内通过单位立方体积的电量。影响电导率的因素：单位体积材料中载流子数目（n）每个载流子的电荷量（q）载流子的迁移率（μ）离子导电材料的电导依赖于离子的运动，带电离子的迁移满足：上述三个因素的乘积就是电导率：σ=nqμ

(单位S/m)普适公式

D：扩散系数k：Boltzmann常数T：绝对温度q：电量Z：离子的价位离子体积大、迁移率低。因此离子导电材料的电导率比金属导体低若干个数量级；离子晶体基本上都是绝缘体。955.2.2导热特性1.热导率（导热系数）

导电材料的热导率是热能在材料内部流动能力的度量

。对于电机、电缆及一些电力设备的热性能计算十分重要。例如：电缆芯线的热导率大，则电缆的温升低，同样截面的金属芯线，热导率大的载流量也大。k=（q/A）/（

T/

d）单位：W/（m·K）或W·m

1·K

1

非金属材料的热导率——声子金属材料的热导率——声子+自由电子金属的杂质、空穴、缺陷影响热导率银：4.1，钢：0.5，玻璃：0.01，聚乙烯：0.00496产生原因：不同金属的自由电子浓度不同，接触时电子向低浓度区扩散，则因得到和失去电子而形成电位差。两物体间距小于0.25nm，出现双电层和接触电位差。2.接触电位差和热电势接触电位差：没有电流的情况下，两种不同物质接触面两侧的电位差，即两种不同的金属互相接触时所产生的电位差。VA、VB为金属A、B的接触电位；NOA、NOB为金属A、B的单位体积的自由电子数；e为电子电荷；k为波尔兹曼常数；T为热力学温度；接触电位差972.接触电位差和热电势热电势与两种金属的性质及接触面的温度有关；而与接触面的大小和接触时间的长短无关。

0.1~几伏，因所处的温度而不同。98抗拉强度和伸长率退火——抗拉强度低，伸长率高未退火——抗拉强度高，伸长率低淬火——改善晶格结构5.2.3力学性能导电材料除了电导率、热导率外，力学性能也起着十分重要的作用。

例如：架空线，其力学性能与电学性能同样重要。架空线要承受很大的拉力，如果抗拉强度不够，就会导致掉线事故，造成重大损失，因此有必要对其力学性能进行评价。导电材料的力学性能表征与电介质材料类似，用应力应变曲线。拉伸强度和伸长率可以用拉伸试验曲线来表示。995.1

导电材料分类5.2

导电材料基本性质5.3

常用导电材料5.4

超导材料5.5半导电材料主要内容1005.3常用导电材料5.3.1铜及铜合金1.铜

导电性好：Ag>Cu>Au>Al>Mg；导热性好：Au>Ag>Cu；化学稳定抗腐蚀：潮湿的空气中其表面可生成Cu2(OH)2CO3，耐海水腐蚀。无磁性，反磁物质：电磁屏蔽机械性能较好：纯铜抗拉强度是245~315MPa塑性好：延展性好，易加工，易焊接来源可靠，冶炼技术发达：天然单质铜、铜矿石（黄铜矿、辉铜矿、斑铜矿、赤铜矿和孔雀石）101

铜的性质和影响因素电阻率：0.017241Ω

mm2/m密度：8.9g/cm3

电导率的相对值：IEC规定在20℃时比重为8.89g/cm3，长1m，截面积为1mm2，电阻为0.017241Ω，电阻温度系数为0.00393的退火软铜，电导率为100%IACS。（标准退火纯铜）电线电缆的导体选用铜含量高于99.90%的纯铜，国际上广泛采用电导率为102%IACS的无氧铜。IACS——InternationalAnnealedCopperStandard。表征金属或合金的导电率。

杂质对铜的影响

电导率：P、As、Al、Fe等——电导率降低机械性能：能溶解于铜，提高强度——Ag、Cd、Zn、Ni

不溶解于铜，使铜变脆——Bi、Pb、O退火：一般在400℃以上，与铜的成分有关（580±20℃）。1022.铜合金以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。银铜合金——有良好的导电性、流动性和浸润性、较好的机械性能、耐磨性和抗熔焊性。镉铜合金——1%的镉，冷拉后具有较高的抗拉强度，制造大跨度架空导线、高强度绝缘导线、滑接导线。稀土铜合金——加入钇，使晶粒细化、改善工艺性能，提高导电性和机械强度，可与银铜合金媲美。3.铜和铜合金的应用电力输送

电线电缆、汇流排、变压器、开关、接插元件和联接器中传导电流。与铝相比，具有导电性和尺寸上的优点。

103电机制造

广泛使用高导电和高强度的铜合金。主要用于定子、转子和轴头等。在大型电机中，绕组要用水或氢气冷却，称为双水内冷或氢气冷却电机，这就需要大长度的中空导线。电机内部的能量消耗，主要来源于绕组的电阻损耗，因此，增大铜线截面是发展高效电机的一个关键措施。电真空器件

高频和超高频发射管、波导管、磁控管等，需要高纯度无氧铜和弥散强化无氧铜。

通讯电缆

相较于光纤电缆，以铜为导体的同轴电缆具有成本低、易于安装、技术标准成熟的优点，在广播电视、有线网络和局域网络中广泛应用。104印刷电路铜箔为表面粘贴在支撑塑料板上，用照相的办法把电路布线图印制在覆铜板上，浸蚀多余部分留下相互连接的电路。把分立元件的接头或其它部分的终端焊接在电路上。集成电路用于集成电路的导电层，连接集成电路中的不同元器件。用铜的新型微芯片，可获得30%的效能增益，电路的线尺寸可以减小到0.12微米，可使在单个芯片上集成的晶体管数目达到200万个。半导体集成电路的发展，为铜的应用开拓了新领域。1055.3.2铝和铝合金1.铝是地壳中含量最丰富的金属元素（7.73%），价格便宜。地壳中的元素含量106泰国国王的表链;来自黏土的白银；门捷列夫的奖杯。拿破仑三世的皇冠1884耗电量：电解铝约为13500度/吨硅铁为8500度/吨电解铜为240度/吨电解铝实验,大幅降低铝的价格原因：还原电位，Cu(-0.34V)

Al(-1.67V)铝的电阻高为保证生产效率需要更高电压电流1075.3.2铝和铝合金用途：纯铝大量用于电缆——架空输电线用钢芯铝绞线、母线、铝护套、电容器中的铝箔电极等。特点：电阻率低，0.029Ω

mm2/m，

比重小，重量轻：2.7g/cm3

导电能力约为铜的2/3，密度为铜的1/3，等质量和等长度的铝线和铜线相比，铝的导电能力约为铜的二倍，且价低。

耐热性好

耐腐蚀性好，Al2O3膜保护

抗拉强度低，70~95MPa

不易焊接1082.铝合金

铝镁合金：（中强度）主要元素是铝，再掺入少量的镁或是其它的金属材料来加强其硬度。质坚量轻、散热性较好、抗压性较强，其硬度是传统塑料的数倍，但重量仅为后者的三分之一。铝镁硅合金：（高强度）用作架空线。3.氧化铝化学性质稳定，绝缘性能优良

机械强度高，耐高温109