材料物理性能05.

12.3.4半导体器件及导电特性•半导体器件复杂多样，其中最简单，最基础的就是二级管！•将n型半导体和p型半导体相接触，结合在一起，就形成了二级管。•二级管中会形成PN节－半导体器件的核心！•PN节具有单向导通性！22.3.4半导体器件及导电特性NP-+NP+-32.3.4半导体器件及导电特性•平衡PN结势垒qVDP型N型费米能级PNE4PN结的正向注入当PN结加有正向偏压时（P区为正向电压），外加电压使空间电荷区中的电场减弱，打破了漂移运动和扩散运动的相对平衡。E’E0E=E0+E’PN在这种情况下，电子源源不断地从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散，成为非平衡载流子。这种现象称为PN结的正向注入。5PN结的正向注入通过单位面积PN结的总电流就是11/0/00TkqVTkqVNppPnnBBejepLDnLDqjPN结电流与少子浓度称正比，并且随正向电压增加指数形式增加。6PN结的反向抽取E’E0E=E0+E’PN反向偏压PN结空间电荷区中电场加强，载流子的漂移运动超过扩散运动。P型区的电子一旦接近空间电荷区边界，就要被电场拉向N区。靠近边界的N型区的空穴，被拉向P区。这种现象称为PN结的反向抽取。它们构成了PN结的反向电流。PN结反向偏压时，势垒高度增加为q(VD+Vr)7PN结的反向抽取总电流密度TkqVTkqVNppPnnBrBrejepLDnLDqj/0/0011qTkVBr一般000NppPnnpLDnLDqjj反向饱和电流82.4离子导电性及超导简介•2.4.1离子导电性1、离子导电机理及影响因素•离子在电场作用下移动形成电流•本征导电：热运动造成的离子发生移动•杂质导电：杂质离子移动形成的电流91、离子导电机理及影响因素－＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋－正空格点正间隙离子负间隙离子负空格点离子晶体中的缺陷101、离子导电机理及影响因素Eqxε-Eqd/2ε+Eqd/2d有外场E时ε无电场TkexpB0Tk/EqdexpB20Tk/Eqdexp002TkEqdTkEqdTkeee000220TkEqdsinheTk00220111、离子导电机理及影响因素Eqxε-Eqd/2ε+Eqd/2d有外场E时TkEqdsinheTk00220这样就使原来无规则的跳跃发生了沿电场方向的偏向。把上式乘以每步跳动的距离d，就得到每秒钟平均沿电场移动的距离dTkVTkEqdsinhde00220121、离子导电机理及影响因素我们称这种由于外场影响，在原来无规则运动之上引起的平均运动为“漂移”，对于一般的电场EqdkBT，ETk/expdTkqBB20TkdTkqBB/exp20称为离子的迁移率TkEqdsinhdeVTkd00220131、离子导电机理及影响因素•如果令n0表示单位体积内间隙离子的数目，由漂移速度可以直接得到电流密度：EqVnjd0Tk/BBedTkqn2020可以看到电导率密切依赖与温度，除了上式中的指数因子外，间隙原子密度n0也随温度有类似的指数变化关系。TkQBeNn00141、离子导电机理及影响因素•温度的影响TkQBTk/BBBedTkNqedTkqn2022020TkQdTkNqlnlnBB202•离子性质、晶体结构的影响————离子大小、晶体内部离子移动“通道”•点缺陷的影响————点缺陷会影响能够移动的离子的数目。152陶瓷材料的导电性•既有离子电导，又有电子电导•既有类似金属的自由电子电导，又有类似半导体的电子、空穴电导！162.4.2超导性•1903年荷兰人Onnes获得液氦（4.2K）•1911年他们发现水银在4.2K附近电阻检测不到了！•在一定的低温下，物质突然失去电阻的现象——超导电性1913年获诺贝尔物理奖HeikeKamerlinghOnnes（1853~1926）theNetherlandsLeidenUniversityLeiden,theNetherlands172.4.2超导性•1960年前，超导体研究局限在金属和金属间化合物中。•1957年BCS理论发表，成功解释当时已知的所有实验现象，并预言金属和金属间化合物Tc温度不会超过30K•1960年后开始在氧化物中寻找超导体18J.GeorgBednorzK.AlexanderMuller1/2oftheprize1/2oftheprizeFederalRepublicofGermanySwitzerlandIBMResearchLaboratoryRechlikon,Switzerlandb.1950b.1927在陶瓷（金属氧化物）中发现超导现象，超导研究取得重大突破诺贝尔物理奖获得者1986年，192.5超导体超导电性的金属和合金Tc＜30K钛、钒、锆、铌、钼、钽、钨、铼、铋、铝、锡、镉等28种。二元合金NbTi，Tc＝8～10K；NbZr，Tc≈10～11K。三元系合金有铌-钛-锆，Tc=10K；铌-钛-钽，Tc=9～10K。超导化合物Nb3Sn，Tc=18～18.5K；Nb3Ge，Tc≈23.2K，Nb3（AlGe），Tc≈20.7K等超导电性的金属氧化物1960‘sBa-Cu-O系，35K,1986,Bednorz,MullerBa-Y-Cu-O系,100K,1987,我国赵忠贤等Hg-Ba-Cu-O系，～140K202、超导体的两种特性：完全导电性完全抗磁性磁感应强度始终为零3、三个性能指标超导转变温度Tc愈高愈好临界磁场Hc破坏超导态的最小磁场。随温度降低，Hc将增加；当T＜Tc时,Hc=Hc0[1-（T/Tc)2]临界电流密度Jc保持超导状态的最大输入电流(与Hc相关）21FIGURECriticaltemperature,currentdensity,andmagneticfieldboundaryseparatingsuperconductingandnormalconductingstates201ccTcTTHH222.5超导体•第二类超导体•存在两个临界磁场Bc1和Bc2，磁感应强度介于两个磁场之间时，有部分区域允许磁力线通过（正常态），•材料整体还处于零电阻态。•Bc1往往很大！迈斯纳相正常相混合相232.5超导体•超导体的应用•利用零电阻效应－导线，超导磁体•利用超导隧道节（约瑟夫森节）－测量磁场（超灵敏－生物磁场变化）•超导应用的关键技术（制备导线、薄膜）24第一章材料的热学性能•材料及其制品对不同温度作出的反应，称为热学性能。•热容、热膨胀、热传导、耐热性、抗热震性能等。•热性能的物理概念、物理本质、影响因素、测量方法和工程意义，•为选材、用材、改善材料性能、探索新材料、新工艺打下物理理论基础。251.1晶格热振动•各种热学性能的物理本质，均与晶格振动有关！•组成晶格的原子在一般情况下（温度不为0）都会偏离其平衡位置，作微小振动！•这种振动可以近似地看成是简谐振动！•由于原子间作用力，一个原子的振动会影响到其邻近原子的振动，•导致相邻原子间存在振动位相差，•不同原子不同的振动位相差，就像简谐波一样在晶体中传播。•这种波就称为“格波”261.1晶格热振动•也可以把原子的振动看成是不同的格波传播到这里产生的振动位移的叠加！•简谐波的基本特征量－频率和波矢量•格波的频率和波矢量要满足一定的条件！•格波频率与波矢量之间的关系称色散关系•在复式晶格中波矢量和频率间的关系不是一一对应的，对于同样的波矢量，可能有不同的频率与其对应。个频率对应每个波矢量个原子的复式晶格，例如，原胞中有nn3q271.1晶格热振动•其中有3个频率的格波称为“声学波”•另外3n-3个频率的格波称为“光学波”•满足条件的波矢量只有N（晶体原胞数）个。•每组（频率、波矢量）代表一种简谐波。•如前所述，晶格振动可以看成是满足一定条件的简谐波－“格波”的叠加！•晶格振动可以看成是3nN种简谐波的叠加！281.1晶格热振动•根据量子力学，简谐振动能量是量子化的，为qqqnE21为声子数称为“声子”，其能量子qqn简谐波具有能量的概率为qETknTkEBqqBqee21这也是具有nq个频率为q的声子的几率291.1晶格热振动3nN种简谐波，就有3nN种声子。晶格振动总能量可以看成是3nN种简谐波能量的总和！nNq,iTkqiiBieqqE312111TkqqBqen声子的平均声子数为频率为qqE声子的平均能为频率为121TkqqBqe301.1晶格热振动•引入声子概念后，很多与晶格振动有关的问题，都可以用“声子语言”来处理。•课本P3。311.2材料的热容•1.2.1材料的热容及其与温度的关系•1、热容的基本概念和物理本质热容：材料在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1℃或降低1℃所吸收或放出的热量（能量）。单位为J/K,或J/℃。TTTQC321、热容的基本概念和物理本质•冷，热－－如何定量衡量？温度！冷、热的物理本质是什么？微观粒子无规则运动（热运动）强度的一种表现！因此材料的温度也是组成材料的微观粒子无规则运动强度的度量！组成材料的微观粒子的无规则运动包括晶格振动和自由电子运动331、热容的基本概念和物理本质暂时不考虑自由电子的运动，温度升高意外着晶格振动加剧，也意味着体系能量（内能）升高，要外界给其能量！表现为吸热！吸热的过程与热容也有关系，如果升温过程中体积膨胀，这表示对外作了功！那么升高同样的温度，体积膨胀的就要比不膨胀的吸收热量多！341、热容的基本概念和物理本质•定容热容•定压热容VVVTETQCpppTHTQCPVEH比热容mTQcTT1Kkg/J摩尔热容Kmol/JKTVCCmVm,Vm,p2352、热容随温度变化的实际规律•P5，3个区域的划分！•1.2.2晶体固体热容的经典理论和经验定律•19世纪中叶以前，人类能实现的低温范围很有限，在有限的低温和室温或较高温度下，测定材料的热容为常数！•经典统计物理给出的解释也指出材料的比热是常数！•19世纪末期，人类能够获得更低的温度，发现材料的比热随温度下降而下降！361.2.3热容的量子理论nNq,iTkqiiBieqqE3121Vm.VTEC03221Nq,iTk/qTk/qBiBBiBieeTkqk爱因斯坦理论22013Tk/qTk/qBiBm,VBiBieeTkqkNC371.2.3热容的量子理论高温时92430.kNCBm,V低温时Tk/BiBm,VBieTkkNC203爱因斯坦理论给出热容随温度下降的趋势，但细节与实际不符。381.2.3热容的量子理论•德拜假设：格波的频率与波矢量成正比！Tk/mBVBmdeeTkRTC024319高温时低温时34024351219mBmBVTkRdeeTkRTC34512TR92431322.ReeTkkCnTk/Tk/BiBm,VBiBi39自由