物性講義(電學(xué)1)-導(dǎo)體-半導(dǎo)體-絕緣體

1、主講教員：劉呈燕 博士桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為什么要學(xué)材料物理 材料的應(yīng)用大都基于其物理現(xiàn)象、物理效應(yīng)。 是對(duì)物理現(xiàn)象與本質(zhì)、微觀機(jī)制的探討，從而指導(dǎo)工程實(shí)踐。 有助于更好地研究材料的物理性能及使用性能，更好地選材、用材。 隨著新材料產(chǎn)業(yè)與信息時(shí)代的飛速發(fā)展，對(duì)材料提出了更高的要求，因此，對(duì)材料的物理性能的學(xué)習(xí)與研究顯得更加重要。 使用教材：使用教材：n邱成軍等邱成軍等 主編主編材料物理性能材料物理性能，哈爾濱，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，工業(yè)大學(xué)出版社，2003。參考書目：1. 馬向東,王振廷.材料物理性能.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2002.2. 田蒔,材

2、料物理性能.北京航空航天大學(xué)出版社,20013. 關(guān)振鐸,張中太,焦金生.無(wú)機(jī)材料物理性能.清華大學(xué)出版社,1998.主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排1、材料的電學(xué)性能、材料的電學(xué)性能 20學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)2、材料的磁學(xué)性能、材料的磁學(xué)性能 16學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)3、材料的光學(xué)性能、材料的光學(xué)性能 12學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)注意事項(xiàng)注意事項(xiàng) 期末成績(jī)考評(píng)辦法：平時(shí)成績(jī)占期末成績(jī)考評(píng)辦法：平時(shí)成績(jī)占30%，考核，考核70%。n作業(yè)缺交作業(yè)缺交1次平時(shí)成績(jī)扣次平時(shí)成績(jī)扣6分，缺交分，缺交2次以上平時(shí)成次以上平時(shí)成績(jī)?yōu)榭?jī)?yōu)?分。分。n曠課曠課1次平時(shí)成績(jī)扣次平時(shí)成績(jī)扣5分，曠課分，曠課3次以上平時(shí)成績(jī)?yōu)榇我陨掀綍r(shí)成績(jī)?yōu)?分。分。第一章第一章 材

3、料的電學(xué)性能材料的電學(xué)性能 導(dǎo)電性總論 金屬及合金的電學(xué)性能 半導(dǎo)體的電學(xué)性能 絕緣體的電學(xué)性能 超導(dǎo)體的電學(xué)性能 接觸電性 熱電性三大熱電效應(yīng)1.1 1.1 固體的導(dǎo)電性和晶體能帶固體的導(dǎo)電性和晶體能帶物質(zhì)三態(tài)物質(zhì)三態(tài)氣態(tài)氣態(tài)液態(tài)液態(tài)固態(tài)固態(tài)大多數(shù)氣體是不導(dǎo)電大多數(shù)氣體是不導(dǎo)電多數(shù)液態(tài)物質(zhì)均是導(dǎo)電多數(shù)液態(tài)物質(zhì)均是導(dǎo)電導(dǎo)電導(dǎo)電性具性具有復(fù)有復(fù)雜性雜性絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體普通塑料、木材、橡膠普通塑料、木材、橡膠硅、鍺硅、鍺 金金 屬屬一、基本現(xiàn)象一、基本現(xiàn)象 不同材料的電阻率（不同材料的電阻率（ 或電導(dǎo)率或電導(dǎo)率 1）：）：導(dǎo)導(dǎo) 體：體： =106108 s/m Cu: r =10r

4、 =10-8-8 絕緣體：絕緣體： =10-2010 9 s/m 金剛石金剛石r =10r =101212 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體： =10 9105s/m Si:Si:r =10r =103 3 LRS=r物質(zhì)物質(zhì)導(dǎo)電導(dǎo)電性的性的表征表征電阻率（電阻率（）材料固有的特征值材料固有的特征值iEr=i：電流密度，電流密度， ：電阻率，：電阻率，E：電場(chǎng)強(qiáng)度：電場(chǎng)強(qiáng)度 導(dǎo)體和非導(dǎo)體的區(qū)別半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別(a)金屬：滿帶、空帶和未滿帶； (b) 絕緣體：滿帶和空帶，禁帶寬度Eg比較大； (c) 半導(dǎo)體：滿帶和空帶，禁帶寬度很小；(d) 半金屬：滿帶和空帶，無(wú)禁帶寬度有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞：有關(guān)能帶

5、被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞： 1滿帶（排滿電子）滿帶（排滿電子） 2價(jià)帶（排滿電子或部分排滿電子）價(jià)帶（排滿電子或部分排滿電子） 3導(dǎo)帶（未排電子）導(dǎo)帶（未排電子） 4禁帶（不能排電子）禁帶（不能排電子） 它們的導(dǎo)電性能不同，它們的導(dǎo)電性能不同， 是因?yàn)樗鼈兊哪軒且驗(yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。結(jié)構(gòu)不同。晶體按導(dǎo)電性能的高低可以分為晶體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體絕緣體 在外電場(chǎng)的作用下，大量共有化電子很在外電場(chǎng)的作用下，大量共有化電子很 易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。從能級(jí)圖上來(lái)看，從能級(jí)圖上來(lái)看，是因?yàn)槠涔灿谢娮邮且驗(yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍?/p>

6、級(jí)躍遷到高能級(jí)上去。很易從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上去。E導(dǎo)體導(dǎo)體從能級(jí)圖上來(lái)看，是因?yàn)闈M帶與空帶之間從能級(jí)圖上來(lái)看，是因?yàn)闈M帶與空帶之間有一個(gè)有一個(gè)較寬的禁帶較寬的禁帶（ Eg 約約36 eV），），共有化電子很難從低能級(jí)（滿帶）躍遷到共有化電子很難從低能級(jí)（滿帶）躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。高能級(jí)（空帶）上去。 在外電場(chǎng)的作用下，共有化電子很難接在外電場(chǎng)的作用下，共有化電子很難接 受外電場(chǎng)的能量，所以形不成電流。受外電場(chǎng)的能量，所以形不成電流。 的能帶結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu),滿帶與空帶之間也是禁帶，滿帶與空帶之間也是禁帶， 但是但是禁帶很窄禁帶很窄（ E g 約約0.12 eV )。絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)

7、體三、導(dǎo)電性的表征參數(shù)三、導(dǎo)電性的表征參數(shù)1.1.電阻電阻R R與電阻率與電阻率2.2.電導(dǎo)與電導(dǎo)率電導(dǎo)與電導(dǎo)率：電阻率的倒數(shù)，電導(dǎo)率越：電阻率的倒數(shù)，電導(dǎo)率越大，材料導(dǎo)電性越好。大，材料導(dǎo)電性越好。3.3.導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體 導(dǎo)導(dǎo) 體：體： 10 10 。 純金屬純金屬：10 10 10 10 合金合金：10 10 10 10 。 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：在在10 10 10 10 。 絕緣體：絕緣體：10 10 。5m87m75m39m9mRUI =SLR/r=一、金屬的導(dǎo)電機(jī)制與馬基申定則一、金屬的導(dǎo)電機(jī)制與馬基申定則 用量子電子理論和能帶理論可導(dǎo)出所有材料的電用量子電子理

8、論和能帶理論可導(dǎo)出所有材料的電導(dǎo)率：導(dǎo)率： 此式完整地反應(yīng)了晶體導(dǎo)電的物理本質(zhì)。此式完整地反應(yīng)了晶體導(dǎo)電的物理本質(zhì)。 量子力學(xué)可以證明，當(dāng)電子波在絕對(duì)零度下通過(guò)量子力學(xué)可以證明，當(dāng)電子波在絕對(duì)零度下通過(guò)一個(gè)一個(gè)理想的晶體點(diǎn)陣?yán)硐氲木w點(diǎn)陣時(shí)，它將不會(huì)受到散射而無(wú)阻礙時(shí)，它將不會(huì)受到散射而無(wú)阻礙地傳播，即地傳播，即 無(wú)窮大，這時(shí)無(wú)窮大，這時(shí)0 0，而，而為無(wú)窮大，即為無(wú)窮大，即此時(shí)的材料是一個(gè)理想的導(dǎo)體。此時(shí)的材料是一個(gè)理想的導(dǎo)體。1.2 1.2 金屬的導(dǎo)電性金屬的導(dǎo)電性碰撞時(shí)間間隔）(L=L=men22在晶體點(diǎn)陣的在晶體點(diǎn)陣的完整性完整性及由于晶體點(diǎn)陣離子的及由于晶體點(diǎn)陣離子的熱振動(dòng)熱振動(dòng)，晶

9、體中的，晶體中的異類原子、位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷等異類原子、位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷等使晶體點(diǎn)陣的使晶體點(diǎn)陣的周期性遭到破壞周期性遭到破壞，電，電子波就會(huì)受到散射，子波就會(huì)受到散射， 減小，從而產(chǎn)生了阻礙作用，降低導(dǎo)電減小，從而產(chǎn)生了阻礙作用，降低導(dǎo)電性，這就是性，這就是材料產(chǎn)生電阻的本質(zhì)材料產(chǎn)生電阻的本質(zhì)所在。所在。 令令 為散射系數(shù)，可導(dǎo)出：為散射系數(shù)，可導(dǎo)出： 即材料的電阻與散射系數(shù)成正比。即材料的電阻與散射系數(shù)成正比。 金屬電阻隨溫度升高而升高原因：金屬電阻隨溫度升高而升高原因： 金屬材料隨溫度升高，離子熱振動(dòng)的振幅增大，電金屬材料隨溫度升高，離子熱振動(dòng)的振幅增大，電子就愈易受到散射，可認(rèn)為子就愈易受到散射

10、，可認(rèn)為與溫度成正比，則與溫度成正比，則也也與溫度成正比。與溫度成正比。r22/ 1enm=L/1=L 由于實(shí)際的晶體并非理想，會(huì)有雜質(zhì)和缺陷。因此，傳導(dǎo)電由于實(shí)際的晶體并非理想，會(huì)有雜質(zhì)和缺陷。因此，傳導(dǎo)電子的散射發(fā)生在子的散射發(fā)生在電子電子- -聲子、電子聲子、電子- -雜質(zhì)以及其它點(diǎn)陣靜態(tài)缺陷相雜質(zhì)以及其它點(diǎn)陣靜態(tài)缺陷相互互相碰撞的時(shí)候。相碰撞的時(shí)候。 金屬電阻包括：金屬電阻包括： （1 1）基本電阻）基本電阻(T)(T) ：對(duì)應(yīng)聲子散射和電子散：對(duì)應(yīng)聲子散射和電子散射兩機(jī)制，由射兩機(jī)制，由熱振動(dòng)熱振動(dòng)產(chǎn)生，與溫度有關(guān)，產(chǎn)生，與溫度有關(guān)，0K時(shí)時(shí)為為0。純金屬電阻率。純金屬電阻率。 （2

11、）殘余電阻）殘余電阻殘殘 ：對(duì)應(yīng)電子在：對(duì)應(yīng)電子在雜質(zhì)和缺陷雜質(zhì)和缺陷上的散射機(jī)制，上的散射機(jī)制， 0K時(shí)金屬的電阻時(shí)金屬的電阻。反應(yīng)了金屬。反應(yīng)了金屬的純度和完整性。的純度和完整性。 馬基申定律馬基申定律 馬基申等人把固溶體電阻率看成由金屬基本電阻率馬基申等人把固溶體電阻率看成由金屬基本電阻率(T)(T)和殘余電阻和殘余電阻殘殘組成。組成。 即即（T T）殘殘 稱稱為為馬基申定律馬基申定律。 問(wèn)題：馬基申定律忽略了電子各種散射機(jī)制間的交互問(wèn)題：馬基申定律忽略了電子各種散射機(jī)制間的交互作用，但簡(jiǎn)明描述了合金的導(dǎo)電性，并對(duì)于作用，但簡(jiǎn)明描述了合金的導(dǎo)電性，并對(duì)于低濃度固溶體低濃度固溶體與實(shí)驗(yàn)事實(shí)

12、符合的很好與實(shí)驗(yàn)事實(shí)符合的很好。 根據(jù)馬基申定律根據(jù)馬基申定律，在高溫時(shí)金屬的電阻率基本上取決，在高溫時(shí)金屬的電阻率基本上取決于于(T)(T) ，而在低溫時(shí)取決于，而在低溫時(shí)取決于殘殘。既然。既然殘殘是電子在雜是電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射引起的，質(zhì)和缺陷上的散射引起的，那么那么殘殘的大小就可以用來(lái)評(píng)的大小就可以用來(lái)評(píng)定金屬的電學(xué)純度定金屬的電學(xué)純度。 考慮到考慮到殘測(cè)量困難，實(shí)際上常采用殘測(cè)量困難，實(shí)際上常采用相對(duì)電阻率相對(duì)電阻率(300K)/ (4.2K)的大小來(lái)評(píng)定金屬的的大小來(lái)評(píng)定金屬的電學(xué)純度電學(xué)純度。晶體越純、越完善，相對(duì)電阻率越晶體越純、越完善，相對(duì)電阻率越大大。許多完整的金屬單晶相

13、對(duì)電阻率可高達(dá)。許多完整的金屬單晶相對(duì)電阻率可高達(dá)20000。 二、影響金屬導(dǎo)電性的因素二、影響金屬導(dǎo)電性的因素 主要因素：溫度，受力情況，冷加工，晶體缺陷，主要因素：溫度，受力情況，冷加工，晶體缺陷，熱處理，幾何尺寸效應(yīng)，電阻率各向異性。熱處理，幾何尺寸效應(yīng)，電阻率各向異性。 1.1. 溫度溫度 加熱時(shí)發(fā)生點(diǎn)陣熱振動(dòng)和振幅的變化，出現(xiàn)相變、加熱時(shí)發(fā)生點(diǎn)陣熱振動(dòng)和振幅的變化，出現(xiàn)相變、回復(fù)、空位、再結(jié)晶以及合金相成分和組織的變化，回復(fù)、空位、再結(jié)晶以及合金相成分和組織的變化，這些現(xiàn)象對(duì)電阻的變化有重要影響。這些現(xiàn)象對(duì)電阻的變化有重要影響。 測(cè)量測(cè)量電阻與溫度電阻與溫度的關(guān)系是研究這些現(xiàn)象和過(guò)程

14、的一的關(guān)系是研究這些現(xiàn)象和過(guò)程的一個(gè)重要方法。對(duì)于簡(jiǎn)單金屬，情況如下。個(gè)重要方法。對(duì)于簡(jiǎn)單金屬，情況如下。 (1)(1)一般規(guī)律（指一般金屬的規(guī)律）一般規(guī)律（指一般金屬的規(guī)律） 在絕對(duì)零度下，純凈又無(wú)缺陷的金屬，電阻率等于在絕對(duì)零度下，純凈又無(wú)缺陷的金屬，電阻率等于零。隨溫度的升高金屬電阻率增加。理想晶體的電阻零。隨溫度的升高金屬電阻率增加。理想晶體的電阻率是溫度的單值函數(shù)，若晶體中存在雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，率是溫度的單值函數(shù)，若晶體中存在雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，那么電阻率與溫度的關(guān)系曲線將發(fā)生變化。那么電阻率與溫度的關(guān)系曲線將發(fā)生變化。 (T)(T)與與D D 之間的關(guān)系之間的關(guān)系 (T)(T)在在D D

15、 以上和以下與溫度有不同的函數(shù)以上和以下與溫度有不同的函數(shù)關(guān)系：（關(guān)系：（電子聲子散射電子聲子散射） T D D 時(shí)：時(shí)： 電子電子- -電子電子 T D D時(shí)：時(shí)： 電子電子-聲子聲子 因此，當(dāng)研制具有一定電阻值和電阻溫度系數(shù)因此，當(dāng)研制具有一定電阻值和電阻溫度系數(shù)值的材料時(shí)，知道金屬在哪個(gè)溫區(qū)工作，怎樣控制值的材料時(shí)，知道金屬在哪個(gè)溫區(qū)工作，怎樣控制和發(fā)揮其性能非常重要。和發(fā)揮其性能非常重要。)/()()(DDTTrr5)/()()(DDTTrr在室溫和更高一些的溫度下在室溫和更高一些的溫度下( (T T 2/3D D ）：）： 對(duì)于正常元素，出現(xiàn)電阻溫度線性關(guān)系及對(duì)于正常元素，出現(xiàn)電阻溫

16、度線性關(guān)系及電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) 過(guò)渡族以外的金屬過(guò)渡族以外的金屬 441010-3-3-1-1過(guò)渡族金屬特別是磁性金屬過(guò)渡族金屬特別是磁性金屬較大，如鐵的較大，如鐵的6 61010-3-3性能見圖性能見圖2.42.4低溫時(shí)低溫時(shí) 電阻主要來(lái)源于電阻主要來(lái)源于“電子電子電子電子”散射，電阻與溫度散射，電阻與溫度的平方成正比。的平方成正比。高溫時(shí)，增加1.52倍，金屬原子規(guī)則排列遭到破壞，電子散射增加所致；也有例外，如Sb金屬。)1 (0TTrr=2普通非過(guò)渡族金屬的電阻與溫度的關(guān)系如下：普通非過(guò)渡族金屬的電阻與溫度的關(guān)系如下： (2)(2)過(guò)渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變過(guò)渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變 過(guò)渡

17、族金屬電阻與溫度間有著復(fù)雜的關(guān)系。過(guò)渡族金屬電阻與溫度間有著復(fù)雜的關(guān)系。 原因：在過(guò)渡族金屬中原因：在過(guò)渡族金屬中存在著不同的載體存在著不同的載體，傳導(dǎo)電子有可能從，傳導(dǎo)電子有可能從s-s-殼層向殼層向d-d-殼層過(guò)渡，可能對(duì)電阻帶來(lái)明顯的影響。殼層過(guò)渡，可能對(duì)電阻帶來(lái)明顯的影響。 另外，在另外，在T T D D 時(shí)，時(shí)，s s態(tài)電子在態(tài)電子在d d態(tài)電子上的散射將變得很態(tài)電子上的散射將變得很可觀?？捎^。 多晶型金屬多晶型金屬 由于不同結(jié)構(gòu)，電阻溫度系數(shù)變化顯著，由于不同結(jié)構(gòu)，電阻溫度系數(shù)變化顯著，T T曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折。曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折。轉(zhuǎn)折原因轉(zhuǎn)折原因：s-s-殼層基殼層基本被填滿，且其中電本被填

18、滿，且其中電流的載體是空穴；而流的載體是空穴；而在在d-d-殼層中卻是電子。殼層中卻是電子。(3)(3)鐵磁金屬的電阻溫度關(guān)系反常鐵磁金屬的電阻溫度關(guān)系反常 鐵磁性金屬的電阻溫度系數(shù)，在居里點(diǎn)附近出現(xiàn)極大值。居里鐵磁性金屬的電阻溫度系數(shù)，在居里點(diǎn)附近出現(xiàn)極大值。居里點(diǎn)溫度以下，隨著溫度的升高點(diǎn)溫度以下，隨著溫度的升高增大，居里點(diǎn)溫度以上，隨著溫度增大，居里點(diǎn)溫度以上，隨著溫度的升高的升高急劇減小。急劇減小。 此現(xiàn)象在許多儀器制造中被用來(lái)獲得電阻溫度系數(shù)很高的合金。此現(xiàn)象在許多儀器制造中被用來(lái)獲得電阻溫度系數(shù)很高的合金。2. 2. 受力情況受力情況（1 1）拉力）拉力 在彈性范圍內(nèi)單向拉伸或扭轉(zhuǎn)

19、應(yīng)力能提高金屬的在彈性范圍內(nèi)單向拉伸或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力能提高金屬的，并，并有有（2 2）外界氣壓壓力）外界氣壓壓力 對(duì)大多數(shù)金屬來(lái)說(shuō)，在受壓力情況下電阻率降低。對(duì)大多數(shù)金屬來(lái)說(shuō)，在受壓力情況下電阻率降低。 原因原因：金屬在壓力的作用下其原子間距縮小，內(nèi)部缺：金屬在壓力的作用下其原子間距縮小，內(nèi)部缺陷的形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)、費(fèi)米面和能帶結(jié)構(gòu)以及電子散射機(jī)陷的形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)、費(fèi)米面和能帶結(jié)構(gòu)以及電子散射機(jī)制等都將生變化，引起金屬的導(dǎo)電性能變化。尤其對(duì)過(guò)渡制等都將生變化，引起金屬的導(dǎo)電性能變化。尤其對(duì)過(guò)渡族金屬，由于其內(nèi)部存在著具有能量差別不大的未填滿電族金屬，由于其內(nèi)部存在著具有能量差別不大的未填滿電子的殼層，

20、在壓力的作用下，子的殼層，在壓力的作用下，有可能使外殼層電子轉(zhuǎn)移到有可能使外殼層電子轉(zhuǎn)移到未填滿的內(nèi)殼層未填滿的內(nèi)殼層，這就必然會(huì)表現(xiàn)出性能的變化。，這就必然會(huì)表現(xiàn)出性能的變化。 )1 (0rr=)1 (0prr= 人們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)人們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)幾乎所有純?cè)仉S溫度的變化電阻幾乎所有純?cè)仉S溫度的變化電阻壓力系數(shù)幾乎不變壓力系數(shù)幾乎不變, ,說(shuō)明電阻壓力系數(shù)與溫度無(wú)關(guān)。說(shuō)明電阻壓力系數(shù)與溫度無(wú)關(guān)。 壓力對(duì)電阻的影響，金屬可分為兩類：壓力對(duì)電阻的影響，金屬可分為兩類：正常金屬元素正常金屬元素電阻率隨壓力增大而下降；（見電阻率隨壓力增大而下降；（見P60P60圖圖2.92.9（a and b).

21、a and b).反常金屬元素反常金屬元素：堿金屬、堿土金屬、稀土金屬和第：堿金屬、堿土金屬、稀土金屬和第V V族的半金屬，它們有正的電阻壓力系數(shù)，但隨壓力族的半金屬，它們有正的電阻壓力系數(shù)，但隨壓力升高一定值后系數(shù)變號(hào)，研究表明，這種反?，F(xiàn)象升高一定值后系數(shù)變號(hào)，研究表明，這種反?，F(xiàn)象和壓力作用下的和壓力作用下的相變有關(guān)相變有關(guān)。見圖。見圖2.92.9（c c）。）。 高壓力還能導(dǎo)致物質(zhì)的金屬化，高壓力還能導(dǎo)致物質(zhì)的金屬化，引起導(dǎo)電類型引起導(dǎo)電類型的變化，而且有助于從絕緣體的變化，而且有助于從絕緣體- -半導(dǎo)體半導(dǎo)體- -金屬金屬- -超導(dǎo)體超導(dǎo)體的某種轉(zhuǎn)變。的某種轉(zhuǎn)變。高壓力能導(dǎo)致物質(zhì)的金

22、屬化見高壓力能導(dǎo)致物質(zhì)的金屬化見P60 表表2.1冷加工（詳細(xì)見冷加工（詳細(xì)見材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)）：）：通常指金屬的切削加工，即用切削工具從金屬材料（毛坯）或工件上切除多余的金屬層，從而使工件獲得具有一定形狀、尺寸精度和表面粗糙度的加工方法。如車削、鉆削、銑削、刨削、磨削、拉削等。在金屬工藝學(xué)中，與熱加工相對(duì)應(yīng)，冷加工則指在低于再結(jié)晶溫度下使金屬產(chǎn)生塑性變形的加工工藝，如冷軋、冷拔、冷鍛、沖壓、冷擠壓等。 3. 冷加工冷加工 一般一般冷加工變形使金屬（如冷加工變形使金屬（如 Fe、Cu、Ag、Al等）的等）的電阻率增加電阻率增加2-6；W、Mo、Sn等等可分別增加為可分別增加為3050、

23、1520、90 ；一般單相固溶體一般單相固溶體經(jīng)冷加工后，經(jīng)冷加工后，電阻可增加電阻可增加1020，而，而有序固溶體有序固溶體則增加則增加100甚至甚至更高。更高。 也有相反的情況也有相反的情況，如鎳，如鎳-鉻、鎳鉻、鎳-銅銅-鋅、鐵鋅、鐵-鉻鉻-鋁等合鋁等合金則冷加工變形將使電阻降低。金則冷加工變形將使電阻降低。 金屬經(jīng)塑性形變電阻率增大的原因金屬經(jīng)塑性形變電阻率增大的原因：冷加工使晶體點(diǎn)：冷加工使晶體點(diǎn)陣發(fā)生畸變和缺陷，從而增加了電子散射的幾率。同時(shí)冷陣發(fā)生畸變和缺陷，從而增加了電子散射的幾率。同時(shí)冷加工也會(huì)引起金屬原子間結(jié)合鍵的變化，導(dǎo)致原子間距的加工也會(huì)引起金屬原子間結(jié)合鍵的變化，導(dǎo)致

24、原子間距的改變。改變。 在在0K時(shí)，冷加工的金屬仍保留有某極限電阻率，稱之時(shí)，冷加工的金屬仍保留有某極限電阻率，稱之為殘余電阻率。實(shí)驗(yàn)證明，此部分電阻率與溫度無(wú)關(guān)。為殘余電阻率。實(shí)驗(yàn)證明，此部分電阻率與溫度無(wú)關(guān)。4. 4. 晶體缺陷晶體缺陷 空位、位錯(cuò)、間隙原子及它們的組合等晶體缺陷使空位、位錯(cuò)、間隙原子及它們的組合等晶體缺陷使金屬電阻率增加。金屬電阻率增加。 根據(jù)馬基申定律，在極低溫度下，純金屬電阻率主根據(jù)馬基申定律，在極低溫度下，純金屬電阻率主要由其內(nèi)部缺陷決定。研究晶體缺陷對(duì)電阻率的影響，要由其內(nèi)部缺陷決定。研究晶體缺陷對(duì)電阻率的影響，對(duì)于估價(jià)單晶體結(jié)構(gòu)完整性有重要意義。掌握這些缺對(duì)于估

25、價(jià)單晶體結(jié)構(gòu)完整性有重要意義。掌握這些缺陷對(duì)電阻的影響，可以研制具有一定電阻值的金屬。陷對(duì)電阻的影響，可以研制具有一定電阻值的金屬。半導(dǎo)體單晶體的電阻值就是根據(jù)這個(gè)原則進(jìn)行人為控半導(dǎo)體單晶體的電阻值就是根據(jù)這個(gè)原則進(jìn)行人為控制的。不同類型的晶體缺陷對(duì)金屬電阻的影響程度不制的。不同類型的晶體缺陷對(duì)金屬電阻的影響程度不同（見同（見P62P62表表2.22.2）。）。 通常，分別用通常，分別用1 1原子空位濃度或原子空位濃度或1 1原子間隙原子、原子間隙原子、單位體積中位錯(cuò)線的單位長(zhǎng)度、單位體積中晶界的單單位體積中位錯(cuò)線的單位長(zhǎng)度、單位體積中晶界的單位面積所引起的電阻率變化來(lái)表征點(diǎn)缺陷、線缺陷、位面

26、積所引起的電阻率變化來(lái)表征點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷對(duì)金屬電阻的影響。面缺陷對(duì)金屬電阻的影響。5. 5. 熱處理熱處理 金屬冷加工形變后再進(jìn)行金屬冷加工形變后再進(jìn)行退火退火，可，可使電阻降使電阻降低低，尤其當(dāng)退火溫度接近再結(jié)晶溫度時(shí)，電阻，尤其當(dāng)退火溫度接近再結(jié)晶溫度時(shí)，電阻可恢復(fù)到接近冷加工前的水平（見可恢復(fù)到接近冷加工前的水平（見P62P62圖圖2.112.11） 。 但當(dāng)?shù)?dāng)退火溫度高過(guò)再結(jié)晶溫度退火溫度高過(guò)再結(jié)晶溫度時(shí)，時(shí)，電阻反又電阻反又增大增大，原因是再結(jié)晶后新晶粒的晶界阻礙了電，原因是再結(jié)晶后新晶粒的晶界阻礙了電子運(yùn)動(dòng)。子運(yùn)動(dòng)。 淬火淬火能夠固定金屬在高溫時(shí)空位的濃度，從能夠固定金屬

27、在高溫時(shí)空位的濃度，從而產(chǎn)生殘余電阻。淬火溫度愈高空位濃度愈高，而產(chǎn)生殘余電阻。淬火溫度愈高空位濃度愈高，則殘余電阻率就越大。則殘余電阻率就越大。 6. 6. 幾何尺寸效應(yīng)幾何尺寸效應(yīng) 當(dāng)導(dǎo)電電子的自由程同試樣尺寸是同一數(shù)量當(dāng)導(dǎo)電電子的自由程同試樣尺寸是同一數(shù)量級(jí)時(shí)，將產(chǎn)生顯著的級(jí)時(shí)，將產(chǎn)生顯著的“尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)”，電阻率隨試，電阻率隨試樣尺寸減小而顯著增大。這一現(xiàn)象對(duì)研究和測(cè)試樣尺寸減小而顯著增大。這一現(xiàn)象對(duì)研究和測(cè)試金屬薄膜和細(xì)絲材料（厚度金屬薄膜和細(xì)絲材料（厚度 l l 10nm10nm）的電阻）的電阻非常重要。非常重要。 在低溫下，隨金屬純度的提高，樣品尺寸對(duì)在低溫下，隨金屬純度的提

28、高，樣品尺寸對(duì)電阻的影響更加明顯。因?yàn)榇藭r(shí)導(dǎo)電電子自由程電阻的影響更加明顯。因?yàn)榇藭r(shí)導(dǎo)電電子自由程超過(guò)了原子間距（超過(guò)了原子間距（42K42K時(shí)純金屬電子自由程達(dá)幾時(shí)純金屬電子自由程達(dá)幾毫米），這樣電子在試樣表面的散射就構(gòu)成了新毫米），這樣電子在試樣表面的散射就構(gòu)成了新的附加電阻。的附加電阻。薄膜厚度對(duì)電阻的影響薄膜厚度對(duì)電阻的影響P63P63圖圖2.12.2.12.7. 7. 電阻率的各向異性電阻率的各向異性 一般在立方晶系中金屬的電阻表現(xiàn)為各向同一般在立方晶系中金屬的電阻表現(xiàn)為各向同性。但在對(duì)稱性較差的六方、四方、斜方晶系中，性。但在對(duì)稱性較差的六方、四方、斜方晶系中，導(dǎo)電性表現(xiàn)為各向異性

29、。導(dǎo)電性表現(xiàn)為各向異性。 其規(guī)律太復(fù)雜，難于總結(jié)清楚。其規(guī)律太復(fù)雜，難于總結(jié)清楚。一些金屬電一些金屬電阻的各向異性阻的各向異性P63P63表表2.3.2.3. 1.固溶體的導(dǎo)電性 雙組元固溶體雙組元固溶體的電阻與組元濃度的關(guān)系見P64圖2.13. 與純組元相比，合金的導(dǎo)電性降低了。 原因：（1）晶體點(diǎn)陣畸變；（2）雜質(zhì)對(duì)理想晶體的破壞；（3）影響了能帶結(jié)構(gòu)，移動(dòng)費(fèi)米面及電子能態(tài)密度和有效電導(dǎo)電子數(shù)；（4）影響了彈性常數(shù)。過(guò)渡金屬與貴金屬兩組元固溶時(shí)過(guò)渡金屬與貴金屬兩組元固溶時(shí)：電阻異常高，原因它們的價(jià)電子可以轉(zhuǎn)移到過(guò)渡金屬的尚未被填滿的d-或f-殼層中，從而使有效電導(dǎo)的電子數(shù)目減少。三三 、合

30、金的導(dǎo)電性、合金的導(dǎo)電性 當(dāng)形成化合物時(shí)，合金的導(dǎo)電性變化激烈，其電阻率要比各組元的電阻率高很多。 原因在于原子鍵合的方式發(fā)生了變化，其中至少一部分由金屬鍵變?yōu)楣矁r(jià)鍵獲離子鍵，使導(dǎo)電電子減少。此外，對(duì)于多相合金，導(dǎo)電性非常復(fù)雜，具體分析見P69.2. 金屬化合物的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電性四、四、 基于電阻分析金屬部分物性的應(yīng)用基于電阻分析金屬部分物性的應(yīng)用 研究合金的時(shí)效 研究合金的有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變 測(cè)量固溶體的溶解度 研究淬火鋼的回火 研究材料的疲勞過(guò)程復(fù)習(xí)基本概念和基本理論 馬基申定律： （T）殘殘 金屬電阻隨溫度升高而升高原因？ 影響金屬導(dǎo)電性的因素有哪些？1.3 1.3 半導(dǎo)體的電學(xué)性能

31、半導(dǎo)體的電學(xué)性能一、概述一、概述1.1.半導(dǎo)體的概念：能帶結(jié)構(gòu)（半導(dǎo)體的概念：能帶結(jié)構(gòu)（E Eg g=0.2-3.5 eV=0.2-3.5 eV）和電阻率。）和電阻率。2.2.分類：分類： 晶體半導(dǎo)體晶體半導(dǎo)體 元素半導(dǎo)體：十幾種，如元素半導(dǎo)體：十幾種，如GeGe、SiSi、SeSe、TeTe等；等； 化合物半導(dǎo)體：數(shù)十種：化合物半導(dǎo)體：數(shù)十種：GaNGaN（藍(lán)光）（藍(lán)光）, GaP, GaP（紅綠發(fā)光）（紅綠發(fā)光） 固溶體半導(dǎo)體：固溶體半導(dǎo)體：BaSbBaSb0.040.04SnSn0.960.96O O3 3 非晶半導(dǎo)體：非晶硅、多孔硅。非晶半導(dǎo)體：非晶硅、多孔硅。 有機(jī)物半導(dǎo)體：聚乙炔鏈

32、。有機(jī)物半導(dǎo)體：聚乙炔鏈。二、半導(dǎo)體中的能帶二、半導(dǎo)體中的能帶 電子的共有化運(yùn)動(dòng)電子的共有化運(yùn)動(dòng)價(jià)電子能級(jí)分裂價(jià)電子能級(jí)分裂能帶能帶三、本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能三、本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能 在純凈無(wú)缺陷的半導(dǎo)體單晶中，參加導(dǎo)電的電子在純凈無(wú)缺陷的半導(dǎo)體單晶中，參加導(dǎo)電的電子和空穴濃度相等，這種半導(dǎo)體稱為和空穴濃度相等，這種半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。 導(dǎo)電機(jī)理：在熱、光等外界條件的影響下，滿帶導(dǎo)電機(jī)理：在熱、光等外界條件的影響下，滿帶上的價(jià)電子獲得足夠的能量，躍過(guò)禁帶躍遷至空帶而上的價(jià)電子獲得足夠的能量，躍過(guò)禁帶躍遷至空帶而成為成為自由電子自由電子，同時(shí)在滿帶中留下，同時(shí)在滿帶中留下電子空穴電子空

33、穴，自由電，自由電子和電子空穴在外加電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)形成電流。子和電子空穴在外加電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)形成電流。 載流子：在電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)形成電流的帶電載流子：在電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)形成電流的帶電體，如電子、空穴。體，如電子、空穴。1.1.本征載流子的濃度本征載流子的濃度 根據(jù)本征載流子占據(jù)能級(jí)的概率和對(duì)其能帶的能根據(jù)本征載流子占據(jù)能級(jí)的概率和對(duì)其能帶的能態(tài)密度進(jìn)行積分運(yùn)算等，可得到本征載流子的濃度表達(dá)態(tài)密度進(jìn)行積分運(yùn)算等，可得到本征載流子的濃度表達(dá)式：式： 其中其中n ni i、p pi i分別為自由電子和空穴的濃分別為自由電子和空穴的濃度度;K;K1 1=4.82=4.82101015

34、15K K-3/2-3/2;T;T為絕對(duì)溫度為絕對(duì)溫度;k;k為玻爾茲曼常數(shù)。為玻爾茲曼常數(shù)。 影響因素：溫度和禁帶寬度。影響因素：溫度和禁帶寬度。為什么金屬材料導(dǎo)電為什么金屬材料導(dǎo)電性一般隨溫度升高而降低，而半導(dǎo)體導(dǎo)電性隨溫度的升性一般隨溫度升高而降低，而半導(dǎo)體導(dǎo)電性隨溫度的升高而升高？高而升高？ 室溫下有一定的導(dǎo)電能力，但很微弱。室溫下有一定的導(dǎo)電能力，但很微弱。-=kTETKpngii2exp2312.2.本征半導(dǎo)體的遷移率和電阻率本征半導(dǎo)體的遷移率和電阻率 遷移率的概念：?jiǎn)挝粓?chǎng)強(qiáng)作用下自由電子和空穴遷移率的概念：?jiǎn)挝粓?chǎng)強(qiáng)作用下自由電子和空穴的平均漂移速度。的平均漂移速度。 由歐姆定律可

35、知，本征半導(dǎo)體的電阻率：由歐姆定律可知，本征半導(dǎo)體的電阻率： 電流密度電流密度j：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)單位面積的電荷量。：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)單位面積的電荷量。 pnipiniiqnqnqnjr=1本征半導(dǎo)體的電學(xué)特性本征半導(dǎo)體的電學(xué)特性（1）本征激發(fā)成對(duì)地產(chǎn)生自由和空穴，所以自由電子和）本征激發(fā)成對(duì)地產(chǎn)生自由和空穴，所以自由電子和空穴濃度相等，都等于本征載流子濃度；空穴濃度相等，都等于本征載流子濃度；（2）ni與與Eg有近似反比關(guān)系，例如硅的有近似反比關(guān)系，例如硅的Eg比鍺大，故硅比鍺大，故硅的的ni比鍺??；比鍺??；（3）ni與溫度近似成正比，故溫度升高時(shí)與溫度近似成正比，故溫度升高時(shí)ni就增大；就增大

36、；（4）ni與原子密度相比是極小的，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)與原子密度相比是極小的，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很微弱。電能力很微弱。四、雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能四、雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能 通常制造半導(dǎo)體器件的材料是雜質(zhì)半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中人為地?fù)饺胪ǔＶ圃彀雽?dǎo)體器件的材料是雜質(zhì)半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中人為地?fù)饺?價(jià)元素或價(jià)元素或3價(jià)元素將分別獲得價(jià)元素將分別獲得N型（電子型）雜質(zhì)半導(dǎo)體和型（電子型）雜質(zhì)半導(dǎo)體和P型（空穴型）型（空穴型）雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體。1. N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體） 本征半導(dǎo)體中摻入本征半導(dǎo)體中摻入5價(jià)元素（磷，砷，銻）就可使晶體中的自由電子的濃價(jià)元素（磷，

37、砷，銻）就可使晶體中的自由電子的濃度極大地增加。因?yàn)槎葮O大地增加。因?yàn)?價(jià)元素的原子有價(jià)元素的原子有5個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它頂替晶格中的一個(gè)個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它頂替晶格中的一個(gè)4價(jià)元素的原子時(shí)，余下了價(jià)元素的原子時(shí)，余下了1個(gè)價(jià)電子變成多余的，此電子的能級(jí)非常靠近導(dǎo)個(gè)價(jià)電子變成多余的，此電子的能級(jí)非?？拷鼘?dǎo)帶底，非常容易進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子，因而導(dǎo)帶中的自由電子較本征半導(dǎo)帶底，非常容易進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子，因而導(dǎo)帶中的自由電子較本征半導(dǎo)體顯著增多，導(dǎo)電性能大幅度提高。體顯著增多，導(dǎo)電性能大幅度提高。 施主雜質(zhì)（施主雜質(zhì)（N N型雜質(zhì)）、施主能級(jí)、施主電離能的概念。型雜質(zhì)）、施主能級(jí)、施主電離能的概念。 多數(shù)

38、載流子（自由電子）、少數(shù)載流子（空穴）。多數(shù)載流子（自由電子）、少數(shù)載流子（空穴）。 N型半導(dǎo)體的電流密度：型半導(dǎo)體的電流密度： nnnqnjj0=nn0為為N型半導(dǎo)體的自由電子濃度。型半導(dǎo)體的自由電子濃度。N型半導(dǎo)體的電阻率為：（型半導(dǎo)體的電阻率為：（ND為摻雜濃度）為摻雜濃度）nDnnnqNqnr110 2. P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體） 在本征半導(dǎo)體中，摻入在本征半導(dǎo)體中，摻入3價(jià)元素的雜質(zhì)（硼，鋁，鎵，銦），價(jià)元素的雜質(zhì)（硼，鋁，鎵，銦），就可以使晶體中空穴濃度大大增加。因?yàn)榫涂梢允咕w中空穴濃度大大增加。因?yàn)?價(jià)元素的原子只有價(jià)元素的原子只有3個(gè)個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它頂

39、替晶格中的一個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它頂替晶格中的一個(gè)4價(jià)元素原子，并與周圍的價(jià)元素原子，并與周圍的4個(gè)硅個(gè)硅（或鍺）原子組成（或鍺）原子組成4個(gè)共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子，形成一個(gè)空位。個(gè)共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子，形成一個(gè)空位。因?yàn)?，因?yàn)椋?價(jià)元素形成的空位能級(jí)非?？拷鼉r(jià)帶頂?shù)哪芰?，在價(jià)電子價(jià)元素形成的空位能級(jí)非?？拷鼉r(jià)帶頂?shù)哪芰?，在價(jià)電子共有化運(yùn)動(dòng)中，相鄰的原子上的價(jià)電子就很容易來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空位共有化運(yùn)動(dòng)中，相鄰的原子上的價(jià)電子就很容易來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空位（較躍遷至禁帶以上的空帶容易的多），從而產(chǎn)生一個(gè)空穴。所（較躍遷至禁帶以上的空帶容易的多），從而產(chǎn)生一個(gè)空穴。所以每一個(gè)三價(jià)雜質(zhì)元素的原子都能接受一個(gè)價(jià)電子，

40、而在價(jià)帶中以每一個(gè)三價(jià)雜質(zhì)元素的原子都能接受一個(gè)價(jià)電子，而在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)空穴。產(chǎn)生一個(gè)空穴。 理解：理解：受主雜質(zhì)（受主雜質(zhì)（P型雜質(zhì)）型雜質(zhì)） 、受主、受主能級(jí)，其中的電離能、能級(jí)，其中的電離能、多數(shù)載流子、少多數(shù)載流子、少數(shù)載流子。數(shù)載流子。P型半導(dǎo)體的電流密度：型半導(dǎo)體的電流密度： pppqnjj0=np0為為P型半導(dǎo)體的空穴濃度。型半導(dǎo)體的空穴濃度。P型半導(dǎo)體的電阻率為：型半導(dǎo)體的電阻率為：pApppqNqnr110 雜質(zhì)半導(dǎo)體與本征半導(dǎo)體相比的特性：雜質(zhì)半導(dǎo)體與本征半導(dǎo)體相比的特性：（1 1）摻雜濃度與原子密度相比雖然微小，但是卻能）摻雜濃度與原子密度相比雖然微小，但是卻能使載流子

41、濃度極大地提高，導(dǎo)電能力因而也顯著增強(qiáng)。使載流子濃度極大地提高，導(dǎo)電能力因而也顯著增強(qiáng)。摻雜濃度愈大，其導(dǎo)電能力也愈強(qiáng)。摻雜濃度愈大，其導(dǎo)電能力也愈強(qiáng)。（2 2）摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此雜質(zhì)）摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠一種載流子導(dǎo)電。當(dāng)摻入三價(jià)元素（受半導(dǎo)體主要靠一種載流子導(dǎo)電。當(dāng)摻入三價(jià)元素（受主雜質(zhì)）時(shí)，主要靠空穴導(dǎo)電；當(dāng)摻入主雜質(zhì)）時(shí)，主要靠空穴導(dǎo)電；當(dāng)摻入5 5價(jià)元素（施價(jià)元素（施主雜質(zhì)），主要靠電子導(dǎo)電。主雜質(zhì)），主要靠電子導(dǎo)電。 PN結(jié)的特性PN結(jié)的構(gòu)成（作圖）PN結(jié)的特性是其單向?qū)щ娦裕串?dāng)外加電壓極性不同時(shí)其表現(xiàn)出的導(dǎo)電性截然不同。 （1）

42、外加正向電壓的情況(PN結(jié)正向注入） 外加反向電壓（PN結(jié)的反向抽?。?顯然，PN結(jié)正、反向?qū)щ姷娘@著差異反映出其具有整流特性，所以由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體二極管常用來(lái)做整流二極管，檢波二極管，發(fā)光二極管等。 金屬-絕緣體-半導(dǎo)體系統(tǒng)和MOS反型層 如果金屬-絕緣體-半導(dǎo)體中絕緣體為氧化物則稱MOS系統(tǒng)。 耗盡層 反型層 P型半導(dǎo)體的表面反型層是由電子構(gòu)成的，所以稱為N溝道。 N溝道晶體管 在P型襯底的MOS系統(tǒng)中增加兩個(gè)N型擴(kuò)散區(qū)，分別稱為源區(qū)（S表示）和漏區(qū)（D表示）。V+較小V+較大 通過(guò)控制柵壓G的極性和數(shù)值，可以使MOS晶體管分別處于導(dǎo)通或截止的狀態(tài)：源、漏之間的電流將受到柵壓的調(diào)制

43、，這就是MOS晶體管工作原理的基礎(chǔ)，利用這一性質(zhì)做成的MOS集成電路是大規(guī)模集成電路中最重要的類型之一。 光生伏特效應(yīng)-太陽(yáng)能電池 四、四、 BaTiO3材料半導(dǎo)化機(jī)制材料半導(dǎo)化機(jī)制 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu) Eg=2.90 eV，屬于，屬于ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。 1、摻雜五價(jià)元素如、摻雜五價(jià)元素如Nb等等 屬于施主摻雜（微量替代屬于施主摻雜（微量替代Ti），雜質(zhì)在），雜質(zhì)在帶隙中提供帶有電子的能級(jí)，能級(jí)略低帶隙中提供帶有電子的能級(jí)，能級(jí)略低于導(dǎo)帶底的能量，和價(jià)帶中的電子比較于導(dǎo)帶底的能量，和價(jià)帶中的電子比較，很容易激發(fā)到導(dǎo)帶中去，形成電子載，很容易激發(fā)到導(dǎo)帶中去，形成電子載流子（流子（ca

44、rrier)。Eg=0.21.0 eV 2、摻雜3價(jià)元素如Fe等 屬于受主摻雜（微量替代Ti），雜質(zhì)提供帶隙中空的能級(jí)，電子由價(jià)帶激發(fā)到受主能級(jí)要比激發(fā)到導(dǎo)帶容易的多。主要含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，因價(jià)帶中的一些電子被激發(fā)到施主能級(jí)，而在價(jià)帶中產(chǎn)生許多空穴，主要依靠這些空穴導(dǎo)電-P性半導(dǎo)體。Eg=0.21.4 eV 五、納米TiO2半導(dǎo)體的半導(dǎo)化機(jī)制及實(shí)驗(yàn)論證結(jié)果（STM/ STS技術(shù)）Eg=3.2 eV，納米二氧化鈦半導(dǎo)體 摻雜Ce的納米TiO2半導(dǎo)體 同時(shí)摻雜Ce和Ag的納米TiO2半導(dǎo)體 六、半導(dǎo)體隨溫度的升高導(dǎo)電率升高舉例 最為常見的為NTC熱敏材料（以BaFexSn1-xO3為例）。20

45、406080100120140160180200220102103104105106107Resitivity (cm)Temperature() BaFe0.3Sn0.7O3 BaFe0.4Sn0.6O3 BaFe0.5Sn0.5O3 BaFe0.6Sn0.4O3 BaFe0.8Sn0.2O3電阻率109絕緣材料主要用途：絕緣、介電（電容器）主要性能指標(biāo)：極化、介電常數(shù)、耐電壓主要性能指標(biāo)：極化、介電常數(shù)、耐電壓強(qiáng)度強(qiáng)度( (或者擊穿電壓）、損耗因數(shù)、或者擊穿電壓）、損耗因數(shù)、電阻率例如：微波電容器、壓電鐵電器件等。m1.4 1.4 絕緣體的電學(xué)性能絕緣體的電學(xué)性能一、電介質(zhì)的極化一、電介質(zhì)

46、的極化1.1.極化極化 介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，其內(nèi)部的束縛電荷發(fā)生彈性介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，其內(nèi)部的束縛電荷發(fā)生彈性位移和偶極子定向取向，從而產(chǎn)生表面感應(yīng)電荷的現(xiàn)位移和偶極子定向取向，從而產(chǎn)生表面感應(yīng)電荷的現(xiàn)象。（圖示）象。（圖示）2.2.電介質(zhì)電介質(zhì) 在電場(chǎng)中可產(chǎn)生極化的材料。多是優(yōu)良的絕緣材在電場(chǎng)中可產(chǎn)生極化的材料。多是優(yōu)良的絕緣材料，故二者常通用。料，故二者常通用。-+-+-3.3.組成電介質(zhì)的粒子（原子、分子或離子組成電介質(zhì)的粒子（原子、分子或離子) )可分為：可分為：極性和非極性和非極性極性兩類。兩類。 1 1）非極性電介質(zhì)粒子（中性電介質(zhì)）：結(jié)構(gòu)對(duì)稱的中性分）非極性電介質(zhì)粒子（中性電介質(zhì)）

47、：結(jié)構(gòu)對(duì)稱的中性分子構(gòu)成。子構(gòu)成。 無(wú)外電場(chǎng)作用下，正負(fù)電荷中心重合，對(duì)外不顯示極性。無(wú)外電場(chǎng)作用下，正負(fù)電荷中心重合，對(duì)外不顯示極性。 有外電場(chǎng)作用時(shí)，正電荷沿有外電場(chǎng)作用時(shí)，正電荷沿E E方向移動(dòng)，形成方向移動(dòng)，形成電偶極子電偶極子，定義定義電偶極矩電偶極矩 P=P=q qd d（d d是矢量，規(guī)定其方向從負(fù)電荷指向正是矢量，規(guī)定其方向從負(fù)電荷指向正電荷）。電荷）。 材料被極化后，所有電偶極子方向都沿外材料被極化后，所有電偶極子方向都沿外E E方向，電介質(zhì)方向，電介質(zhì)表面出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷（類似表面出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷（類似P89P89圖圖2.51b2.51b）。）。E E越強(qiáng)，越強(qiáng)，P P越大

48、，越大，表面束縛電荷越多。表面束縛電荷越多。E E消失，消失，P P0 0，束縛電荷消失。，束縛電荷消失。 2）極性電介質(zhì)（偶極電介質(zhì)）：極性分子）極性電介質(zhì)（偶極電介質(zhì)）：極性分子或離子型電介質(zhì)?；螂x子型電介質(zhì)。 無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，每個(gè)分子都有一定的電偶無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，每個(gè)分子都有一定的電偶極矩，但由于分子熱運(yùn)動(dòng)，極矩，但由于分子熱運(yùn)動(dòng)，P的排列雜亂無(wú)的排列雜亂無(wú)章，對(duì)外不顯示極性。在章，對(duì)外不顯示極性。在E中，在電力矩中，在電力矩作用下，使各電偶極矩有轉(zhuǎn)向外作用下，使各電偶極矩有轉(zhuǎn)向外E的趨勢(shì)的趨勢(shì)，電介質(zhì)表面出現(xiàn)的束縛電荷越多，極化，電介質(zhì)表面出現(xiàn)的束縛電荷越多，極化程度越高。程度越高。彈性位

49、移極化彈性位移極化（瞬時(shí)極化）（瞬時(shí)極化）取向極化取向極化（弛豫極化）（弛豫極化）電子位移極化（Electronic Polarizability） Response is fast, Response is fast, is small離子位移極化（Ionic Polarizability） Response is slower偶極子取向極化（Dipolar Polarizability） Response is still slower空間電荷極化(Space Charge Polarizability) Response is quite slow, is large 1 1）電子式極化

50、（電子位移極化）：在）電子式極化（電子位移極化）：在E E作用下，原作用下，原子外圍的電子云中心相對(duì)于原子核發(fā)生位移，形成子外圍的電子云中心相對(duì)于原子核發(fā)生位移，形成感應(yīng)電矩而使介質(zhì)極化的現(xiàn)象。感應(yīng)電矩而使介質(zhì)極化的現(xiàn)象。 形成很快（形成很快（1010-14-141010-16-16 s), s),是是彈性彈性可逆的，極化可逆的，極化過(guò)程不消耗能量。在所有電介質(zhì)中都存在，唯一存過(guò)程不消耗能量。在所有電介質(zhì)中都存在，唯一存在此種極化（沒有別的）的電介質(zhì)在此種極化（沒有別的）的電介質(zhì)只有只有中性的氣體、中性的氣體、液體和少數(shù)非極性固體。液體和少數(shù)非極性固體。2 2）離子式極化）離子式極化( (離子

51、位移極化）離子位移極化）: :離子晶體中，除離子中的電子產(chǎn)離子晶體中，除離子中的電子產(chǎn)生位移極化外，正負(fù)離子也在生位移極化外，正負(fù)離子也在E E作用下發(fā)生相對(duì)位移而引起的極化。作用下發(fā)生相對(duì)位移而引起的極化。又分為：又分為： a a. .離子離子彈性彈性位移極化：在離子鍵構(gòu)成的晶體中，離子間約束力位移極化：在離子鍵構(gòu)成的晶體中，離子間約束力很強(qiáng)，離子位移有限，極化過(guò)程很快（很強(qiáng)，離子位移有限，極化過(guò)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. .熱離子極化（離子松弛式位移極熱離子極化（離子松弛式位移極化）：在有些離子晶體和無(wú)定形

52、體中，化）：在有些離子晶體和無(wú)定形體中，存在一些約束力較弱的離子，無(wú)存在一些約束力較弱的離子，無(wú)E E時(shí)作時(shí)作無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，宏觀無(wú)電矩；有無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，宏觀無(wú)電矩；有E E時(shí)，時(shí)，正負(fù)離子反向遷移，形成正負(fù)離子分離正負(fù)離子反向遷移，形成正負(fù)離子分離而產(chǎn)生介質(zhì)極化。極化建立時(shí)間較長(zhǎng)而產(chǎn)生介質(zhì)極化。極化建立時(shí)間較長(zhǎng)（ 1010-2-21010-5-5s s），有極化滯后現(xiàn)象，），有極化滯后現(xiàn)象，需消耗一定能量，不可逆。需消耗一定能量，不可逆。 3 3）偶極子極化）偶極子極化( (固有電矩的轉(zhuǎn)向極化）固有電矩的轉(zhuǎn)向極化）: :有有E E時(shí)，偶極時(shí)，偶極子有沿電場(chǎng)方向排列的趨勢(shì)，而形成宏觀電矩，形成子

53、有沿電場(chǎng)方向排列的趨勢(shì)，而形成宏觀電矩，形成的極化。所需時(shí)間較長(zhǎng)（的極化。所需時(shí)間較長(zhǎng)（1010-2-21010-10-10s s），不可逆，需），不可逆，需消耗能量。消耗能量。4 4）空間電荷極化：有些電介質(zhì)中，存在可移動(dòng)的）空間電荷極化：有些電介質(zhì)中，存在可移動(dòng)的離子，在離子，在E E作用下，正負(fù)離子分離所形成的極化。作用下，正負(fù)離子分離所形成的極化。所需時(shí)間最長(zhǎng)（所需時(shí)間最長(zhǎng)（1010-2-2s s）。）。 以上：電子極化、離子極化、空間電荷極化以上：電子極化、離子極化、空間電荷極化都是正、負(fù)電荷在都是正、負(fù)電荷在E E作用下發(fā)生相對(duì)位移產(chǎn)生的，作用下發(fā)生相對(duì)位移產(chǎn)生的，通稱通稱位移極化

54、位移極化；偶極子極化是偶極子在；偶極子極化是偶極子在E E作用下作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向形成的，稱發(fā)生轉(zhuǎn)向形成的，稱轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化。只有位移極化的電介質(zhì)稱為非極性材料；只只有位移極化的電介質(zhì)稱為非極性材料；只有轉(zhuǎn)向極化的電介質(zhì)稱為極性材料。有轉(zhuǎn)向極化的電介質(zhì)稱為極性材料。 原子和離子的電子位移極化率與溫度無(wú)關(guān)。注意：注意： 離子位移極化率與正負(fù)離子半徑的立方成正比，與電子位移極化率有大體相同的數(shù)量級(jí)，隨溫度升高，離子間距離增大，相互作用減弱，力常數(shù)K減小，因此離子位移極化率隨溫度升高應(yīng)該有所增大，但增加甚微。 偶極子取向極化率與溫度成反比，隨溫度升高而下降。偶極子取向極化率比電子位移極化率大得多，約為

55、1038 F.m2.。 介電性能的溫度特性對(duì)于介電材料的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要，如介電常數(shù)溫度系數(shù)是衡量電介質(zhì)陶瓷性能的重要指標(biāo)之一。 三、電介質(zhì)的介電常數(shù)三、電介質(zhì)的介電常數(shù)（1 1）電介質(zhì)的）電介質(zhì)的介電常數(shù)介電常數(shù) 綜合反應(yīng)電介質(zhì)材料極化行為的宏觀物理量。表示電容器綜合反應(yīng)電介質(zhì)材料極化行為的宏觀物理量。表示電容器（兩極板間）有電介質(zhì)時(shí)的電容較在真空狀態(tài)時(shí)的電容的增加（兩極板間）有電介質(zhì)時(shí)的電容較在真空狀態(tài)時(shí)的電容的增加倍數(shù)。倍數(shù)。 真空介電常數(shù)：真空介電常數(shù)： 相對(duì)介電常數(shù)：相對(duì)介電常數(shù)：dSC=00=CCrdSC00=（2 2）電介質(zhì)的介電損耗）電介質(zhì)的介電損耗 1.1.電介質(zhì)損耗的基本概

56、念電介質(zhì)損耗的基本概念 任何電介質(zhì)在任何電介質(zhì)在E E作用下，總會(huì)或多或少地把部分電作用下，總會(huì)或多或少地把部分電能轉(zhuǎn)換為熱能使介質(zhì)發(fā)熱。電介質(zhì)在能轉(zhuǎn)換為熱能使介質(zhì)發(fā)熱。電介質(zhì)在E E作用下，單位時(shí)作用下，單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱電介質(zhì)的損耗功率，簡(jiǎn)稱間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱電介質(zhì)的損耗功率，簡(jiǎn)稱介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗。 電介質(zhì)在電工和電子工業(yè)中，介質(zhì)損耗不僅耗能，電介質(zhì)在電工和電子工業(yè)中，介質(zhì)損耗不僅耗能，而且使元件溫度升高，影響正常工作。特別是應(yīng)用于而且使元件溫度升高，影響正常工作。特別是應(yīng)用于交流電場(chǎng)交流電場(chǎng)中是電介質(zhì)重要的品質(zhì)之一。介質(zhì)損耗通常中是電介質(zhì)重要的品質(zhì)之一。介質(zhì)損耗通常越小

57、越好。越小越好。ViCUiCUGU90電容器電流與電壓的關(guān)系理想電容器非理想電容器90-無(wú)能量消耗有能量消耗 電介質(zhì)的電導(dǎo) 并不是所有的電介質(zhì)都是理想的絕緣體，在外電場(chǎng)作用下，介質(zhì)中都會(huì)有一個(gè)很小的電流。稱為泄露電流。 導(dǎo)電方式有：電子與空穴（電子電導(dǎo)）；移動(dòng)額正負(fù)離子電導(dǎo)（離子電導(dǎo)）。對(duì)于離子電導(dǎo)，必須需要指出的是：在較低場(chǎng)強(qiáng)下，存在離子電導(dǎo)；在高場(chǎng)強(qiáng)下，呈現(xiàn)電子電導(dǎo)。 晶體的離子電導(dǎo)分為兩類：一類是源于晶體點(diǎn)陣中基本離子的運(yùn)動(dòng)，稱為離子固有電導(dǎo)或本征電導(dǎo)，這種電導(dǎo)是熱缺陷形成的，即是由離子自身隨著熱運(yùn)動(dòng)的加劇而離開晶格點(diǎn)陣形成。另一類是源于結(jié)合力較弱的雜質(zhì)離子的運(yùn)動(dòng)造成的，稱為雜質(zhì)電導(dǎo)。

58、2.2.介質(zhì)損耗形式介質(zhì)損耗形式 介質(zhì)損耗是各種形式損耗的綜合損耗。為研究方便介質(zhì)損耗是各種形式損耗的綜合損耗。為研究方便把其簡(jiǎn)化成各種形式，然后綜合考慮。把其簡(jiǎn)化成各種形式，然后綜合考慮。 1 1）電導(dǎo)（或漏導(dǎo)）損耗）電導(dǎo)（或漏導(dǎo)）損耗 實(shí)際使用的電介質(zhì)都不是理想的絕緣體，都或多或?qū)嶋H使用的電介質(zhì)都不是理想的絕緣體，都或多或少地存在一些弱聯(lián)系帶電離子或空穴，在少地存在一些弱聯(lián)系帶電離子或空穴，在E E 作用下產(chǎn)作用下產(chǎn)生漏導(dǎo)電流，發(fā)熱，產(chǎn)生損耗。生漏導(dǎo)電流，發(fā)熱，產(chǎn)生損耗。 低場(chǎng)強(qiáng)下，存在離子電導(dǎo)；高場(chǎng)強(qiáng)下，電子電導(dǎo)。低場(chǎng)強(qiáng)下，存在離子電導(dǎo)；高場(chǎng)強(qiáng)下，電子電導(dǎo)。 離子電導(dǎo)：本征電導(dǎo)和雜質(zhì)電導(dǎo)

59、。離子電導(dǎo)：本征電導(dǎo)和雜質(zhì)電導(dǎo)。2 2）極化損耗）極化損耗 介質(zhì)極化時(shí)介質(zhì)極化時(shí), ,有些極化形式可引起損耗。有些極化形式可引起損耗。 如松弛極化造成損耗較大：如松弛極化造成損耗較大： 一方面：極化過(guò)程中離子要在一方面：極化過(guò)程中離子要在E E作用下克服熱運(yùn)動(dòng)作用下克服熱運(yùn)動(dòng)消耗能量，引起損耗。消耗能量，引起損耗。 另一方面：松弛極化建立時(shí)間較長(zhǎng)，極化跟不上外另一方面：松弛極化建立時(shí)間較長(zhǎng)，極化跟不上外E E的變化（特別是交流頻率較高時(shí)），所造成的電矩往的變化（特別是交流頻率較高時(shí)），所造成的電矩往往滯后于往滯后于E E，即，即E E達(dá)最大時(shí)，極化引起的極化電荷未達(dá)最達(dá)最大時(shí)，極化引起的極化電

60、荷未達(dá)最大，當(dāng)大，當(dāng)E E開始減小時(shí)，極化仍繼續(xù)增至最大值后才開始開始減小時(shí)，極化仍繼續(xù)增至最大值后才開始減小，當(dāng)減小，當(dāng)E E為為0 0時(shí)，極化尚未完全消除，當(dāng)外時(shí)，極化尚未完全消除，當(dāng)外E E反向時(shí)，反向時(shí)，極板上遺留的部分電荷中和了電源對(duì)極板充電的部分電極板上遺留的部分電荷中和了電源對(duì)極板充電的部分電荷，并以熱的形式散發(fā)，產(chǎn)生損耗。荷，并以熱的形式散發(fā)，產(chǎn)生損耗。3 3）電離損耗）電離損耗 又稱游離損耗，是氣體引起的，含氣孔的固體電介又稱游離損耗，是氣體引起的，含氣孔的固體電介質(zhì)，外質(zhì)，外E E大于氣體電離所需的大于氣體電離所需的E E時(shí)，氣體發(fā)生電離吸收時(shí)，氣體發(fā)生電離吸收能量，造成損