1、主講教員：劉呈燕 博士桂林電子科技大學材料科學與工程學院桂林電子科技大學材料科學與工程學院為什么要學材料物理 材料的應用大都基于其物理現象、物理效應。 是對物理現象與本質、微觀機制的探討，從而指導工程實踐。 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。 隨著新材料產業與信息時代的飛速發展，對材料提出了更高的要求，因此，對材料的物理性能的學習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，哈爾濱工業大學出版社，工業大學出版社，2003。參考書目：1. 馬向東,王振廷.材料物理性能.中國礦業大學出版社,2002.2. 田蒔,材

2、料物理性能.北京航空航天大學出版社,20013. 關振鐸,張中太,焦金生.無機材料物理性能.清華大學出版社,1998.主要內容及學時安排1、材料的電學性能、材料的電學性能 20學時學時2、材料的磁學性能、材料的磁學性能 16學時學時3、材料的光學性能、材料的光學性能 12學時學時注意事項注意事項 期末成績考評辦法：平時成績占期末成績考評辦法：平時成績占30%，考核，考核70%。n作業缺交作業缺交1次平時成績扣次平時成績扣6分，缺交分，缺交2次以上平時成次以上平時成績為績為0分。分。n曠課曠課1次平時成績扣次平時成績扣5分，曠課分，曠課3次以上平時成績為次以上平時成績為0分。分。第一章第一章 材

3、料的電學性能材料的電學性能 導電性總論 金屬及合金的電學性能 半導體的電學性能 絕緣體的電學性能 超導體的電學性能 接觸電性 熱電性三大熱電效應1.1 1.1 固體的導電性和晶體能帶固體的導電性和晶體能帶物質三態物質三態氣態氣態液態液態固態固態大多數氣體是不導電大多數氣體是不導電多數液態物質均是導電多數液態物質均是導電導電導電性具性具有復有復雜性雜性絕緣體絕緣體半導體半導體導體導體普通塑料、木材、橡膠普通塑料、木材、橡膠硅、鍺硅、鍺 金金 屬屬一、基本現象一、基本現象 不同材料的電阻率（不同材料的電阻率（ 或電導率或電導率 1）：）：導導 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 半導體：半導體： =10 9105s/m Si:Si:r =10r =103 3 LRS=r物質物質導電導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：電場強度：電場強度 導體和非導體的區別半導體和絕緣體的區別(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) 半導體：滿帶和空帶，禁帶寬度很小；(d) 半金屬：滿帶和空帶，無禁帶寬度有關能帶被占據情況的幾個名詞：有關能帶

5、被占據情況的幾個名詞： 1滿帶（排滿電子）滿帶（排滿電子） 2價帶（排滿電子或部分排滿電子）價帶（排滿電子或部分排滿電子） 3導帶（未排電子）導帶（未排電子） 4禁帶（不能排電子）禁帶（不能排電子） 它們的導電性能不同，它們的導電性能不同， 是因為它們的能帶是因為它們的能帶結構不同。結構不同。晶體按導電性能的高低可以分為晶體按導電性能的高低可以分為導體導體半導體半導體絕緣體絕緣體 在外電場的作用下，大量共有化電子很在外電場的作用下，大量共有化電子很 易獲得能量，集體定向流動形成電流。易獲得能量，集體定向流動形成電流。從能級圖上來看，從能級圖上來看，是因為其共有化電子是因為其共有化電子很易從低能

6、級躍遷到高能級上去。很易從低能級躍遷到高能級上去。E導體導體從能級圖上來看，是因為滿帶與空帶之間從能級圖上來看，是因為滿帶與空帶之間有一個有一個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（滿帶）躍遷到共有化電子很難從低能級（滿帶）躍遷到高能級（空帶）上去。高能級（空帶）上去。 在外電場的作用下，共有化電子很難接在外電場的作用下，共有化電子很難接 受外電場的能量，所以形不成電流。受外電場的能量，所以形不成電流。 的能帶結構的能帶結構,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 )。絕緣體絕緣體半導體半導

7、體三、導電性的表征參數三、導電性的表征參數1.1.電阻電阻R R與電阻率與電阻率2.2.電導與電導率電導與電導率：電阻率的倒數，電導率越：電阻率的倒數，電導率越大，材料導電性越好。大，材料導電性越好。3.3.導體、半導體與絕緣體導體、半導體與絕緣體 導導 體：體： 10 10 。 純金屬純金屬：10 10 10 10 合金合金：10 10 10 10 。 半導體：半導體：在在10 10 10 10 。 絕緣體：絕緣體：10 10 。5m87m75m39m9mRUI =SLR/r=一、金屬的導電機制與馬基申定則一、金屬的導電機制與馬基申定則 用量子電子理論和能帶理論可導出所有材料的電用量子電子理

8、論和能帶理論可導出所有材料的電導率：導率： 此式完整地反應了晶體導電的物理本質。此式完整地反應了晶體導電的物理本質。 量子力學可以證明，當電子波在絕對零度下通過量子力學可以證明，當電子波在絕對零度下通過一個一個理想的晶體點陣理想的晶體點陣時，它將不會受到散射而無阻礙時，它將不會受到散射而無阻礙地傳播，即地傳播，即 無窮大，這時無窮大，這時0 0，而，而為無窮大，即為無窮大，即此時的材料是一個理想的導體。此時的材料是一個理想的導體。1.2 1.2 金屬的導電性金屬的導電性碰撞時間間隔）(L=L=men22在晶體點陣的在晶體點陣的完整性完整性及由于晶體點陣離子的及由于晶體點陣離子的熱振動熱振動，晶

9、體中的，晶體中的異類原子、位錯和點缺陷等異類原子、位錯和點缺陷等使晶體點陣的使晶體點陣的周期性遭到破壞周期性遭到破壞，電，電子波就會受到散射，子波就會受到散射， 減小，從而產生了阻礙作用，降低導電減小，從而產生了阻礙作用，降低導電性，這就是性，這就是材料產生電阻的本質材料產生電阻的本質所在。所在。 令令 為散射系數，可導出：為散射系數，可導出： 即材料的電阻與散射系數成正比。即材料的電阻與散射系數成正比。 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，離子熱振動的振幅增大，電金屬材料隨溫度升高，離子熱振動的振幅增大，電子就愈易受到散射，可認為子就愈易受到散射

10、，可認為與溫度成正比，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 由于實際的晶體并非理想，會有雜質和缺陷。因此，傳導電由于實際的晶體并非理想，會有雜質和缺陷。因此，傳導電子的散射發生在子的散射發生在電子電子- -聲子、電子聲子、電子- -雜質以及其它點陣靜態缺陷相雜質以及其它點陣靜態缺陷相互互相碰撞的時候。相碰撞的時候。 金屬電阻包括：金屬電阻包括： （1 1）基本電阻）基本電阻(T)(T) ：對應聲子散射和電子散：對應聲子散射和電子散射兩機制，由射兩機制，由熱振動熱振動產生，與溫度有關，產生，與溫度有關，0K時時為為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 ：對應電子在：對應電子在雜質和缺陷雜質和缺陷上的散射機制，上的散射機制， 0K時金屬的電阻時金屬的電阻。反應了金屬。反應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。 問題：馬基申定律忽略了電子各種散射機制間的交互問題：馬基申定律忽略了電子各種散射機制間的交互作用，但簡明描述了合金的導電性，并對于作用，但簡明描述了合金的導電性，并對于低濃度固溶體低濃度固溶體與實驗事實

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

13、對電阻率可高達。許多完整的金屬單晶相對電阻率可高達20000。 二、影響金屬導電性的因素二、影響金屬導電性的因素 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，電阻率各向異性。熱處理，幾何尺寸效應，電阻率各向異性。 1.1. 溫度溫度 加熱時發生點陣熱振動和振幅的變化，出現相變、加熱時發生點陣熱振動和振幅的變化，出現相變、回復、空位、再結晶以及合金相成分和組織的變化，回復、空位、再結晶以及合金相成分和組織的變化，這些現象對電阻的變化有重要影響。這些現象對電阻的變化有重要影響。 測量測量電阻與溫度電阻與溫度的關系是研究這些現象和過程

14、的一的關系是研究這些現象和過程的一個重要方法。對于簡單金屬，情況如下。個重要方法。對于簡單金屬，情況如下。 (1)(1)一般規律（指一般金屬的規律）一般規律（指一般金屬的規律） 在絕對零度下，純凈又無缺陷的金屬，電阻率等于在絕對零度下，純凈又無缺陷的金屬，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，若晶體中存在雜質和結構缺陷，率是溫度的單值函數，若晶體中存在雜質和結構缺陷，那么電阻率與溫度的關系曲線將發生變化。那么電阻率與溫度的關系曲線將發生變化。 (T)(T)與與D D 之間的關系之間的關系 (T)(T)在在D D

15、 以上和以下與溫度有不同的函數以上和以下與溫度有不同的函數關系：（關系：（電子聲子散射電子聲子散射） T D D 時：時： 電子電子- -電子電子 T D D時：時： 電子電子-聲子聲子 因此，當研制具有一定電阻值和電阻溫度系數因此，當研制具有一定電阻值和電阻溫度系數值的材料時，知道金屬在哪個溫區工作，怎樣控制值的材料時，知道金屬在哪個溫區工作，怎樣控制和發揮其性能非常重要。和發揮其性能非常重要。)/()()(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 ）：）： 對于正常元素，出現電阻溫度線性關系及對于正常元素，出現電阻溫

16、度線性關系及電阻溫度系數電阻溫度系數 過渡族以外的金屬過渡族以外的金屬 441010-3-3-1-1過渡族金屬特別是磁性金屬過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低溫時低溫時 電阻主要來源于電阻主要來源于“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，增加1.52倍，金屬原子規則排列遭到破壞，電子散射增加所致；也有例外，如Sb金屬。)1 (0TTrr=2普通非過渡族金屬的電阻與溫度的關系如下：普通非過渡族金屬的電阻與溫度的關系如下： (2)(2)過渡族金屬和多晶型轉變過渡族金屬和多晶型轉變 過渡

17、族金屬電阻與溫度間有著復雜的關系。過渡族金屬電阻與溫度間有著復雜的關系。 原因：在過渡族金屬中原因：在過渡族金屬中存在著不同的載體存在著不同的載體，傳導電子有可能從，傳導電子有可能從s-s-殼層向殼層向d-d-殼層過渡，可能對電阻帶來明顯的影響。殼層過渡，可能對電阻帶來明顯的影響。 另外，在另外，在T T D D 時，時，s s態電子在態電子在d d態電子上的散射將變得很態電子上的散射將變得很可觀。可觀。 多晶型金屬多晶型金屬 由于不同結構，電阻溫度系數變化顯著，由于不同結構，電阻溫度系數變化顯著，T T曲線發生轉折。曲線發生轉折。轉折原因轉折原因：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系反常鐵磁金屬的電阻溫度關系反常 鐵磁性金屬的電阻溫度系數，在居里點附近出現極大值。居里鐵磁性金屬的電阻溫度系數，在居里點附近出現極大值。居里點溫度以下，隨著溫度的升高點溫度以下，隨著溫度的升高增大，居里點溫度以上，隨著溫度增大，居里點溫度以上，隨著溫度的升高的升高急劇減小。急劇減小。 此現象在許多儀器制造中被用來獲得電阻溫度系數很高的合金。此現象在許多儀器制造中被用來獲得電阻溫度系數很高的合金。2. 2. 受力情況受力情況（1 1）拉力）拉力 在彈性范圍內單向拉伸或扭轉

19、應力能提高金屬的在彈性范圍內單向拉伸或扭轉應力能提高金屬的，并，并有有（2 2）外界氣壓壓力）外界氣壓壓力 對大多數金屬來說，在受壓力情況下電阻率降低。對大多數金屬來說，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，內部缺：金屬在壓力的作用下其原子間距縮小，內部缺陷的形態、電子結構、費米面和能帶結構以及電子散射機陷的形態、電子結構、費米面和能帶結構以及電子散射機制等都將生變化，引起金屬的導電性能變化。尤其對過渡制等都將生變化，引起金屬的導電性能變化。尤其對過渡族金屬，由于其內部存在著具有能量差別不大的未填滿電族金屬，由于其內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移到有可能使外殼層電子轉移到未填滿的內殼層未填滿的內殼層，這就必然會表現出性能的變化。，這就必然會表現出性能的變化。 )1 (0rr=)1 (0prr= 人們在研究中發現人們在研究中發現幾乎所有純元素隨溫度的變化電阻幾乎所有純元素隨溫度的變化電阻壓力系數幾乎不變壓力系數幾乎不變, ,說明電阻壓力系數與溫度無關。說明電阻壓力系數與溫度無關。 壓力對電阻的影響，金屬可分為兩類：壓力對電阻的影響，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，但隨壓力族的半金屬，它們有正的電阻壓力系數，但隨壓力升高一定值后系數變號，研究表明，這種反常現象升高一定值后系數變號，研究表明，這種反常現象和壓力作用下的和壓力作用下的相變有關相變有關。見圖。見圖2.92.9（c c）。）。 高壓力還能導致物質的金屬化，高壓力還能導致物質的金屬化，引起導電類型引起導電類型的變化，而且有助于從絕緣體的變化，而且有助于從絕緣體- -半導體半導體- -金屬金屬- -超導體超導體的某種轉變。的某種轉變。高壓力能導致物質的金

22、屬化見高壓力能導致物質的金屬化見P60 表表2.1冷加工（詳細見冷加工（詳細見材料科學基礎材料科學基礎）：）：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。在金屬工藝學中，與熱加工相對應，冷加工則指在低于再結晶溫度下使金屬產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冷加工后，經冷加工后，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。 金屬經塑性形變電阻率增大的原因金屬經塑性形變電阻率增大的原因：冷加工使晶體點：冷加工使晶體點陣發生畸變和缺陷，從而增加了電子散射的幾率。同時冷陣發生畸變和缺陷，從而增加了電子散射的幾率。同時冷加工也會引起金屬原子間結合鍵的變化，導致原子間距的加工也會引起金屬原子間結合鍵的變化，導致

24、原子間距的改變。改變。 在在0K時，冷加工的金屬仍保留有某極限電阻率，稱之時，冷加工的金屬仍保留有某極限電阻率，稱之為殘余電阻率。實驗證明，此部分電阻率與溫度無關。為殘余電阻率。實驗證明，此部分電阻率與溫度無關。4. 4. 晶體缺陷晶體缺陷 空位、位錯、間隙原子及它們的組合等晶體缺陷使空位、位錯、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。 根據馬基申定律，在極低溫度下，純金屬電阻率主根據馬基申定律，在極低溫度下，純金屬電阻率主要由其內部缺陷決定。研究晶體缺陷對電阻率的影響，要由其內部缺陷決定。研究晶體缺陷對電阻率的影響，對于估價單晶體結構完整性有重要意義。掌握這些缺對于估

25、價單晶體結構完整性有重要意義。掌握這些缺陷對電阻的影響，可以研制具有一定電阻值的金屬。陷對電阻的影響，可以研制具有一定電阻值的金屬。半導體單晶體的電阻值就是根據這個原則進行人為控半導體單晶體的電阻值就是根據這個原則進行人為控制的。不同類型的晶體缺陷對金屬電阻的影響程度不制的。不同類型的晶體缺陷對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、單位體積中位錯線的單位長度、單位體積中晶界的單單位體積中位錯線的單位長度、單位體積中晶界的單位面積所引起的電阻率變化來表征點缺陷、線缺陷、位面

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

27、在高溫時空位的濃度，從而產生殘余電阻。淬火溫度愈高空位濃度愈高，而產生殘余電阻。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. 幾何尺寸效應幾何尺寸效應 當導電電子的自由程同試樣尺寸是同一數量當導電電子的自由程同試樣尺寸是同一數量級時，將產生顯著的級時，將產生顯著的“尺寸效應尺寸效應”，電阻率隨試，電阻率隨試樣尺寸減小而顯著增大。這一現象對研究和測試樣尺寸減小而顯著增大。這一現象對研究和測試金屬薄膜和細絲材料（厚度金屬薄膜和細絲材料（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，樣品尺寸對在低溫下，隨金屬純度的提

28、高，樣品尺寸對電阻的影響更加明顯。因為此時導電電子自由程電阻的影響更加明顯。因為此時導電電子自由程超過了原子間距（超過了原子間距（42K42K時純金屬電子自由程達幾時純金屬電子自由程達幾毫米），這樣電子在試樣表面的散射就構成了新毫米），這樣電子在試樣表面的散射就構成了新的附加電阻。的附加電阻。薄膜厚度對電阻的影響薄膜厚度對電阻的影響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為各向同一般在立方晶系中金屬的電阻表現為各向同性。但在對稱性較差的六方、四方、斜方晶系中，性。但在對稱性較差的六方、四方、斜方晶系中，導電性表現為各向異性

29、。導電性表現為各向異性。 其規律太復雜，難于總結清楚。其規律太復雜，難于總結清楚。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.固溶體的導電性 雙組元固溶體雙組元固溶體的電阻與組元濃度的關系見P64圖2.13. 與純組元相比，合金的導電性降低了。 原因：（1）晶體點陣畸變；（2）雜質對理想晶體的破壞；（3）影響了能帶結構，移動費米面及電子能態密度和有效電導電子數；（4）影響了彈性常數。過渡金屬與貴金屬兩組元固溶時過渡金屬與貴金屬兩組元固溶時：電阻異常高，原因它們的價電子可以轉移到過渡金屬的尚未被填滿的d-或f-殼層中，從而使有效電導的電子數目減少。三三 、合

30、金的導電性、合金的導電性 當形成化合物時，合金的導電性變化激烈，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生了變化，其中至少一部分由金屬鍵變為共價鍵獲離子鍵，使導電電子減少。此外，對于多相合金，導電性非常復雜，具體分析見P69.2. 金屬化合物的導電性金屬化合物的導電性四、四、 基于電阻分析金屬部分物性的應用基于電阻分析金屬部分物性的應用 研究合金的時效 研究合金的有序-無序轉變 測量固溶體的溶解度 研究淬火鋼的回火 研究材料的疲勞過程復習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？ 影響金屬導電性的因素有哪些？1.3 1.3 半導體的電學性能

31、半導體的電學性能一、概述一、概述1.1.半導體的概念：能帶結構（半導體的概念：能帶結構（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： 晶體半導體晶體半導體 元素半導體：十幾種，如元素半導體：十幾種，如GeGe、SiSi、SeSe、TeTe等；等； 化合物半導體：數十種：化合物半導體：數十種：GaNGaN（藍光）（藍光）, GaP, GaP（紅綠發光）（紅綠發光） 固溶體半導體：固溶體半導體：BaSbBaSb0.040.04SnSn0.960.96O O3 3 非晶半導體：非晶硅、多孔硅。非晶半導體：非晶硅、多孔硅。 有機物半導體：聚乙炔鏈

32、。有機物半導體：聚乙炔鏈。二、半導體中的能帶二、半導體中的能帶 電子的共有化運動電子的共有化運動價電子能級分裂價電子能級分裂能帶能帶三、本征半導體的電學性能三、本征半導體的電學性能 在純凈無缺陷的半導體單晶中，參加導電的電子在純凈無缺陷的半導體單晶中，參加導電的電子和空穴濃度相等，這種半導體稱為和空穴濃度相等，這種半導體稱為本征半導體本征半導體。 導電機理：在熱、光等外界條件的影響下，滿帶導電機理：在熱、光等外界條件的影響下，滿帶上的價電子獲得足夠的能量，躍過禁帶躍遷至空帶而上的價電子獲得足夠的能量，躍過禁帶躍遷至空帶而成為成為自由電子自由電子，同時在滿帶中留下，同時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的作用下定向移動形成電流。子和電子空穴在外加電場的作用下定向移動形成電流。 載流子：在電場作用下定向移動形成電流的帶電載流子：在電場作用下定向移動形成電流的帶電體，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 根據本征載流子占據能級的概率和對其能帶的能根據本征載流子占據能級的概率和對其能帶的能態密度進行積分運算等，可得到本征載流子的濃度表達態密度進行積分運算等，可得到本征載流子的濃度表達式：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為絕對溫度為絕對溫度;k;k為玻爾茲曼常數。為玻爾茲曼常數。 影響因素：溫度和禁帶寬度。影響因素：溫度和禁帶寬度。為什么金屬材料導電為什么金屬材料導電性一般隨溫度升高而降低，而半導體導電性隨溫度的升性一般隨溫度升高而降低，而半導體導電性隨溫度的升高而升高？高而升高？ 室溫下有一定的導電能力，但很微弱。室溫下有一定的導電能力，但很微弱。-=kTETKpngii2exp2312.2.本征半導體的遷移率和電阻率本征半導體的遷移率和電阻率 遷移率的概念：單位場強作用下自由電子和空穴遷移率的概念：單位場強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，本征半導體的電阻率：由歐姆定律可知，本征半導體的電阻率： 電流密度電流密度j：單位時間內流過單位面積的電荷量。：單位時間內流過單位面積的電荷量。 pnipiniiqnqnqnjr=1本征半導體的電學特性本征半導體的電學特性（1）本征激發成對地產生自由和空穴，所以自由電子和）本征激發成對地產生自由和空穴，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有近似反比關系，例如硅的有近似反比關系，例如硅的Eg比鍺大，故硅比鍺大，故硅的的ni比鍺小；比鍺小；（3）ni與溫度近似成正比，故溫度升高時與溫度近似成正比，故溫度升高時ni就增大；就增大

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

37、砷，銻）就可使晶體中的自由電子的濃度極大地增加。因為度極大地增加。因為5價元素的原子有價元素的原子有5個價電子，當它頂替晶格中的一個個價電子，當它頂替晶格中的一個4價元素的原子時，余下了價元素的原子時，余下了1個價電子變成多余的，此電子的能級非常靠近導個價電子變成多余的，此電子的能級非常靠近導帶底，非常容易進入導帶成為自由電子，因而導帶中的自由電子較本征半導帶底，非常容易進入導帶成為自由電子，因而導帶中的自由電子較本征半導體顯著增多，導電性能大幅度提高。體顯著增多，導電性能大幅度提高。 施主雜質（施主雜質（N N型雜質）、施主能級、施主電離能的概念。型雜質）、施主能級、施主電離能的概念。 多數

38、載流子（自由電子）、少數載流子（空穴）。多數載流子（自由電子）、少數載流子（空穴）。 N型半導體的電流密度：型半導體的電流密度： nnnqnjj0=nn0為為N型半導體的自由電子濃度。型半導體的自由電子濃度。N型半導體的電阻率為：（型半導體的電阻率為：（ND為摻雜濃度）為摻雜濃度）nDnnnqNqnr110 2. P型半導體（空穴型半導體）型半導體（空穴型半導體） 在本征半導體中，摻入在本征半導體中，摻入3價元素的雜質（硼，鋁，鎵，銦），價元素的雜質（硼，鋁，鎵，銦），就可以使晶體中空穴濃度大大增加。因為就可以使晶體中空穴濃度大大增加。因為3價元素的原子只有價元素的原子只有3個個價電子，當它頂

39、替晶格中的一個價電子，當它頂替晶格中的一個4價元素原子，并與周圍的價元素原子，并與周圍的4個硅個硅（或鍺）原子組成（或鍺）原子組成4個共價鍵時，缺少一個價電子，形成一個空位。個共價鍵時，缺少一個價電子，形成一個空位。因為，因為，3價元素形成的空位能級非常靠近價帶頂的能量，在價電子價元素形成的空位能級非常靠近價帶頂的能量，在價電子共有化運動中，相鄰的原子上的價電子就很容易來填補這個空位共有化運動中，相鄰的原子上的價電子就很容易來填補這個空位（較躍遷至禁帶以上的空帶容易的多），從而產生一個空穴。所（較躍遷至禁帶以上的空帶容易的多），從而產生一個空穴。所以每一個三價雜質元素的原子都能接受一個價電子，

40、而在價帶中以每一個三價雜質元素的原子都能接受一個價電子，而在價帶中產生一個空穴。產生一個空穴。 理解：理解：受主雜質（受主雜質（P型雜質）型雜質） 、受主、受主能級，其中的電離能、能級，其中的電離能、多數載流子、少多數載流子、少數載流子。數載流子。P型半導體的電流密度：型半導體的電流密度： pppqnjj0=np0為為P型半導體的空穴濃度。型半導體的空穴濃度。P型半導體的電阻率為：型半導體的電阻率為：pApppqNqnr110 雜質半導體與本征半導體相比的特性：雜質半導體與本征半導體相比的特性：（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，導電能力因而也顯著增強。使載流子濃度極大地提高，導電能力因而也顯著增強。摻雜濃度愈大，其導電能力也愈強。摻雜濃度愈大，其導電能力也愈強。（2 2）摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此雜質）摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此雜質半導體主要靠一種載流子導電。當摻入三價元素（受半導體主要靠一種載流子導電。當摻入三價元素（受主雜質）時，主要靠空穴導電；當摻入主雜質）時，主要靠空穴導電；當摻入5 5價元素（施價元素（施主雜質），主要靠電子導電。主雜質），主要靠電子導電。 PN結的特性PN結的構成（作圖）PN結的特性是其單向導電性，即當外加電壓極性不同時其表現出的導電性截然不同。 （1）

42、外加正向電壓的情況(PN結正向注入） 外加反向電壓（PN結的反向抽取） 顯然，PN結正、反向導電的顯著差異反映出其具有整流特性，所以由一個PN結組成的半導體二極管常用來做整流二極管，檢波二極管，發光二極管等。 金屬-絕緣體-半導體系統和MOS反型層 如果金屬-絕緣體-半導體中絕緣體為氧化物則稱MOS系統。 耗盡層 反型層 P型半導體的表面反型層是由電子構成的，所以稱為N溝道。 N溝道晶體管 在P型襯底的MOS系統中增加兩個N型擴散區，分別稱為源區（S表示）和漏區（D表示）。V+較小V+較大 通過控制柵壓G的極性和數值，可以使MOS晶體管分別處于導通或截止的狀態：源、漏之間的電流將受到柵壓的調制

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

44、rrier)。Eg=0.21.0 eV 2、摻雜3價元素如Fe等 屬于受主摻雜（微量替代Ti），雜質提供帶隙中空的能級，電子由價帶激發到受主能級要比激發到導帶容易的多。主要含有受主雜質的半導體，因價帶中的一些電子被激發到施主能級，而在價帶中產生許多空穴，主要依靠這些空穴導電-P性半導體。Eg=0.21.4 eV 五、納米TiO2半導體的半導化機制及實驗論證結果（STM/ STS技術）Eg=3.2 eV，納米二氧化鈦半導體 摻雜Ce的納米TiO2半導體 同時摻雜Ce和Ag的納米TiO2半導體 六、半導體隨溫度的升高導電率升高舉例 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：極化、介電常數、耐電壓主要性能指標：極化、介電常數、耐電壓強度強度( (或者擊穿電壓）、損耗因數、或者擊穿電壓）、損耗因數、電阻率例如：微波電容器、壓電鐵電器件等。m1.4 1.4 絕緣體的電學性能絕緣體的電學性能一、電介質的極化一、電介質

46、的極化1.1.極化極化 介質在電場作用下，其內部的束縛電荷發生彈性介質在電場作用下，其內部的束縛電荷發生彈性位移和偶極子定向取向，從而產生表面感應電荷的現位移和偶極子定向取向，從而產生表面感應電荷的現象。（圖示）象。（圖示）2.2.電介質電介質 在電場中可產生極化的材料。多是優良的絕緣材在電場中可產生極化的材料。多是優良的絕緣材料，故二者常通用。料，故二者常通用。-+-+-3.3.組成電介質的粒子（原子、分子或離子組成電介質的粒子（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）非極性電介質粒子（中性電介質）：結構對稱的中性分）非極性電介質粒子（中性電介質）

47、：結構對稱的中性分子構成。子構成。 無外電場作用下，正負電荷中心重合，對外不顯示極性。無外電場作用下，正負電荷中心重合，對外不顯示極性。 有外電場作用時，正電荷沿有外電場作用時，正電荷沿E E方向移動，形成方向移動，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，規定其方向從負電荷指向正是矢量，規定其方向從負電荷指向正電荷）。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，電介質方向，電介質表面出現正負束縛電荷（類似表面出現正負束縛電荷（類似P89P89圖圖2.51b2.51b）。）。E E越強，越強，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（偶極電介質）：極性分子）極性電介質（偶極電介質）：極性分子或離子型電介質。或離子型電介質。 無外加電場時，每個分子都有一定的電偶無外加電場時，每個分子都有一定的電偶極矩，但由于分子熱運動，極矩，但由于分子熱運動，P的排列雜亂無的排列雜亂無章，對外不顯示極性。在章，對外不顯示極性。在E中，在電力矩中，在電力矩作用下，使各電偶極矩有轉向外作用下，使各電偶極矩有轉向外E的趨勢的趨勢，電介質表面出現的束縛電荷越多，極化，電介質表面出現的束縛電荷越多，極化程度越高。程度越高。彈性位

49、移極化彈性位移極化（瞬時極化）（瞬時極化）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于原子核發生位移，形成子外圍的電子云中心相對于原子核發生位移，形成感應電矩而使介質極化的現象。感應電矩而使介質極化的現象。 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，極化過程不消耗能量。在所有電介質中都存在，唯一存過程不消耗能量。在所有電介質中都存在，唯一存在此種極化（沒有別的）的電介質在此種極化（沒有別的）的電介質只有只有中性的氣體、中性的氣體、液體和少數非極性固體。液體和少數非極性固體。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，除離子中的電子產離子晶體中，除離子中的電子產生位移極化外，正負離子也在生位移極化外，正負離子也在E E作用下發生相對位移而引起的極化。作用下發生相對位移而引起的極化。又分為：又分為： a a. .離子離子彈性彈性位移極化：在離子鍵構成的晶體中，離子間約束力位移極化：在離子鍵構成的晶體中，離子間約束力很強，離子位移有限，極化過程很快（很強，離子位移有限，極化過程很快（ 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定形

52、體中，化）：在有些離子晶體和無定形體中，存在一些約束力較弱的離子，無存在一些約束力較弱的離子，無E E時作時作無規則熱運動，宏觀無電矩；有無規則熱運動，宏觀無電矩；有E E時，時，正負離子反向遷移，形成正負離子分離正負離子反向遷移，形成正負離子分離而產生介質極化。極化建立時間較長而產生介質極化。極化建立時間較長（ 1010-2-21010-5-5s s），有極化滯后現象，），有極化滯后現象，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( (固有電矩的轉向極化）固有電矩的轉向極化）: :有有E E時，偶極時，偶極子有沿電場方向排列的趨勢，而形成宏觀電矩，形成子

53、有沿電場方向排列的趨勢，而形成宏觀電矩，形成的極化。所需時間較長（的極化。所需時間較長（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：有些電介質中，存在可移動的）空間電荷極化：有些電介質中，存在可移動的離子，在離子，在E E作用下，正負離子分離所形成的極化。作用下，正負離子分離所形成的極化。所需時間最長（所需時間最長（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、負電荷在都是正、負電荷在E E作用下發生相對位移產生的，作用下發生相對位移產生的，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作用下作用下發生轉向形成的，稱發生轉向形成的，稱轉向極化轉向極化。只有位移極化的電介質稱為非極性材料；只只有位移極化的電介質稱為非極性材料；只有轉向極化的電介質稱為極性材料。有轉向極化的電介質稱為極性材料。 原子和離子的電子位移極化率與溫度無關。注意：注意： 離子位移極化率與正負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量級，隨溫度升高，離子間距離增大，相互作用減弱，力常數K減小，因此離子位移極化率隨溫度升高應該有所增大，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于介電材料的實際應用至關重要，如介電常數溫度系數是衡量電介質陶瓷性能的重要指標之一。 三、電介質的介電常數三、電介質的介電常數（1 1）電介質的）電介質的介電常數介電常數 綜合反應電介質材料極化行為的宏觀物理量。表示電容器綜合反應電介質材料極化行為的宏觀物理量。表示電容器（兩極板間）有電介質時的電容較在真空狀態時的電容的增加（兩極板間）有電介質時的電容較在真空狀態時的電容的增加倍數。倍數。 真空介電常數：真空介電常數： 相對介電常數：相對介電常數：dSC=00=CCrdSC00=（2 2）電介質的介電損耗）電介質的介電損耗 1.1.電介質損耗的基本概

56、念電介質損耗的基本概念 任何電介質在任何電介質在E E作用下，總會或多或少地把部分電作用下，總會或多或少地把部分電能轉換為熱能使介質發熱。電介質在能轉換為熱能使介質發熱。電介質在E E作用下，單位時作用下，單位時間內因發熱而消耗的能量稱電介質的損耗功率，簡稱間內因發熱而消耗的能量稱電介質的損耗功率，簡稱介質損耗介質損耗。 電介質在電工和電子工業中，介質損耗不僅耗能，電介質在電工和電子工業中，介質損耗不僅耗能，而且使元件溫度升高，影響正常工作。特別是應用于而且使元件溫度升高，影響正常工作。特別是應用于交流電場交流電場中是電介質重要的品質之一。介質損耗通常中是電介質重要的品質之一。介質損耗通常越小

57、越好。越小越好。ViCUiCUGU90電容器電流與電壓的關系理想電容器非理想電容器90-無能量消耗有能量消耗 電介質的電導 并不是所有的電介質都是理想的絕緣體，在外電場作用下，介質中都會有一個很小的電流。稱為泄露電流。 導電方式有：電子與空穴（電子電導）；移動額正負離子電導（離子電導）。對于離子電導，必須需要指出的是：在較低場強下，存在離子電導；在高場強下，呈現電子電導。 晶體的離子電導分為兩類：一類是源于晶體點陣中基本離子的運動，稱為離子固有電導或本征電導，這種電導是熱缺陷形成的，即是由離子自身隨著熱運動的加劇而離開晶格點陣形成。另一類是源于結合力較弱的雜質離子的運動造成的，稱為雜質電導。

58、2.2.介質損耗形式介質損耗形式 介質損耗是各種形式損耗的綜合損耗。為研究方便介質損耗是各種形式損耗的綜合損耗。為研究方便把其簡化成各種形式，然后綜合考慮。把其簡化成各種形式，然后綜合考慮。 1 1）電導（或漏導）損耗）電導（或漏導）損耗 實際使用的電介質都不是理想的絕緣體，都或多或實際使用的電介質都不是理想的絕緣體，都或多或少地存在一些弱聯系帶電離子或空穴，在少地存在一些弱聯系帶電離子或空穴，在E E 作用下產作用下產生漏導電流，發熱，產生損耗。生漏導電流，發熱，產生損耗。 低場強下，存在離子電導；高場強下，電子電導。低場強下，存在離子電導；高場強下，電子電導。 離子電導：本征電導和雜質電導

59、。離子電導：本征電導和雜質電導。2 2）極化損耗）極化損耗 介質極化時介質極化時, ,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：極化過程中離子要在一方面：極化過程中離子要在E E作用下克服熱運動作用下克服熱運動消耗能量，引起損耗。消耗能量，引起損耗。 另一方面：松弛極化建立時間較長，極化跟不上外另一方面：松弛極化建立時間較長，極化跟不上外E E的變化（特別是交流頻率較高時），所造成的電矩往的變化（特別是交流頻率較高時），所造成的電矩往往滯后于往滯后于E E，即，即E E達最大時，極化引起的極化電荷未達最達最大時，極化引起的極化電

60、荷未達最大，當大，當E E開始減小時，極化仍繼續增至最大值后才開始開始減小時，極化仍繼續增至最大值后才開始減小，當減小，當E E為為0 0時，極化尚未完全消除，當外時，極化尚未完全消除，當外E E反向時，反向時，極板上遺留的部分電荷中和了電源對極板充電的部分電極板上遺留的部分電荷中和了電源對極板充電的部分電荷，并以熱的形式散發，產生損耗。荷，并以熱的形式散發，產生損耗。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，外質，外E E大于氣體電離所需的大于氣體電離所需的E E時，氣體發生電離吸收時，氣體發生電離吸收能量，造成損