材料物理性能2b

1、第二章 材料的電學(xué)性能2011年02月材料物理性能12.1 概述 電荷的定向運(yùn)動(dòng)形成電流，其載體稱為載流子。載流子可以是電子、空穴，也可以是正離子、負(fù)離子。 遷移數(shù)（輸運(yùn)數(shù)）用來表征材料導(dǎo)電載流子種類對(duì)導(dǎo)電貢獻(xiàn)，定義為： 表征材料電性能的主要參量：電導(dǎo)率電流密度J正比于電場(chǎng)強(qiáng)度E時(shí)的比例常數(shù)：材料物理性能材料的電學(xué)性能2 實(shí)驗(yàn)表明，導(dǎo)體的電阻R與長(zhǎng)度L、截面積S滿足：為電阻率，且的單位為：S/m（西門子每米）的單位為： m（歐姆米）， cm、 m， 工程技術(shù)上常用mm2/m此外，工程中用相對(duì)電導(dǎo)率國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟銅（20時(shí) =0.01724 mm2/m ）的電導(dǎo)率為100%。材料物理性能材料的電學(xué)性

2、能3 所有元素在固態(tài)按其電性能及溫度對(duì)它的影響可分為：金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。金屬：銀1.510-6 cm 錳26010-6 cm材料物理性能材料的電學(xué)性能4材料物理性能材料的電學(xué)性能52.2 電子類載流子導(dǎo)電金屬導(dǎo)電性 主要以電子、空穴作為載流子導(dǎo)電的材料，可以是金屬或半導(dǎo)體。導(dǎo)電機(jī)制 由經(jīng)典自由電子理論得到： 由能帶理論得到： 為考慮晶體點(diǎn)陣對(duì)電場(chǎng)作用后電子的有效質(zhì)量 為Fermi面附近電子的平均自由程材料物理性能材料的電學(xué)性能6 當(dāng)電子波通過完整晶體點(diǎn)陣時(shí) (0K)，將不受散射，電阻為0； 為無窮大；在晶體點(diǎn)陣完整性遭到破壞的地方，電子才受到散射，形成金屬的電阻。 可定義為散射系數(shù)，記

3、為 因此電阻率為 與溫度成正比； 雜質(zhì)原子使晶體點(diǎn)陣的周期性破壞，增加散射系數(shù)的值；材料物理性能材料的電學(xué)性能7 散射系數(shù)可分成兩部分：因此，電阻率記為此即為Matthiessen定律。 基本電阻； 金屬剩余電阻。 根據(jù)Matthiessen定律可以測(cè)定金屬晶體的純度電學(xué)純度。指標(biāo)為：材料物理性能材料的電學(xué)性能8電阻率與溫度的關(guān)系 理想金屬在0K時(shí)電阻為0，當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻隨溫度單調(diào)增加；當(dāng)有雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷時(shí)，電阻與溫度的關(guān)系曲線發(fā)生變化。 金屬的電阻率隨溫度升高而增大。在不同溫度區(qū)間，電子散射的機(jī)制不同，因此電阻與溫度的關(guān)系不同。在低溫下，“電子電子”散射對(duì)電阻的貢獻(xiàn)較為顯著；所有溫度條件

4、下，大多數(shù)金屬的電阻都取決于“電子聲子”散射。材料物理性能材料的電學(xué)性能9 原子熱振動(dòng)在兩個(gè)溫度區(qū)域（以德拜溫度 為臨界點(diǎn)）存在本質(zhì)差別。其電阻與溫度變化規(guī)律如下：根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)，溫度T時(shí)的電阻率可以展開為：對(duì)于普通的非過渡族金屬，德拜溫度一般不超過500K，當(dāng) 時(shí)，線性關(guān)系足夠正確：材料物理性能材料的電學(xué)性能10式中，為電阻溫度系數(shù)真電阻溫度系數(shù)則為：金屬熔化時(shí)電阻發(fā)生顯著變化：材料物理性能材料的電學(xué)性能11發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變時(shí)，電阻率也表現(xiàn)顯著變化：材料物理性能材料的電學(xué)性能12電阻率與壓力的關(guān)系 在流體靜壓力壓縮時(shí)，金屬原子間距縮小，內(nèi)部缺陷形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)、費(fèi)密能和能帶結(jié)構(gòu)都將發(fā)生變化，因而影響

5、金屬的導(dǎo)電性能。 在流體靜壓下，金屬的電阻率計(jì)算：按壓力對(duì)金屬導(dǎo)電性的影響，金屬分為：正常金屬：隨壓力增大，電阻率下降；反常金屬：隨壓力增大，電阻率上升；大多為堿金屬和稀土金屬材料物理性能材料的電學(xué)性能13高的可以使很多物質(zhì)由半導(dǎo)體、絕緣體變?yōu)榻饘伲翰牧衔锢硇阅懿牧系碾妼W(xué)性能14冷加工和缺陷對(duì)電阻率的影響 冷加工引起晶格畸變，增加電子散射幾率，導(dǎo)致金屬電阻率增加。 冷加工金屬的電阻率可由Matthisessen定律表達(dá)：冷加工金屬退火后，電阻率可恢復(fù)材料物理性能材料的電學(xué)性能15冷加工和缺陷對(duì)電阻率的影響 冷加工引起晶格畸變，增加電子散射幾率，導(dǎo)致金屬電阻率增加。 冷加工金屬的電阻率可由Mat

6、thisessen定律表達(dá)：冷加工金屬退火后，電阻率可恢復(fù)材料物理性能材料的電學(xué)性能16電阻率的尺寸效應(yīng) 導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制， 為Fermi面附近電子的平均自由程材料物理性能材料的電學(xué)性能17電阻率的各向異性對(duì)稱性高的金屬的電阻表現(xiàn)為各向同性；對(duì)稱性差的晶體，其導(dǎo)電性表現(xiàn)為各向異性。材料物理性能材料的電學(xué)性能18固溶體的電阻率 一般來說，固溶體形成時(shí)，晶格勢(shì)場(chǎng)的周期性被破壞，合金的導(dǎo)電性能降低。在連續(xù)固溶體中合金成分距組元越遠(yuǎn)，電阻率越高。鐵磁性及強(qiáng)順磁性金屬固溶體的電阻率變化有異常。低濃度固溶體電阻率也可由Matthiessen定律表示為：材料物理性能材料的電學(xué)性能19化合物、中間相、多相合金的

7、電阻率材料物理性能材料的電學(xué)性能20有序轉(zhuǎn)變時(shí)，電阻率也發(fā)生變化：材料物理性能材料的電學(xué)性能212.3 離子類載流子導(dǎo)電離子電導(dǎo)是帶電荷的離子載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。電荷載流子一定是材料中最易移動(dòng)的離子。 離子型晶體可分為兩類：本征導(dǎo)電晶體點(diǎn)陣的基本離子，由于熱振動(dòng)而離開晶格，形成熱缺陷，在電場(chǎng)作用下成為載流子參加導(dǎo)電。（高溫時(shí)）雜質(zhì)導(dǎo)電參加導(dǎo)電的載流子主要是雜質(zhì)。材料物理性能材料的電學(xué)性能22離子電導(dǎo)理論離子導(dǎo)電性可以認(rèn)為是離子電荷載流子在電場(chǎng)作用下，通過材料的長(zhǎng)距離的遷移。因此，電荷載流子一定是材料中最易移動(dòng)的離子。考慮離子在一維平行于x方向上移動(dòng)，那么越過能壘V的幾率P為：為與不可

8、逆跳躍相關(guān)的適應(yīng)系數(shù) 為離子在勢(shì)阱中振動(dòng)頻率。當(dāng)加上電場(chǎng)后，沿電場(chǎng)方向位壘降低，而反電場(chǎng)方向位壘將提高。材料物理性能材料的電學(xué)性能23如果勢(shì)阱之間距離為b，那么，向右的勢(shì)能降低：F是作用在離子價(jià)為z的離子上的電場(chǎng)力。因此，向右運(yùn)動(dòng)的幾率為：向左運(yùn)動(dòng)的幾率為：正的遷移次數(shù)多于負(fù)的，因此，在電場(chǎng)方向上存在一平均漂移速度：材料物理性能材料的電學(xué)性能24只要電場(chǎng)強(qiáng)度足夠低 ，那么在足夠強(qiáng)大的電場(chǎng)作用下，電流密度j為：代入P, 并令材料物理性能材料的電學(xué)性能25電阻率為，經(jīng)驗(yàn)公式則為，材料物理性能材料的電學(xué)性能26材料物理性能材料的電學(xué)性能27由熱力學(xué)第二定律得根據(jù)此式，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定直流電導(dǎo)率得到的自由

9、能變化研究過程的焓變和熵變。材料物理性能材料的電學(xué)性能28離子電導(dǎo)與擴(kuò)散 離子的尺寸和質(zhì)量都比電子大很多，其運(yùn)動(dòng)方式是從一個(gè)平衡位置跳躍到另一平衡位置，因此，離子導(dǎo)電可以看成是離子在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散現(xiàn)象。載流子離子濃度梯度所形成的電流密度為：當(dāng)存在電場(chǎng)E作用時(shí)，其產(chǎn)生的電流密度可用歐姆定律的微分形式表示為：總電流密度則為：材料物理性能材料的電學(xué)性能29根據(jù)波爾茲曼分布，在存在電場(chǎng)時(shí)則濃度表示為因此，濃度梯度為，在熱平衡下，可以認(rèn)為，因此，可得到， 此式即為能斯特愛因斯坦方程，建立了離子電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散系數(shù)D之間的關(guān)系。材料物理性能材料的電學(xué)性能30離子導(dǎo)電的影響因素溫度的影響溫度以指數(shù)形式影響

10、其電導(dǎo)率。隨著溫度從低溫向高溫增加，其電阻率的對(duì)數(shù)的斜率出現(xiàn)拐點(diǎn)，將整個(gè)區(qū)間分為高溫區(qū)的本征導(dǎo)電，低溫區(qū)的雜質(zhì)導(dǎo)電。材料物理性能材料的電學(xué)性能31離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)的影響 離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)離子導(dǎo)電的影響是通過改變導(dǎo)電激活能實(shí)現(xiàn)的。熔點(diǎn)高的晶體，結(jié)合力大，相應(yīng)的導(dǎo)電激活能也高，電導(dǎo)率就低； 晶體結(jié)構(gòu)的影響是提供利于離子移動(dòng)的通路。材料物理性能材料的電學(xué)性能32點(diǎn)缺陷的影響 由于熱激活，在晶體中產(chǎn)生Shottky缺陷或Frenkel缺陷，影響晶體中的擴(kuò)散系數(shù)，以至影響到固體電解質(zhì)的電導(dǎo)率。此外，環(huán)境氣氛變化，使離子型晶體的正負(fù)離子化學(xué)計(jì)量比發(fā)生變化，而生成晶格缺陷。如ZrO2中，氧的脫離形成氧

11、空位。材料物理性能材料的電學(xué)性能33快離子導(dǎo)體(FIC)具有離子導(dǎo)電的固體物質(zhì)稱為固體電解質(zhì)。快離子導(dǎo)體電導(dǎo)率比正常離子化合物的電導(dǎo)率高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)的固體電解質(zhì)。常見的快離子導(dǎo)體分為三組：銀和銅的鹵族和硫族化合物金屬原子在這些化合物中鍵合位置相對(duì)隨意；具有-氧化鋁結(jié)構(gòu)的高遷移率的單價(jià)陽(yáng)離子氧化物；具有氟化鈣結(jié)構(gòu)的高濃度缺陷氧化物；材料物理性能材料的電學(xué)性能34快離子導(dǎo)體的電導(dǎo)率：材料物理性能材料的電學(xué)性能35快離子導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特征：晶體結(jié)構(gòu)的主體是由一類占有特定位置的離子構(gòu)成；具有大量的空位，這些空位數(shù)量遠(yuǎn)膏腴可移動(dòng)的離子數(shù)；亞晶格點(diǎn)陣之間具有近乎相等的能量和相對(duì)低的激活能；在點(diǎn)陣間總是存在通路

12、，以至于沿著有利的路徑可以平移。材料物理性能材料的電學(xué)性能362.4 半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料及晶體結(jié)構(gòu)材料物理性能材料的電學(xué)性能37材料物理性能材料的電學(xué)性能38IMPORTANT SEMICONDUCTORS: ELECTRONICS材料物理性能材料的電學(xué)性能39IMPORTANT SEMICONDUCTORS: OPTOELECTRONICSCosiderations: Correct bandgap (Eg) for light emission/detection at appropriate wavelength. Substrate availability for high quali

13、ty growth.材料物理性能材料的電學(xué)性能40材料物理性能材料的電學(xué)性能41材料物理性能材料的電學(xué)性能42材料物理性能材料的電學(xué)性能43材料物理性能材料的電學(xué)性能44晶體結(jié)構(gòu)：材料物理性能材料的電學(xué)性能45材料物理性能材料的電學(xué)性能46半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體材料物理性能材料的電學(xué)性能47材料物理性能材料的電學(xué)性能48材料物理性能材料的電學(xué)性能49材料物理性能材料的電學(xué)性能50直接帶隙與間接帶隙：材料物理性能材料的電學(xué)性能51材料物理性能材料的電學(xué)性能52材料物理性能材料的電學(xué)性能53量子力學(xué)可以得到，半導(dǎo)體中電子能量和空穴能量：載流子濃度:費(fèi)米能：材料物理性能材料的電學(xué)性能54材料物

14、理性能材料的電學(xué)性能55材料物理性能材料的電學(xué)性能56雜質(zhì)半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體材料物理性能材料的電學(xué)性能57p型半導(dǎo)體材料物理性能材料的電學(xué)性能58費(fèi)米能：材料物理性能材料的電學(xué)性能59半導(dǎo)體的導(dǎo)電性本征半導(dǎo)體電導(dǎo)率： 分別為電子與空穴的遷移率?？赏ㄟ^霍耳常數(shù)研究遷移率及其與溫度的關(guān)系。材料物理性能材料的電學(xué)性能60少數(shù)載流子的行為 在熱平衡條件下，給定半導(dǎo)體中的電子和空穴共存，其數(shù)量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 當(dāng)受到能量大于帶隙的光子的輻照時(shí)，價(jià)帶的電子吸收光子能量躍遷至導(dǎo)帶，而在價(jià)帶產(chǎn)生空穴，其數(shù)量均超過熱平衡，出現(xiàn)過剩載流子。 當(dāng)外界條件消除后。導(dǎo)帶中過剩載流子逐漸回到價(jià)帶中，即發(fā)生復(fù)合。 一般來說，過

15、剩載流子的濃度按指數(shù)規(guī)律衰減：材料物理性能材料的電學(xué)性能61復(fù)合幾率P為：過剩少子的復(fù)合方式：直接復(fù)合：間接復(fù)合：經(jīng)過復(fù)合中心實(shí)現(xiàn)； 由雜質(zhì)和缺陷充當(dāng)復(fù)合中心。雜質(zhì)和缺陷還能起陷阱作用， 延長(zhǎng)過剩載流子壽命。材料物理性能材料的電學(xué)性能62半導(dǎo)體接觸金屬半導(dǎo)體結(jié)材料物理性能材料的電學(xué)性能63材料物理性能材料的電學(xué)性能64P-N結(jié) p型半導(dǎo)體與n半導(dǎo)體接觸，載流子發(fā)生擴(kuò)散。材料物理性能材料的電學(xué)性能65 載流子發(fā)生擴(kuò)散，建立起一電場(chǎng)V0，使得擴(kuò)散過程達(dá)到平衡。 接觸的pn結(jié)平衡的條件是：費(fèi)米能級(jí)達(dá)到一致。 V0的大小取決于帶隙的寬度、兩種半導(dǎo)體材料的濃度及材料的溫度。材料物理性能材料的電學(xué)性能66

16、2.5 材料電性能測(cè)量及應(yīng)用材料電性能測(cè)量 電阻的測(cè)量方法很多，一般都是根據(jù)測(cè)量的需要利具體的測(cè)試條件來選擇不同的測(cè)試方法。按測(cè)量的范圍或測(cè)量的準(zhǔn)確度要求來分類：對(duì)107以上較大的電阻(俗稱高阻)，如材料的絕緣電阻的測(cè)量，粗測(cè)時(shí)，可選用兆歐表(俗稱搖表)；要求精測(cè)時(shí)，可選用沖擊檢流計(jì)測(cè)量。102 106 的中值電阻測(cè)量時(shí)，可選用萬用表?yè)?、?shù)字式歐姆表或伏安法測(cè)量，精測(cè)時(shí)可選用單電橋法測(cè)量；10-6 102 的電阻的測(cè)量，如金屬及其合金電阻的測(cè)量，必須采用較精確的測(cè)量，可選用雙電橋法或直流電位差計(jì)法測(cè)量；對(duì)半導(dǎo)體材料電阻的測(cè)量用直流四探針法。材料物理性能材料的電學(xué)性能67導(dǎo)體電阻率測(cè)量 因?yàn)榻饘?/p>

17、及合金的電阻率一般都很小，即使再紉再長(zhǎng)的試樣電阻也不會(huì)超過106 ，故可采用單電橋法測(cè)量。 無論是單臂電橋、雙臂電橋還是直流電位差計(jì)，都是屬于比較法測(cè)量，即把待測(cè)量與已知量(標(biāo)準(zhǔn)量)采用某種方式進(jìn)行比較而獲得測(cè)量結(jié)果。雙電橋法：材料物理性能材料的電學(xué)性能68導(dǎo)體電阻率測(cè)量雙電橋法：材料物理性能材料的電學(xué)性能69電位差計(jì)法 當(dāng)一恒定直流電通過試樣和標(biāo)準(zhǔn)電阻時(shí)，測(cè)定試樣和標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓降，材料物理性能材料的電學(xué)性能70半導(dǎo)體電阻率測(cè)量材料物理性能材料的電學(xué)性能71測(cè)量原理：點(diǎn)電流源周圍的電流分布：電場(chǎng)強(qiáng)度分布：任意一點(diǎn)的電勢(shì)：由2、3兩點(diǎn)之間的電位差可得：探針系數(shù)材料物理性能材料的電學(xué)性能72

18、若四探針處于同一平面的一條直線上，且間距均為S，則有：材料物理性能材料的電學(xué)性能73絕緣體電阻率測(cè)量Cb為沖擊檢流計(jì)的沖擊常數(shù) 為檢流計(jì)的最大偏移材料物理性能材料的電學(xué)性能74電阻法分析在材料研究中的應(yīng)用 通過測(cè)量材料電阻率變化來研究材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及缺陷的方法稱為電阻法。 用電阻分析法來研究材料的成分、結(jié)構(gòu)和組織變化的靈敏度很高，它能極敏感地反映出材料內(nèi)部的微弱變化。但由于影響電阻的因素較多，測(cè)量結(jié)果不太容易分析，故此法尚有一些不足，但由于很容易對(duì)材料的許多物理過程進(jìn)行電阻的跟蹤測(cè)量，故此方法仍然是應(yīng)用較廣的一種方法。電阻分析法可研究的問題較多。材料物理性能材料的電學(xué)性能75測(cè)量固溶體溶解度曲線材料物理性能材料的電學(xué)性能76 對(duì)所有淬火溫度，作出電阻率成分關(guān)系曲線，找出相應(yīng)的臨界點(diǎn)，即為相應(yīng)的最大溶解度，將這些點(diǎn)在溫度一成分坐標(biāo)中連接起來，就得到了溶解度曲線。材料物理性能材料的電學(xué)性能77研究合金時(shí)效 從固溶體電阻變化特性可知，隨溫度升高，固溶體溶解反增加。如果進(jìn)行高溫淬火，使得到過飽和固溶體，其電