武汉理工-材料物理学课件6.ppt

1、1,5.1概述,5.2材料的导电性能,5.4半导体物理,5.3金属电导,5.5 超导物理,2个学时,4个学时,4个学时,第5章 导电物理,2个学时,10个学时,2,5.2材料的导电性能,5.2.1能带结构,5.2.3导电材料与电阻材料,5.2.4其他材料的导电性能,3,根据原子结构理论，每个电子都占有一个分立的能级。泡利（Pauli）不相容原理指出，每个能级只能容纳2个电子。,4,当N个原子相互靠近形成一个固体时，泡利不相容原理仍然成立，即在整个固体中，也只能有2个电子占据相同的能级。当这两个原子的距离足够近时，它们的2s轨道的电子就会相互作用，以致不能再维持在相同的能级。当固体中有N个原子，

2、这N个原子的2s轨道的电子都会相互影响。这时就必须出现N个不同的分立能级来安排所有这些2s轨道的电子（这些电子共有2N个）。2s轨道的N个分立的能级组合在一起，成为2s的能带。,5,图5.1电子数量增加时能级扩展成能带,6,图5.2钠的能带结构,导带,禁带,7,由于钠只有1个3s电子，所以在3s价带上，只有一半的能级被电子所占据。自然，这些被电子占据的能级应该是能量较低的能级，而3s价带中能量较高的处于上方的能级很少有电子占据。当温度为绝对零度时，只有下面一半的能级被电子占据，上面一半的能级没有电子占据。能带中有一半的能级被电子占据的能级称为费密能级。而当温度大于绝对零度时，有一些电子获得了能

3、量，跳到价带里的较高能级，而在相对应的较低的能级上失去了电子，产生了相同数量的空穴。,8,图5.3能带中电子随温度升高而进行能级跃迁 绝对零度时,所有外层电子占据低的能级; 温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级,9,镁原子的核外电子结构为1s22s22p63s2。像镁这样的周期表A族元素的最外层3s轨道有2个电子，所以按理说它的3s能带就会被电子全部占满。 但是，由于固体镁的3p能带与3s能带有重叠，这种重叠使得电子能够激发到3s和3p的重叠能带里的高能级，所以镁具有导电性。,10,能带重叠现象,图5.4镁的能带结构,11,从钪到镍的过渡族金属中，未被电子充满的3d能带和4s能带发生重叠

4、。这种重叠使得电子能够被激发到高能量的能级。能带之间的复杂的相互作用使得这些金属的导电性不够理想。但铜是一个例外。铜中的内层3d能带已经被电子充满，这些电子被原子紧紧束缚，不能与4s能带相互作用。由于铜中的3d能带和4s能带之间基本没有相互作用，所以铜的导电性非常好。银和金的情况与铜类似。,12,周期表A族元素，如碳、硅、锗、锡，在最外层p轨道有2个电子，化合价为4。根据前面的讨论，因为这些元素的p能带没有被电子充满，似乎应该具有良好的导电性。但实际情况却不是这样。这些元素都是以共价键结合的，最外层的s能带电子和p能带电子都被原子紧紧束缚。共价键使能带结构发生比较复杂的变化，即杂化现象。,13

5、,图5.5金刚石中碳的能带结构,14,在金刚石的价带和导带之间有一个较大的禁带Eg。很少有电子具有足够的能量，能够从价带跃迁到导带去。所以金刚石的电导率很低。,提高温度或者施加高电压，可以使价带的电子获得能量，跃迁到导带。例如，氮化硼的室温的电导率为10-13-1cm-1，温度升到800时则为10-4-1cm-1。,15,虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似，但这些材料的禁带宽度Eg 较小。实际上，锡的禁带宽度小得使它具有类似导体的导电性。而禁带宽度Eg稍大一点的锗和硅成了典型的半导体。,绝缘体的能带结构与半导体相似，价带上都排满了电子，而导带上则没有电子。不同之处在于，许多半导体的禁带宽度为

6、 0.4 0.5 eV，而绝缘体的禁带宽度则为 4 5 eV。不过，并没有一个严格的禁带宽度数值以截然区别半导体和绝缘体。,16,表5.2一些材料的禁带宽度Eg（eV）,17,5.2.3导电材料与电阻材料,导电材料是以传送电流为主要目的的材料。对于像电力工业这样的强电应用的导电材料，主要有铜、铝及其合金。而像电子工业这样的弱电应用的导电材料则除了铜、铝之外，还常用金、银等。,18,电阻材料的主要目的是给电路提供一定的电阻。作为精密电阻材料的以铜镍合金为代表，如康铜（Cu-40%Ni-1.5%Mn）。铜镍合金的电阻率随着成分的变化而连续变化，在含镍为40wt%左右具有最大的电阻率、最小的温度系数

7、、最大的热电势。,19,电热合金的使用温度非常高。对于使用温度为9001350的电热合金，常用镍铬合金。当使用温度更高时，一般的电热合金不是会发生熔化，就是会发生氧化。此时需要采用陶瓷电热材料。常见的陶瓷电热材料有碳化硅（SiC）、二硅化钼（MoSi2）、铬酸镧（LaCrO3）和二氧化锡（SnO2）等。,20,5.2.4其他材料的导电性能,离子材料中的导电性往往需要通过离子的迁移来实现，因为这类材料中的禁带宽度较大，电子难以跃迁到导带。所以大多数的离子材料是绝缘体。如果在离子材料中引入杂质或空位，能够促进离子的扩散，改善材料的导电性。当然，高温也能促进离子扩散，进而改善导电性。,21,高分子材料中的电子都是共价键结合的，所以高