第二章導(dǎo)電性能

1、3.2.1 經(jīng)典電子(dinz)理論解釋金屬材料的導(dǎo)電金屬由原子點(diǎn)陣組成，價(jià)電子完全自由，可在金屬中自由運(yùn)動(dòng)，可把價(jià)電子看成“電子氣”自由電子遵循經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，遵守氣體分子運(yùn)動(dòng)論價(jià)電子在一般情況下可沿所有方向(fngxing)運(yùn)動(dòng)，在電場作用下，自由電子沿電場的反方向(fngxing)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電流電子與電子的碰撞妨礙電子的繼續(xù)加速，形成電阻價(jià)電子為共有，不屬于某一個(gè)原子，可在整個(gè)金屬中運(yùn)動(dòng)忽略了電子間的排斥作用和正離子點(diǎn)陣周期場的作用共五十五頁經(jīng)典(jngdin)電子理論基本假設(shè)是正確的可推導(dǎo)出歐姆定律、焦耳-楞次定律等電學(xué)定律但對(duì)一些物理現(xiàn)象的解釋也遇到了困難一價(jià)金屬和二價(jià)金屬的導(dǎo)電問

2、題一價(jià)金屬的導(dǎo)電性比二價(jià)金屬好電子比熱1mol電子氣的熱容C=1.5R3cal/mol，比實(shí)驗(yàn)結(jié)果大100倍問題根源經(jīng)典電子理論(lln)立足于牛頓力學(xué)，對(duì)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)需要用量子力學(xué)的概念共五十五頁量子(lingz)自由電子論基本假設(shè)金屬(jnsh)離子形成的勢場各處均勻，價(jià)電子是共有化的，不束縛于某個(gè)原子，電子之間無相互作用與經(jīng)典電子理論的區(qū)別電子運(yùn)動(dòng)服從量子力學(xué)電子的能量不是連續(xù)分布的，而是分立、不連續(xù)的只有較高能級(jí)的電子能跳到更高能級(jí)，即熱激發(fā)的電子數(shù)量少于總的價(jià)電子數(shù)用量子自由電子論推導(dǎo)出的比熱可以解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果問題認(rèn)為勢場是均勻的，不能很好地解釋鐵磁性、相結(jié)構(gòu)及結(jié)合力能問題共五十五頁

3、3.2.2 能帶理論(lln)泡利（Pauli）不相容原理每個(gè)能級(jí)只能容納2個(gè)電子推論兩個(gè)獨(dú)立、互不影響(yngxing)的原子，2s軌道的電子能級(jí)相同當(dāng)兩個(gè)原子距離足夠近時(shí)，各自2s軌道的電子相互作用，導(dǎo)致它們不能再維持在相同的能級(jí)N個(gè)原子相互靠近形成固體，Pauli不相容原理仍成立出現(xiàn)N個(gè)分立的能級(jí)安排原來軌道的原子，成為能帶共五十五頁能級(jí)(nngj)能帶共五十五頁鈉-1s22s22p63s1內(nèi)層(ni cn)電子受其他原子影響小，外層原子受影響大3s為價(jià)電子 3s為價(jià)帶 3p能帶 價(jià)帶3s與3p能帶之間無電子禁帶共五十五頁能帶的分類(fn li)滿帶：各個(gè)能級(jí)(nngj)都被電子填滿的能

4、帶禁帶：兩個(gè)能帶之間的區(qū)域其寬度直接決定導(dǎo)電性價(jià)帶：由最外層價(jià)電子能級(jí)分裂后形成的能帶（一般被占滿）空帶：所有能級(jí)都沒有電子填充的能帶 帶隙：禁帶的寬度共五十五頁導(dǎo)體(dot)、絕緣體和半導(dǎo)體(dot)導(dǎo)體(dot)：(導(dǎo))價(jià)帶電子絕緣體：無價(jià)帶電子禁帶太寬半導(dǎo)體：價(jià)帶充滿電子禁帶較窄外界能量激勵(lì)滿帶電子激勵(lì)成為導(dǎo)帶電子共五十五頁共五十五頁鎂-1s22s22p63s2理論上，3s能帶會(huì)被電子沾滿但固體鎂的3p與3s能帶有重疊電子可激發(fā)到3s和3p的重疊能帶里的高能級(jí)鎂具有導(dǎo)電性鋁及其他IIIA族元素的3s、3p能帶也有類似(li s)的能帶重疊現(xiàn)象圖5.4共五十五頁過渡(gud)族金屬的導(dǎo)電性

5、未被充滿的3d能帶和4s能帶發(fā)生(fshng)重疊，使得電子能夠被激發(fā)到高能量的能級(jí)，能帶之間的復(fù)雜相互作用使得這些金屬的導(dǎo)電性不理想銅族元素的導(dǎo)電性為例外內(nèi)層3d能帶已經(jīng)被電子充滿，這些電子被原子緊緊束縛，不能與4s能帶互相作用，因此導(dǎo)電性非常好共五十五頁IVA主族(zh z)元素的導(dǎo)電性碳、硅、鍺、錫最外層p軌道有2個(gè)電子，化合價(jià)為4理論上，p能帶未被電子充滿，應(yīng)具有良好導(dǎo)電性，實(shí)際并非如此。共價(jià)鍵使得s能帶與p能帶都被原子束縛，且能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生復(fù)雜的變化，即雜化現(xiàn)象按參加雜化的原子軌道種類，軌道雜化有sp和spd兩種主要類型，分為(fn wi)sp、sp2、sp3、dsp2、sp3d、sp

6、3d2、d2sp3按雜化后形成的幾個(gè)雜化軌道的能量是否相同，軌道的雜化可分為等性和不等性雜化共五十五頁金剛石中的碳原子2s和2p能級(jí)相互作用，形成2個(gè)雜化能帶，每個(gè)能帶能容納4N個(gè)電子，因此形成價(jià)帶（滿帶）和導(dǎo)帶（空帶）禁帶寬度Eg較大，電子難以被激發(fā)而躍遷金剛石的電導(dǎo)率低鍺、硅、錫與金剛石相似(xin s)Eg較金剛石中的碳小硅、錫為典型的半導(dǎo)體共五十五頁Mg vs. C，什么(shn me)區(qū)別？MgC共五十五頁3.2.3 超導(dǎo)(cho do)現(xiàn)象純金屬的導(dǎo)電性載流子數(shù)量載流子（電子）移動(dòng)速率溫度對(duì)導(dǎo)電性的影響T，原子振動(dòng)幅度(fd)變大，對(duì)電子的阻礙作用增加電阻率與溫度T之間的關(guān)系對(duì)某些

7、材料，溫度降到Tc以下時(shí)，電阻變?yōu)榱悖娏骺稍诓牧现袩o限流動(dòng)共五十五頁BCS理論(lln)由Bardeen、Cooper和Schriefer三人提出當(dāng)晶格中原子振動(dòng)頻率（聲子）與電子對(duì)的波長（頻率）同步時(shí)，就會(huì)發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象電子在晶格中移動(dòng)時(shí)會(huì)吸引鄰近格點(diǎn)上的正電荷，導(dǎo)致格點(diǎn)的局部畸變，形成一個(gè)局域的高正電荷區(qū)。這個(gè)局域的高正電荷區(qū)會(huì)吸引自旋相反的電子，和原來的電子以一定的結(jié)合能相結(jié)合配對(duì)，形成“庫伯對(duì)”在很低的溫度(wnd)下，這個(gè)結(jié)合能可能高于晶格原子振動(dòng)的能量，這樣，電子對(duì)將不會(huì)和晶格發(fā)生能量交換，也就沒有電阻，形成 “超導(dǎo)”BCS理論的適用性理論Tc極限值為30K，但今年發(fā)現(xiàn)的很多超導(dǎo)體

8、Tc值高于30K，有些甚至高于100K。/blog-480705-416002.html共五十五頁Meissner效應(yīng)(xioyng)Meissner效應(yīng)將一塊金屬變成超導(dǎo)體，就會(huì)發(fā)現(xiàn)磁場被排斥到超導(dǎo)體外去，即磁力線不能穿過超導(dǎo)材料強(qiáng)磁性(cxng)物體會(huì)吸引磁力線Meissner效應(yīng)是一種與強(qiáng)磁性物體相反的物理現(xiàn)象共五十五頁超導(dǎo)體分類(fn li)第一類（Type I）超導(dǎo)體：超導(dǎo)臨界溫度隨磁場強(qiáng)度的增加而下降只有(zhyu)溫度和磁場都在由Tc和Hc組成的二維區(qū)域內(nèi)，才會(huì)呈現(xiàn)超導(dǎo)性第二類（Type II）超導(dǎo)體：磁場強(qiáng)度增加時(shí)，從完全超導(dǎo)體先轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蠣顟B(tài)導(dǎo)體，最后轉(zhuǎn)變成普通導(dǎo)體在某一磁場

9、強(qiáng)度下，可能表面是超導(dǎo)體，內(nèi)部是普通導(dǎo)體Tc和Hc通常都大于第一類超導(dǎo)體共五十五頁超導(dǎo)技術(shù)(jsh)的應(yīng)用醫(yī)療高效電力傳輸高速(o s)計(jì)算機(jī)磁懸浮列車高速輪船核聚變反應(yīng)堆超導(dǎo)核碰撞機(jī)共五十五頁高溫(gown)超導(dǎo)傳輸電線高能物理(o nn w l)中的超導(dǎo)體/pub/science/accelerator/共五十五頁超導(dǎo)(cho do)發(fā)電機(jī)TcSUH Flywheel超導(dǎo)磁性(cxng)儲(chǔ)能鎖磁力，非接觸超導(dǎo)體放入此容器中共五十五頁3.3 半導(dǎo)體與p-n結(jié)半導(dǎo)體硅、鍺等半導(dǎo)體材料是制造許多電子器件的基礎(chǔ)，導(dǎo)電性易控制，通過適當(dāng)組合可得到各種( zhn)開關(guān)、放大器等共五十五頁3.3.1 本

10、征半導(dǎo)體Si電子受到激勵(lì)躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)(chxin)此時(shí)外加電場，發(fā)生電子/空穴移動(dòng)導(dǎo)電電子(dinz)和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的E共五十五頁本征半導(dǎo)體的能帶圖電子向?qū)кS遷空穴(kn xu)向價(jià)帶反向躍遷導(dǎo)帶 EC價(jià)帶 EV帶隙 Eg = 1.1 eV空穴(kn xu)共五十五頁本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)(tdin)溫度的影響與對(duì)金屬的影響相反應(yīng)用兩種載流子數(shù)量相等，無法(wf)顯示出特性，不能制作晶體管等電子器件載流子數(shù)量對(duì)光、射線、溫度敏感，可做探測器種類單質(zhì)：鍺 vs. 硅化合物半導(dǎo)體共五十五頁本征載流子濃度(nngd)電子或空隙的定量濃度其中 為材料的特征常數(shù)kB 為玻耳茲曼常數(shù)m

11、e 電子的有效質(zhì)量(zhling)mh 空穴的有效質(zhì)量室溫下Si：ni=9.65109cm-3GaAs：ni=2.25106cm-3。共五十五頁3.3.2 非本征半導(dǎo)體第V族元素（如磷P, 砷As, 銻Sb）摻入Si晶體后，產(chǎn)生的多余電子受到的束縛(shf)很弱，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能讓它掙脫束縛成為自由電子。這個(gè)電離過程稱為雜質(zhì)電離。AsAs+施主(shzh)雜質(zhì)（Donor）如何改變半導(dǎo)體中電子的數(shù)量？共五十五頁n型半導(dǎo)體能級(jí)(nngj)圖施主(shzh)能級(jí)電子能量電子濃度分布空穴濃度分布施主雜質(zhì)電離使導(dǎo)帶 電子濃度增加 被施主雜質(zhì)束縛住的多余電子所處的能級(jí)稱

12、為施主能級(jí)。由于施主能級(jí)上的電子吸收少量的能量 DED后可以躍遷到導(dǎo)帶，因此施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶很近的禁帶。共五十五頁3.3.2 非本征半導(dǎo)體如何改變半導(dǎo)體中空穴(kn xu)的數(shù)量？B B受主雜質(zhì)(zzh)（Acceptor）第III族元素（如銦In,鎵Ga,鋁Al）摻入Si晶體后，產(chǎn)生多余的空穴，它們只受到微弱的束縛，只需要很少的能量 DEA 0Ke-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-共五十五頁費(fèi)米(fi m)能級(jí)判斷一個(gè)系統(tǒng)是否處于平衡狀態(tài)的關(guān)鍵是其費(fèi)米能級(jí)是否相等費(fèi)米能級(jí)相當(dāng)于水平面一個(gè)相同(xin tn)的系統(tǒng)中，水平面必須相等兩個(gè)相互獨(dú)立、互不影響的材料，費(fèi)米面

13、可以不一樣，但兩個(gè)材料連成一個(gè)系統(tǒng)，就會(huì)在兩者之間發(fā)生電荷移動(dòng)，最終使費(fèi)米能級(jí)相等共五十五頁表面(biomin)能帶的彎曲畫表面能帶結(jié)構(gòu)圖的原則費(fèi)米能級(jí)相同能帶是連續(xù)的禁帶寬度不可改變電子能級(jí)向上為變高空穴能級(jí)向下(xin xi)為變高n型半導(dǎo)體的表面能帶電子從內(nèi)部向表面遷移，在表面出現(xiàn)負(fù)電荷，接近表面的內(nèi)部會(huì)因缺少電子而出現(xiàn)帶正電荷，成為一個(gè)p型反轉(zhuǎn)層共五十五頁Honda-Fijishima效應(yīng)(xioyng)TiO2半導(dǎo)體的光催化水溶液中的TiO2電極被光照射后，在二氧化鈦電極上會(huì)產(chǎn)生氧氣，在對(duì)極的鉑電極上會(huì)產(chǎn)生氫氣(qn q)光激發(fā)的電子進(jìn)入半導(dǎo)體電極內(nèi)部，空穴到達(dá)半導(dǎo)體表面?？昭ㄅc水里

14、的氧離子相互作用，電子則通過鉑電極與氫離子相互作用染料敏化太陽能電池共五十五頁3.4.2 半導(dǎo)體與半導(dǎo)體接觸(jich)p-n結(jié)的界面(jimin)載流子耗盡區(qū)p-n結(jié)整流原理空間電荷層產(chǎn)生的內(nèi)建電壓Ubi(built-in)順著Ubi方向，載流子容易流動(dòng)，導(dǎo)通逆著Ubi方向，載流子不易流動(dòng)，截?cái)喙参迨屙搸讉€(gè)(j )物理量在p-n結(jié)中的分布情況擴(kuò)散電位雜質(zhì)濃度載流子濃度空間電荷共五十五頁p-n光電轉(zhuǎn)換(zhunhun)太陽能電池光子激發(fā)電子/空穴對(duì)，電子到n型導(dǎo)帶上，空穴到p型價(jià)帶上光子能量轉(zhuǎn)變成電荷(dinh)能量，并在空間上將正負(fù)電荷(dinh)分開接入回路后可產(chǎn)生電能異質(zhì)結(jié)：兩個(gè)禁帶寬

15、度不同的半導(dǎo)體材料組成的p-n結(jié)CdS-CdTe異質(zhì)結(jié)太陽能電池共五十五頁3.4.3 半導(dǎo)體與金屬(jnsh)的接觸功函數(shù)=真空能級(jí)(nngj)費(fèi)米能級(jí)標(biāo)準(zhǔn)M vs. S分類肖特基接觸歐姆接觸共五十五頁肖特基接觸(jich)具有整流特性(txng)，也叫整流接觸肖特基勢壘M S共五十五頁肖特基接觸(jich)高頻(o pn)特性好，開關(guān)速度快，熱噪聲低共五十五頁歐姆(u m)接觸考慮(kol)表面能級(jí)，與金屬接觸都會(huì)形成勢壘通過重?fù)诫s與金屬接觸，使勢壘很薄，電子可以通過隧道效應(yīng)穿過勢壘，形成歐姆接觸應(yīng)用于電極引線共五十五頁內(nèi)容摘要3.2.1 經(jīng)典電子理論。一價(jià)金屬和二價(jià)金屬的導(dǎo)電問題。一價(jià)金屬的導(dǎo)電性比二價(jià)金屬好。內(nèi)層電子受其他(qt)原子影響小，外層原子受影響大。禁帶：兩個(gè)能帶之間的區(qū)域其