第五章_材料的电学性能

第五章材料的电学性能主要内容：材料的导电性能半导体的电学性能绝缘体的电学性能影响金属导电性的因素电学性能主要是导电性能和介电性能1.材料的导电性1.1电阻率和电导率欧姆定律：V=RI电阻R和导体材料本身的性质有关，还与长度L及截面积有关即：电阻率ρ只与材料性质有关，与导体的几何尺寸无关，单位Ω.m电导率：σ=1/ρ根据电导率可把材料分为：导体：ρ10-2Ω.m半导体：ρ在10-2～1010Ω.m绝缘体：ρ1010Ω.mSLR1.材料的导电性1.2金属导电理论1：经典自由电子理论假设：在金属晶体中，正离子构成晶体点阵，价电子是完全自由的，称为自由电子，弥散分布在整个点阵中自由电子之间及它们和正离子之间的相互作用类似机械碰撞在没有外加电场时，自由电子沿各个方向运动的几率相同，不产生电流有外加电场时，自由电子沿电场方向定向运动，形成电流自由电子定向运动时，要和正离子碰撞，电子运动受阻，产生电阻1.材料的导电性1.2金属导电理论电导率：l：平均自由程：电子运动的平均速度n：单位体积的自由电子数m：自由电子质量e：自由电子电荷：电子两次碰撞之间的平均时间tmnevmlne2222vt1.材料的导电性1.2金属导电理论2：量子自由电子理论假设：正离子形成的电场是均匀的；价电子与离子间没有相互作用,可在整个金属中自由运动原子的内层电子保持着单个原子的能量状态；所有价电子按量子化规律具有不同的能量状态；即具有不同的能级电子具有波粒二象性，运动着的电子作为物质波，其频率和波长与电子的运动速度或动量之间的关系为：或phmvhhphmv2221.材料的导电性1.2金属导电理论在一价金属中，自由电子的动能代入其中：波数频率－表征金属中自由电子可能具有的能量状态的参数＝常数221mvE2228KmhE2Kmh2281.材料的导电性1.2金属导电理论E－K关系曲线为抛物线，“+”和“－”表示电子运动的方向从粒子的观点，E－K曲线表示自由电子的能量与速度（或动量）的关系从波动的观点，E－K曲线表示电子的能量和波数之间的关系，波数越大，能量越高0K时电子所具有的最高能态称为费米能（EF），同种金属费米能是一定值，不同金属费米能不同自由电子的E-K曲线1.材料的导电性1.2金属导电理论在外加电场的作用下外加电场使向着其正向运动的电子能量降低，反向运动的电子能量升高部分能量较高的电子转向电场正向运动的能级，从而使正反向运动的电子数不等，使金属导电电场对E-K曲线的影响1.材料的导电性1.2金属导电理论从上分析可知：不是所有的自由电子都参与导电，而是只有处于较高能态的自由电子参与导电电磁波在传播过程中被离子点阵散射，相互干涉形成电阻对于绝对纯的理想晶体，0K时，电子波的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零（超导现象）实际金属：缺陷、杂质产生的静态点阵畸变和热振动引起动态点阵畸变，对电磁波造成散射，这是金属产生电阻的原因1.材料的导电性1.2金属导电理论由此导出电导率为nef：单位体积内参与导电的电子数，有效自由电子数t：两次散射之间的平均时间p：单位时间内散射的次数，散射几率pmentmenefef1.22221.材料的导电性1.2金属导电理论3：能带理论能级的分布可以看成是准连续的（称为能带）；金属中的价电子是公有化，能量是量子化金属中离子造成的势场是不均匀的，而是呈周期变化的电子在周期势场中运动时，随着位置的变化，它的能量也呈周期性的变化（接近正离子时势能降低，离开时势能增高）价电子在金属中的运动不能看成完全自由的，而是受到周期场的作用由于周期场的影响，使得价电子在金属中以不同能量状态分布的能带发生分裂，即有某些能态电子是不能取值的，存在能隙1.材料的导电性1.2金属导电理论禁带：能隙所对应的能带称为禁带。禁带的宽窄取决于周期势场的变化幅度，变化越大，禁带越宽允带：电子可以具有的能级所组成的能带称为允带。在允带中每个能级只允许有两个自旋反向的电子存在空能级：允带中未被填满电子的能级，具有空能级允带中的电子是自由的，在外加电场的作用下参与导电，所以这样的允带称为导带满带：一个允带所有的能级都被电子填满的能带周期场中电子运动的E-K曲线及能带1.材料的导电性1.2金属导电理论能带填充情况示意图1.材料的导电性1.3无机非金属导电机理离子晶体中的电导主要为离子电导。晶体的离子电导主要有两类：第一类，固有离子电导（本征电导），源于晶体点阵的基本离子的运动。离子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷。（高温下显著）第二类，杂质电导，由结合力较弱的离子运动造成的。（较低温度下杂质电导显著）载流子浓度对于固有电导（本征电导），载流子由晶体本身热缺陷—弗仑克尔缺陷和肖脱基缺陷提供1.材料的导电性1.3无机非金属导电机理本征电导率式中：AS：材料的特性常数；取决于可迁移的离子数ES：离子激活能杂质引起的导电率当材料中存在多种电导载流子时，材料的总导电率是各种电导率的总和)/exp(kTEAsss)/exp(22TBA1.材料的导电性1.3无机非金属导电机理热缺陷的浓度决定于温度T和离解能Es。常温下比起KT来Es很小，因而只有在高温下，热缺陷浓度才显著大起来，即固有电导在高温下显著杂质离子载流子的浓度决定于杂质的数量和种类。因为杂质离子的存在，不仅增加了电流载体数，而且使点阵发生畸变，杂质离子离解活化能变小。和固有电导不同，低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定1.材料的导电性1.4影响金属导电性的因素一：温度温度升高时：1）离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大2）导致电子运动的自由程减小，散射几率增加，使电阻率增大T=2KT﹤﹤ΘDT2/3ΘD在高于室温以上温度时金属电阻率与温度的关系2T5TT)1(0TTTT001.材料的导电性1.4影响材料导电性的因素二：应力弹性拉应力，使原子间距增大，点阵畸变增大，电阻增大关系如下ρ0－未加载荷时的电阻率，α－应力系数，σ－拉应力压应力使原子间距减小，点阵动畸变减小，电阻率降低关系如下ρ0－真空下的电阻率，φ－压力系数（负数），p－压力)1(0)1(0p1.材料的导电性1.4影响材料导电性的因素三：冷加工变形使晶体点阵畸变、晶格缺陷增加（特别是空位浓度），造成点阵电场的不均匀而加剧对电子的散射原子间距改变，导致电阻率增加再结晶时，使电阻降低马基申定则：式中：ρ(T)：与温度有关的退火金属电阻率Δρ：冷加工变形产生的附加电阻率，与温度无关)(T1.材料的导电性1.4影响材料导电性的因素四：合金元素及相结构1：固溶体形成固溶体时，电阻率增加溶质原子的溶入引起溶剂点阵的畸变，破坏了晶格势场的周期性，增加电子的散射组元间化学相互作用（能带、电子云分布等）加强，有效电子数减少1.材料的导电性1.4影响材料导电性的因素根据马基申定则：ρ0：固溶体溶剂组元的电阻率ρ/：残余电阻率其中γc：溶质原子含量Δρ：1%溶质原子引起的附加电阻率上式表明：合金电阻由两部分组成溶剂的电阻，它随温度升高而增大溶质引起的附加电阻，与温度无关，与溶质原子的含量有关Au-Ag合金电阻率和成分的关系0.c1.材料的导电性1.4影响材料导电性的因素2：有序固溶体有序化后，合金组元化学作用加强，电子结合比无序化增强，导致导电电子数减少而使合金电阻增加晶体的离子电场在有序化后更对称，减少电子散射电阻降低（主导）因此合金有序化后，总体电阻降低但对某些合金（含有过渡族金属元素），存在局部的原子偏聚，其成分与固溶体的平均成分不同。原子偏聚区的几何尺寸与电子自由程同数量级，增加电子散射几率，提高合金电阻率1.材料的导电性1.4影响材料导电性的因素4：化合物、中间相、多相合金当两种金属形成化合物时，电阻率要比纯组元高很多化合物原子间的金属键部分地转化为共价键或离子键，导电电子数减少中间相的导电性在固溶体和化合物之间与组成相的导电性、相对量、合金的组织形态有关。通常近似认为多相合金的电阻率为各相电阻率的加权平均2.半导体的电学性能2.1本征半导体的电学性能特点元素周期表中的IVA族的C、Si、Ge、Sn、Pb原子间的结合是共价键本征半导体－指纯净的无结构缺陷的半导体单晶本征激发过程2.半导体的电学性能2.1本征半导体的电学性能在0K时，半导体的空带中无电子，即无电子的运动在温度升高或受光照射时，半导体受热激发，其中一部分获得足够大能量的价电子就可以挣脱束缚，离开原子而成为自由电子，跃迁到空带。这时空带中有了一部分导电的电子，称为导带，满带中由于部分价电子的迁出出现了空位置，称为价带当一个价电子离开原子后，在共价键上留下一个空位，在共有化运动中，相邻的价电子很容易填补到这个空位，从而又出现新的空位，其效果等价于空位移动在外加电场作用下，自由电子和空穴都能导电，它们统称为载流子2.半导体的电学性能2.1本征半导体的电学性能1）本征载流子的浓度K1：常数，其值为4.82x1015K-3/2；Eg：禁带宽度2）本征半导体的迁移率单位场强（V/cm）下自由电子的平均漂移速度因此自由电子的平均漂移速度)2exp(2/31kTETKpngiiEvnnn2.半导体的电学性能2.1本征半导体的电学性能3）空穴的平均迁移率单位场强（V/cm）下空穴的平均漂移速度4）空穴的平均漂移速度自由电子的自由度大，故迁移率较大，空穴的漂移被约束在共价键范围内，所以空穴的迁移率小5）本征半导体的电阻率因为电流密度电阻率EvppEqnEqnvqpvqnjjjpinipinipn)(1pnipiniiqnEqnEqnEjE2.半导体的电学性能2.1本征半导体的电学性能本征半导体小结本征激发成对地产生自由电子和空穴，自由电子浓度和空穴浓度相等禁带宽度越大，载流子浓度越小温度升高时，载流子浓度增大载流子浓度与原子浓度相比是极小的，所以本征半导体的导电能力很微弱2.半导体的电学性能2.2杂质半导体的电学性能一、n型半导体加五价元素：磷、砷、锑，晶体中自由电子浓度增加原因五价元素的原子有五个价电子顶替晶格中的一个四价原子时，有一个价电子变成多余这个价电子能级ED靠近导带底，（EC-FD）比Eg小得多多余价电子具有大于（EC-ED）的能量，进入导带成为自由电子2.半导体的电学性能2.2杂质半导体的电学性能n型半导体结构n型半导体能带图2.半导体的电学性能2.2杂质半导体的电学性能五价元素称为施主杂质；ED施主能级；（EC-ED）施主电离能n型半导体中，自由电子浓度大，自由电子称为多数载流子（多子）；空穴称为少子在电场作用下，以电子导电为主（电子型半导体）电流密度电阻率EqnjjnnonnDnnonqNqn112.半导体的电学性能2.2杂质半导体的电学性能二、p型半导体掺入三价杂质元素：硼、铝、镓、铟，空穴浓度增加多余一个空位置，其它同n型半导体电流密度电阻率特点（与本征半导体相比）掺杂浓度虽小，但载流子浓度大大提高，导电能力大大提高掺杂只是使一种载流子浓度提高，主要靠多子导电EqnjjppoppAppopqNqn112.半导体的电学性能2.2杂质半导体的电学性能p型半导体结构p型半导体能带图3.绝缘体的电学性能3.1绝缘体的介电性能一、极化的基本概念现象：1、在真空平行板电容器电极间嵌入介质2、在电极之间加外电场3、介质表面会感应出电荷4、正极板附近：负电荷负极板附近：正电荷5、电荷不会跑到极板上形成电流（束缚电荷）极化：介质在电场作用下产生感应电荷的现象，这类介质称为电介质电介质极化示意图3.绝缘体的电学性能3.1绝缘体的介电性能特点组成介电质的粒子（原子、分子和离子）可分为非极性