第一章電學(xué)性能2014

1、 于曉東于曉東 Tel: 68912712Email: 材料物理性能材料物理性能 緒論緒論 （一）材料性能的定義（一）材料性能的定義 材料性能是一種用于表征材料在材料性能是一種用于表征材料在給定的外給定的外 界條件下界條件下的的行為行為的參量。的參量。 1、有多少行為，就對應(yīng)地有多少性能。 2、外界條件不同，相同的材料也會有不同的性能。 3、性能必須量化，多數(shù)的性能都有量綱。 （二）材料性能研究的重要性（二）材料性能研究的重要性 1.1.材料性能的研究，貫穿于整個人類的文明史。材料性能的研究，貫穿于整個人類的文明史。 人類使用的材料，決定了人類的文明程度，實質(zhì)上，人類

2、使用的材料，決定了人類的文明程度，實質(zhì)上， 這里談的主要是材料的性能。這里談的主要是材料的性能。 絕緣基板材料絕緣基板材料 2.2.材料性能決定了材料用途材料性能決定了材料用途 1)1)具有一定的具有一定的強度強度，以便能夠承載起安裝在其上的集成電路，以便能夠承載起安裝在其上的集成電路 元件及布在其上的電路線；元件及布在其上的電路線； 2)2)要有要有均勻而平滑的表面均勻而平滑的表面，以便進行穿孔、開槽等精密加工，以便進行穿孔、開槽等精密加工， 從而能夠構(gòu)成細微而精密的圖形；從而能夠構(gòu)成細微而精密的圖形； 3)3)應(yīng)有優(yōu)良的應(yīng)有優(yōu)良的絕緣性能絕緣性能( (尤其是在高頻下尤其是在高頻下) )；

3、4)4)要有充分的要有充分的導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性，以迅速散發(fā)電路上因電流產(chǎn)生的熱；，以迅速散發(fā)電路上因電流產(chǎn)生的熱； 5)5)硅與基片的硅與基片的熱膨脹系數(shù)之差熱膨脹系數(shù)之差應(yīng)較小，從而保證基片與電路應(yīng)較小，從而保證基片與電路 間良好的匹配性，電路與基片就不會剝離。間良好的匹配性，電路與基片就不會剝離。 如：根據(jù)如：根據(jù)n=2dsinn=2dsin，利用晶體對，利用晶體對X-rayX-ray的衍射圖象，就的衍射圖象，就 可以推知晶體中面網(wǎng)間距可以推知晶體中面網(wǎng)間距d d，進而就可以分析晶體的結(jié)構(gòu)。，進而就可以分析晶體的結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)決定了性能，而性能則是內(nèi)部結(jié)構(gòu)某些方面的體現(xiàn)。結(jié)構(gòu)決定了性能，而性能則是

4、內(nèi)部結(jié)構(gòu)某些方面的體現(xiàn)。 3. 3. 材料性能的研究，有助于研究材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。材料性能的研究，有助于研究材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 4. 4. 對材料性能的要求決定材料生產(chǎn)的工藝過程。對材料性能的要求決定材料生產(chǎn)的工藝過程。 成本成本質(zhì)量質(zhì)量 用途用途 （三）材料性能的劃分（三）材料性能的劃分 物理性能物理性能（ 熱學(xué)性能、聲學(xué)性能、光學(xué)性熱學(xué)性能、聲學(xué)性能、光學(xué)性 能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能、輻照性能）能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能、輻照性能） 力學(xué)性能力學(xué)性能（ 強度、強度、 延性、延性、 韌性、韌性、 剛性）剛性） 化學(xué)性能化學(xué)性能（抗氧化性、耐腐蝕性、抗?jié)B入性）（抗氧化性、耐腐蝕性、抗?jié)B入性） 復(fù)雜性能復(fù)

5、雜性能（復(fù)合性能、工藝性能、使用性能）（復(fù)合性能、工藝性能、使用性能） （四）材料性能研究目的 （1 1）材料開發(fā)的出發(fā)點，也是其重要歸屬。）材料開發(fā)的出發(fā)點，也是其重要歸屬。 （3 3）決定了材料生產(chǎn)工藝。）決定了材料生產(chǎn)工藝。 （2 2）有助于研究材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。）有助于研究材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 （五）材料性能研究注意問題 1、現(xiàn)象與本質(zhì)現(xiàn)象與本質(zhì) 同一材料不同性能只是同一材料不同性能只是相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在，在不同的不同的外界條件外界條件 下所表現(xiàn)出的不同行為。下所表現(xiàn)出的不同行為。 這也說明，不同的外界條件下，材料的性能是不同這也說明，不同的外界條件下，材料的性能是不同的，即一

6、的，即一 種材料有多種性能。種材料有多種性能。 2 2、材料性能的劃分只是為了學(xué)習(xí)和研究的方便。、材料性能的劃分只是為了學(xué)習(xí)和研究的方便。 要注意材料間的各種性能既有區(qū)別，又有聯(lián)系。要注意材料間的各種性能既有區(qū)別，又有聯(lián)系。 3 3、研究材料性能，要注意性能的研究材料性能，要注意性能的復(fù)合與轉(zhuǎn)換復(fù)合與轉(zhuǎn)換。 4 4、研究材料性能，要注意性能的研究材料性能，要注意性能的發(fā)展與改造發(fā)展與改造。 （六）材料性能研究方法 (1) 經(jīng)驗方法經(jīng)驗方法 在大量占有實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對在大量占有實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對 數(shù)據(jù)的分析處理，整理為經(jīng)驗方程，用以表示它們的數(shù)據(jù)的分析處理，整理為經(jīng)驗方程，用以表示它們的

7、函數(shù)關(guān)系。函數(shù)關(guān)系。 (2) 理論方法理論方法 從機理著手，即從反映本質(zhì)的基本從機理著手，即從反映本質(zhì)的基本 關(guān)系關(guān)系(如原子間的相互作用、點陣的波形方程等如原子間的相互作用、點陣的波形方程等)出發(fā)，出發(fā)， 按照性能的有關(guān)規(guī)律、建立物理模型，用數(shù)學(xué)方法求按照性能的有關(guān)規(guī)律、建立物理模型，用數(shù)學(xué)方法求 解，得到有關(guān)理論方程式。解，得到有關(guān)理論方程式。 第一章第一章 材料的電性能材料的電性能 1.1 引言引言 1.2 電子類載流子導(dǎo)電電子類載流子導(dǎo)電 1.3 離子類載流子導(dǎo)電離子類載流子導(dǎo)電 1.4 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 1.5 超導(dǎo)體超導(dǎo)體 1.6 電導(dǎo)功能材料電導(dǎo)功能材料 1.7 電性能測量及其應(yīng)用舉

8、例電性能測量及其應(yīng)用舉例 1.1 引引 言言 載流子載流子：電荷的載體?？梢允请娮?、空穴、正離子、：電荷的載體?？梢允请娮?、空穴、正離子、 負離子負離子 電導(dǎo)率電導(dǎo)率：當(dāng)施加的電場產(chǎn)生電流時，電流密度：當(dāng)施加的電場產(chǎn)生電流時，電流密度J正比正比 于電場強度于電場強度E，其比例常數(shù)，其比例常數(shù)即為電導(dǎo)率。即為電導(dǎo)率。 J= EE = J= JE 電阻率電阻率：與材料本質(zhì)有關(guān)，表征材料導(dǎo)電性能的重：與材料本質(zhì)有關(guān)，表征材料導(dǎo)電性能的重 要參數(shù)。要參數(shù)。 =1/=1/ R= R= L/SL/S 相對電導(dǎo)率相對電導(dǎo)率ICAS：國際標(biāo)準軟銅電導(dǎo)率作為：國際標(biāo)準軟銅電導(dǎo)率作為100%。 （20 時，時，=

9、0.01724mm2/m 導(dǎo)導(dǎo) 體體 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 絕緣體絕緣體 10-2m 1010m Ag ： 1.46X10-8m Compound Resistivity ( -cm) Compound Resistivity ( -cm) Ca 3.9 10-6 Si 0.1 Ti 42 10-6 Ge 0.05 Mn 185 10-6 ReO3 36 10-6 Zn 5.9 10-6 Fe3O4 52 10-6 Cu 1.7 10-6 TiO2 9 104 Ag 1.6 10-6 ZrO2 1 109 Pb 21 10-6 Al2O3 1 1019 1.2 電子類載流子導(dǎo)電電子類載流子導(dǎo)電 1.2

10、.1 金屬導(dǎo)電機制金屬導(dǎo)電機制 （1）傳導(dǎo)電子論）傳導(dǎo)電子論 （2）量子自由電子論）量子自由電子論 （3）能帶理論）能帶理論 （1）經(jīng)典自由電子理論）經(jīng)典自由電子理論 t m ne vm lne 22 “電子氣電子氣” n：單位體積內(nèi)自由電子數(shù)：單位體積內(nèi)自由電子數(shù) l：電子平均自由程：電子平均自由程 v：電子運動平均速度：電子運動平均速度 t：電子兩次碰撞之間的平均時間：電子兩次碰撞之間的平均時間 缺陷：缺陷： 1、一價金屬導(dǎo)電性好于二、三價金屬。、一價金屬導(dǎo)電性好于二、三價金屬。 2、電子平均自由程不準。實際測量的電、電子平均自由程不準。實際測量的電 子平均自由程比經(jīng)典理論估計的大許多。子

11、平均自由程比經(jīng)典理論估計的大許多。 3、超導(dǎo)現(xiàn)象無法解釋。、超導(dǎo)現(xiàn)象無法解釋。 4、解釋不了霍爾系數(shù)、解釋不了霍爾系數(shù)“反常反?！爆F(xiàn)象?，F(xiàn)象。 成功地計算出金屬電導(dǎo)率以及電成功地計算出金屬電導(dǎo)率以及電 導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的關(guān)系。導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的關(guān)系。 置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不 一致時，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間一致時，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間 產(chǎn)生電動勢差，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生電動勢差，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)(G.Hall,1897) 0 BJRE xHy 霍爾系數(shù)

12、（又稱霍爾常數(shù)），它表示霍爾效應(yīng)的強弱?；魻栂禂?shù)（又稱霍爾常數(shù)），它表示霍爾效應(yīng)的強弱。 電子電導(dǎo)的特征是具有霍爾效應(yīng)。電子電導(dǎo)的特征是具有霍爾效應(yīng)。 X Y Z Jx B0 Ey 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)(G.Hall,1897) 0 BJRE xHy X Y Z Jx B0 neBJ H E R x H 1 0 Au：-0.7210-10m3C-1 正常金屬正常金屬 Zn：0.3010-10m3C-1 反常金屬反常金屬 量子自由電子學(xué)說利用薛定諤方程求解自由電子的量子自由電子學(xué)說利用薛定諤方程求解自由電子的 運動波函數(shù)，計算自由電子的能量，也稱為運動波函數(shù)，計算自由電子的能量，也稱為Fermi-

13、Sommerfel電子理論。電子理論。 特點：特點： 同意經(jīng)典自由電子學(xué)說認為價電子是完全自由的，同意經(jīng)典自由電子學(xué)說認為價電子是完全自由的， 但認為自由電子的行為不服從但認為自由電子的行為不服從Maxwell-Boltzmann定律定律， 而是服從而是服從Fermi-Dirac的量子統(tǒng)計規(guī)律。的量子統(tǒng)計規(guī)律。 金屬原子聚集成晶體時，其價電子脫離相應(yīng)原子的金屬原子聚集成晶體時，其價電子脫離相應(yīng)原子的 束縛，在金屬晶體中自由運動，故稱為自由電子，并且束縛，在金屬晶體中自由運動，故稱為自由電子，并且 認為它們的行為如理想氣體一樣，服從經(jīng)典的認為它們的行為如理想氣體一樣，服從經(jīng)典的Maxwell-

14、Boltzmann統(tǒng)計規(guī)律。統(tǒng)計規(guī)律。 （2）量子自由電子理論）量子自由電子理論 基本假定：基本假定： 正離子形成均勻電場，價電子與離子間無相互作用正離子形成均勻電場，價電子與離子間無相互作用 。 內(nèi)層電子保持單原子時能量狀態(tài)內(nèi)層電子保持單原子時能量狀態(tài) 價電子按量子化規(guī)律具有不同能量狀態(tài)，即具有不同能級。價電子按量子化規(guī)律具有不同能量狀態(tài)，即具有不同能級。 m n en vm vm en t m en vm len eff eff effeffeff 2 222 2 1 222 單位體積內(nèi)單位體積內(nèi)實際參與導(dǎo)電實際參與導(dǎo)電的電子數(shù)，的電子數(shù)，有效自由電子數(shù)有效自由電子數(shù) 電子有效質(zhì)量電子有效

15、質(zhì)量 散射系數(shù)散射系數(shù)，=1/=1/l T 理想金屬電阻理想金屬電阻 聲子散射聲子散射 基本電阻基本電阻 電子散射電子散射 有缺陷晶體有缺陷晶體 雜質(zhì)或缺陷散射雜質(zhì)或缺陷散射殘余電阻殘余電阻 適用：低濃度金屬固溶體適用：低濃度金屬固溶體 馬西森定律（馬西森定律（1860年）年） 金屬的總電阻由兩部分組成：一部分是基本電阻金屬的總電阻由兩部分組成：一部分是基本電阻 （與溫度有關(guān)），另一部分是溶質(zhì)（雜質(zhì)）濃度引起的（與溫度有關(guān)），另一部分是溶質(zhì)（雜質(zhì)）濃度引起的 電阻（與溫度無關(guān)）即電阻（與溫度無關(guān)）即 = =L L（T T） 可采用極低溫度下的金屬剩余電阻率可采用極低溫度下的金屬剩余電阻率4 4

16、.2K .2K 或相對電 或相對電 阻率阻率300K 300K / / 4 4.2K .2K作為衡量金屬純度的重要指標(biāo)。 作為衡量金屬純度的重要指標(biāo)。 （3）能帶理論）能帶理論 能帶能帶：由于能級間隙很小，能級分布是準連續(xù)的，分為：由于能級間隙很小，能級分布是準連續(xù)的，分為 禁帶禁帶和和允帶允帶。 假設(shè)：假設(shè)： 價電子公有化，價電子公有化， 能級量子化，能級量子化， 周期勢場周期勢場 用單電子近似法處理晶體中電子能譜的理論。用單電子近似法處理晶體中電子能譜的理論。 金屬、絕緣體、半導(dǎo)體的能帶示意圖金屬、絕緣體、半導(dǎo)體的能帶示意圖 金屬金屬 絕緣體絕緣體 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 1.2.2 電阻率與溫度的

17、關(guān)系電阻率與溫度的關(guān)系 1.TT圖圖 金屬的溫度越高，電阻也越大。金屬的溫度越高，電阻也越大。 電阻和溫度的關(guān)系：電阻和溫度的關(guān)系： t t0 0（1 1+ +T T） 一般在一般在溫度高于室溫情況溫度高于室溫情況下，對大多數(shù)金屬是適用的。下，對大多數(shù)金屬是適用的。 事實上，金屬電阻率在不同溫度范圍與事實上，金屬電阻率在不同溫度范圍與 溫度變化的關(guān)系是不同的。一般可分為溫度變化的關(guān)系是不同的。一般可分為 分三段：分三段： a a、電阻率正比于溫度、電阻率正比于溫度 b b、電阻率與溫度成五次方關(guān)系、電阻率與溫度成五次方關(guān)系 c c、電阻率與溫度成平方關(guān)系、電阻率與溫度成平方關(guān)系 c 2 T關(guān)系

18、反常現(xiàn)象關(guān)系反?，F(xiàn)象 （1）熔化時的）熔化時的T反常反常 金屬熔化時，一般電阻增高金屬熔化時，一般電阻增高 1.52倍。倍。 熔化時金屬原子的規(guī)則排列遭熔化時金屬原子的規(guī)則排列遭 到破壞，增加了對電子的散射，到破壞，增加了對電子的散射， 電阻增加。電阻增加。 熔化時電阻反而下降熔化時電阻反而下降 熔化時化學(xué)鍵由共價結(jié)合轉(zhuǎn)熔化時化學(xué)鍵由共價結(jié)合轉(zhuǎn) 為金屬鍵結(jié)合使電阻率下降為金屬鍵結(jié)合使電阻率下降 (Sb)。 （2）鐵磁性金屬發(fā)生鐵磁轉(zhuǎn)變時（居里點附近）鐵磁性金屬發(fā)生鐵磁轉(zhuǎn)變時（居里點附近） TTc時時 偏離線性，反常降低量偏離線性，反常降低量與自發(fā)磁化強度與自發(fā)磁化強度M Ms s平平 方成反比

19、，即方成反比，即 M Ms s2 2 1.2.3 電阻率與壓力的關(guān)系電阻率與壓力的關(guān)系 p=0(1+p) 0：真空電阻率， ：真空電阻率， p：壓力，：壓力， ：壓力系數(shù)（：壓力系數(shù)（-10-510-6） 1 一般規(guī)律一般規(guī)律 在流體靜壓力壓縮時，大多數(shù)金屬的在流體靜壓力壓縮時，大多數(shù)金屬的電阻率下降電阻率下降。 2 關(guān)系分類關(guān)系分類 正常金屬正常金屬：p，。如。如Fe、Co、Ni、Pt、Cu等。等。 反常金屬反常金屬： p， 。如堿金屬、稀土金屬等。如堿金屬、稀土金屬等。 3 導(dǎo)電性轉(zhuǎn)變導(dǎo)電性轉(zhuǎn)變 表表1 1 某些半導(dǎo)體和電介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)所要的臨界壓力某些半導(dǎo)體和電介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)所要的臨

20、界壓力 很大的壓力使物質(zhì)由半導(dǎo)體和絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體，甚至超導(dǎo)體很大的壓力使物質(zhì)由半導(dǎo)體和絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體，甚至超導(dǎo)體。 1.2.4 冷加工和缺陷對電阻率的影響冷加工和缺陷對電阻率的影響 純金屬純金屬 Fe，Al W Mo 26% 3050% 1520% 固溶體固溶體 單相固溶體單相固溶體 有序固溶體有序固溶體 1020% 100% 1 冷加工對電阻率的影響冷加工對電阻率的影響 2 形成原因形成原因 引起金屬晶格畸變，從而增加電子散射幾率。引起金屬晶格畸變，從而增加電子散射幾率。 引起金屬晶體原子間鍵合的改變，使原子間距引起金屬晶體原子間鍵合的改變，使原子間距 發(fā)生改變。發(fā)生改變。 冷加工一般引起金

21、屬電阻率增加冷加工一般引起金屬電阻率增加，這是因為，這是因為 特例：特例： 鎳鎳-鉻鉻 鎳鎳-銅銅-鋅鋅 鐵鐵-鉻鉻-鋁鋁 剩余電阻率剩余電阻率 當(dāng)溫度降到當(dāng)溫度降到0K時，未經(jīng)冷加工變形的純金屬時，未經(jīng)冷加工變形的純金屬 電阻率趨于零。電阻率趨于零。 冷加工的金屬在任何溫度下都保留有高于退冷加工的金屬在任何溫度下都保留有高于退 火態(tài)金屬的電阻率?；饝B(tài)金屬的電阻率。在在0K時，冷加工金屬仍保留時，冷加工金屬仍保留 某一極限電阻，稱為剩余電阻率。某一極限電阻，稱為剩余電阻率。 根據(jù)馬西森定律，冷加工金屬的電阻率根據(jù)馬西森定律，冷加工金屬的電阻率 m m ：與溫度有關(guān)的退火金屬電阻率：與溫度有關(guān)的

22、退火金屬電阻率 ：剩余電阻率：剩余電阻率 與溫度無關(guān)，所以與冷加工程度無關(guān)。與溫度無關(guān)，所以與冷加工程度無關(guān)。 /比值隨溫度降低而增高。比值隨溫度降低而增高。 3 消除方法消除方法 冷加工變形鐵的電阻在退火時的變化冷加工變形鐵的電阻在退火時的變化 1-=99.8%；2-=97.8%；3-=93.5%；4- =80%；5-=44% 退火：可使電阻恢復(fù)到冷加工前金屬的電阻值。退火：可使電阻恢復(fù)到冷加工前金屬的電阻值。 4 缺陷對電阻率的影響缺陷對電阻率的影響 研究晶體缺陷對電阻率的影響研究晶體缺陷對電阻率的影響 評估單晶體結(jié)構(gòu)完整性；評估單晶體結(jié)構(gòu)完整性； 研制具有一定電阻值的金屬研制具有一定電阻

23、值的金屬 （半導(dǎo)體單晶體的電阻值就是依據(jù)這個原則人為控制的）（半導(dǎo)體單晶體的電阻值就是依據(jù)這個原則人為控制的） 空位、間隙原子以及它們的組合、位錯等晶體空位、間隙原子以及它們的組合、位錯等晶體 缺陷使金屬電阻率增加，根據(jù)馬西森定律，在極低缺陷使金屬電阻率增加，根據(jù)馬西森定律，在極低 溫度下，純金屬電阻率主要由其內(nèi)部缺陷決定。溫度下，純金屬電阻率主要由其內(nèi)部缺陷決定。 （2）空位和間隙原子對剩余電阻率的影響與雜質(zhì)原子的影）空位和間隙原子對剩余電阻率的影響與雜質(zhì)原子的影 響相似，同一數(shù)量級。響相似，同一數(shù)量級。 （1）點缺陷引起的剩余電阻率的變化線缺陷的影響）點缺陷引起的剩余電阻率的變化線缺陷的影

24、響 (3)(3)當(dāng)形變量不大時，位錯引起的電阻率變化當(dāng)形變量不大時，位錯引起的電阻率變化位錯 位錯與位錯 與位錯 密度密度N N位錯 位錯之間呈線性關(guān)系 之間呈線性關(guān)系 位錯 位錯=c N N位錯 位錯 鐵：鐵：10-18，鉬：，鉬：5.010-16，鎢：，鎢：6.710-17 一般金屬在變形量為一般金屬在變形量為8%時，位錯密度為時，位錯密度為105108/cm2，位，位 錯影響電阻率增加值很?。ㄥe影響電阻率增加值很?。?0-11 10-8 cmcm ）。）。 當(dāng)退火溫度接近再結(jié)晶溫度時，位錯對電阻的影響可忽略不計。當(dāng)退火溫度接近再結(jié)晶溫度時，位錯對電阻的影響可忽略不計。 1. 2. 5固溶

25、體的電阻率固溶體的電阻率 1. 形成固溶體時電阻率的變化形成固溶體時電阻率的變化 （1）形成固溶體）形成固溶體合金導(dǎo)電性能合金導(dǎo)電性能電阻率電阻率 圖58 Ag-Cu合金電阻率與成分的關(guān)系 第三，合金化常常影響彈性常數(shù)，因而第三，合金化常常影響彈性常數(shù)，因而 點陣振動的聲子譜也要改變，這些因素點陣振動的聲子譜也要改變，這些因素 都要反映到電阻上來。都要反映到電阻上來。 合金化對電阻的影響：合金化對電阻的影響： 首先，雜質(zhì)是對除聲子擾動外所有其他首先，雜質(zhì)是對除聲子擾動外所有其他 方面都完善的理想晶體局部的破壞；方面都完善的理想晶體局部的破壞； 其次，合金化對能帶結(jié)構(gòu)起作用，其影其次，合金化對能

26、帶結(jié)構(gòu)起作用，其影 響往往是金屬電阻的參數(shù)；響往往是金屬電阻的參數(shù)； + + 為剩余電阻率為剩余電阻率 C C是雜質(zhì)原子含量，是雜質(zhì)原子含量， 1%原子雜質(zhì)引起的附加電阻率原子雜質(zhì)引起的附加電阻率 偏離值，與溫度和雜質(zhì)濃度有關(guān)，隨溶質(zhì)濃度偏離值，與溫度和雜質(zhì)濃度有關(guān)，隨溶質(zhì)濃度 增加，偏離嚴重。無圓滿解釋。增加，偏離嚴重。無圓滿解釋。 （2）低濃度固溶體電阻率：）低濃度固溶體電阻率： （3）諾伯里）諾伯里-林德法則：林德法則： 除過渡族金屬外，在同一溶劑中溶入除過渡族金屬外，在同一溶劑中溶入1%原子溶質(zhì)金原子溶質(zhì)金 屬所引起的電阻率增加，由溶劑和溶質(zhì)金屬的價數(shù)而定，屬所引起的電阻率增加，由溶劑

27、和溶質(zhì)金屬的價數(shù)而定， 它們的價數(shù)差愈大，增加的電阻率愈大。它們的價數(shù)差愈大，增加的電阻率愈大。 +（ ）2 、為常數(shù)，、為常數(shù)， 為低濃度合金溶劑和溶質(zhì)間的價數(shù)差為低濃度合金溶劑和溶質(zhì)間的價數(shù)差 2.有序合金電阻率有序合金電阻率 組元化學(xué)作用組元化學(xué)作用電子結(jié)合加強電子結(jié)合加強導(dǎo)電電子數(shù)導(dǎo)電電子數(shù) 剩余電阻率剩余電阻率 晶體離子勢場對稱性晶體離子勢場對稱性電子散射幾率電子散射幾率 剩余電阻率剩余電阻率 當(dāng)合金有序化時，電阻率降低當(dāng)合金有序化時，電阻率降低。 3.不均勻固溶體（狀態(tài)）電阻率不均勻固溶體（狀態(tài)）電阻率 合金元素中含有過渡族金屬的合合金元素中含有過渡族金屬的合 金，金，在回火過程中

28、合金的電阻率在回火過程中合金的電阻率 反常升高反常升高；冷加工時合金的電阻冷加工時合金的電阻 率明顯降低。率明顯降低。 托馬斯發(fā)現(xiàn)：托馬斯發(fā)現(xiàn)： 狀態(tài)：不均勻固溶體狀態(tài)：不均勻固溶體 X射線與電子顯微鏡分析表明該固溶體為射線與電子顯微鏡分析表明該固溶體為單相組織單相組織， 但固溶體中但固溶體中原子間距的大小顯著地波動原子間距的大小顯著地波動，其波動正是，其波動正是 組元原子在晶體中不均勻分布的結(jié)果組元原子在晶體中不均勻分布的結(jié)果，所以稱，所以稱“不均不均 勻固溶體勻固溶體”，又稱，又稱“K 狀態(tài)狀態(tài)”。K狀態(tài)是狀態(tài)是“相內(nèi)分解相內(nèi)分解” 的結(jié)果，它的結(jié)果，它不析出任何具有自己固有點陣的晶體不析

29、出任何具有自己固有點陣的晶體。 當(dāng)形成不均勻固溶體時，在固溶體點陣中只形成原子的當(dāng)形成不均勻固溶體時，在固溶體點陣中只形成原子的 聚集，包含有大約聚集，包含有大約1000個原子，即個原子，即區(qū)域幾何尺寸大致與電子區(qū)域幾何尺寸大致與電子 自由程相當(dāng)自由程相當(dāng)，故明顯增加電子散射幾率，提高了合金的電阻，故明顯增加電子散射幾率，提高了合金的電阻 率。率。 當(dāng)回火溫度超過一定值時，反常升高的電阻率又開始消當(dāng)回火溫度超過一定值時，反常升高的電阻率又開始消 失。因為原子集聚在高溫下消散。失。因為原子集聚在高溫下消散。 冷加工促使不均勻組織破壞冷加工促使不均勻組織破壞，獲得普通，獲得普通 無序固溶體，因此，

30、合金電阻率明顯降低。無序固溶體，因此，合金電阻率明顯降低。 1-800水淬水淬+400回火；回火；2，3-形變形變+400回火回火 1.3離子類載流子導(dǎo)電離子類載流子導(dǎo)電 （自學(xué)）（自學(xué)） 1.4 半導(dǎo)體的電學(xué)性能半導(dǎo)體的電學(xué)性能 6eV 0.08eV 1.1eV 0.72eV 絕緣體絕緣體 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 導(dǎo)體導(dǎo)體 鍺比硅容易提純，所以最初發(fā)明的半導(dǎo)體三極管是鍺鍺比硅容易提純，所以最初發(fā)明的半導(dǎo)體三極管是鍺 制成的。但是，鍺的禁帶寬度（制成的。但是，鍺的禁帶寬度（0.67eV）只有硅的禁帶）只有硅的禁帶 寬度（寬度（1.11eV）的大約一半，所以硅的電阻率比鍺大，）的大約一半，所以硅的電阻率比

31、鍺大， 而且在較寬的禁帶中能夠更加有效地設(shè)置雜質(zhì)能級，所而且在較寬的禁帶中能夠更加有效地設(shè)置雜質(zhì)能級，所 以后來硅半導(dǎo)體逐漸取代了鍺半導(dǎo)體。硅取代鍺的另一以后來硅半導(dǎo)體逐漸取代了鍺半導(dǎo)體。硅取代鍺的另一 個主要原因是在硅的表面能夠形成一層極薄的個主要原因是在硅的表面能夠形成一層極薄的SiO2絕緣絕緣 膜，從而能夠制備膜，從而能夠制備MOS型三極管。型三極管。 不同材料的禁帶寬度不同材料的禁帶寬度 1.4.1本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：純凈的無結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶。：純凈的無結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶。 電學(xué)性能僅由其固有的性質(zhì)決定。 滿帶滿帶 禁帶禁帶Eg 空帶空

32、帶 載流子載流子： 電子電子 空位空位 價帶價帶 禁帶禁帶Eg 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 空位空位 自由電子自由電子 （一）本征載流子的濃度（一）本征載流子的濃度 ni np自由電子濃度，空穴濃度自由電子濃度，空穴濃度 K1常數(shù)，常數(shù)，4.82X1015K-3/2 Eg禁帶寬度禁帶寬度 T=300K時，時， 硅，硅，Eg=1.1eV，ni=np=1.5X1010cm-3 鍺，鍺， Eg=0.72eV，ni=np=2.4X1013cm-3 ) 2 exp( 2/3 1 kT E TKnn g pi 結(jié)論：結(jié)論： 室溫條件下，有一定的導(dǎo)電能力，但很弱室溫條件下，有一定的導(dǎo)電能力，但很弱 （二）本征半導(dǎo)體的遷移率和

33、電阻率（二）本征半導(dǎo)體的遷移率和電阻率 外電場作用下，外電場作用下， E p p vE n n v n p： ：單位電場強度下，自由電子和空穴的平均遷移速 單位電場強度下，自由電子和空穴的平均遷移速 度，稱為度，稱為遷移率遷移率。 電流密度：電流密度： EvqpEvqnJjj pinipn 電阻率：電阻率： )( 1 pii qnj E 在在300K時，時， Si，=2.1410-3 m Ge，=4.710-7 m 本征半導(dǎo)體的電學(xué)特性：本征半導(dǎo)體的電學(xué)特性： （1） 自由電子與空穴成對產(chǎn)生，濃度相等自由電子與空穴成對產(chǎn)生，濃度相等 （2）Eg越大，越大，ni越小越小 （3）T越高，越高，ni

34、越大越大 （4）導(dǎo)電能力很弱）導(dǎo)電能力很弱 1.4.2雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能 （一）（一）n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 ED ：施主能級：施主能級 EC-ED：施主電離能：施主電離能 多子多子 少子少子 nD n qN 1 電阻率電阻率 （二（二) P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 EA 受主能級受主能級 EA-EV 受主電離能受主電離能 pA p qN 1 電阻率電阻率 雜質(zhì)半導(dǎo)體特點：雜質(zhì)半導(dǎo)體特點： （1）摻雜濃度雖小，但載流子濃度極大提高。）摻雜濃度雖小，但載流子濃度極大提高。 （2）多子導(dǎo)電，摻雜只增加一種載流子的濃度。）多子導(dǎo)電，摻雜只增加一種載流子的濃度。 1.5 超導(dǎo)體超導(dǎo)體 19

35、11年年* 汞汞 T=4.2K 1933年年 邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng) 1957年年 * BCS理論理論 * 賈埃弗賈埃弗 單電子單電子 隧道效應(yīng)隧道效應(yīng) 約瑟夫森約瑟夫森 預(yù)言約瑟夫森效應(yīng)預(yù)言約瑟夫森效應(yīng) 1980 熱羅姆熱羅姆 有機超導(dǎo)體有機超導(dǎo)體 1986 * 繆勒繆勒 柏諾茲柏諾茲 LaBaCuO Tc30K 1987.2.6 朱經(jīng)武朱經(jīng)武 YBaCuO Tc 80-92K 1987.2.24 趙忠賢趙忠賢 確定確定YBaCuO組分組分 斯奇林斯奇林 HgBaCuO Tc=113.5K 2000 秋光純秋光純 MgB2 Tc=39K 1.5.1超導(dǎo)體特性和三個性能指標(biāo)超導(dǎo)體特性和三個性能指

36、標(biāo) （一）特性（一）特性 1、完全導(dǎo)電性、完全導(dǎo)電性 目前能檢測出的最低電阻率目前能檢測出的最低電阻率 10-27 cm 2 邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng) 超導(dǎo)體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，超導(dǎo)體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后， 只要周圍的外加磁場沒有強到破壞超導(dǎo)性的程度，超只要周圍的外加磁場沒有強到破壞超導(dǎo)性的程度，超 導(dǎo)體就會把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在導(dǎo)體就會把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在 超導(dǎo)體內(nèi)永遠保持磁感應(yīng)強度為零。超導(dǎo)體的這種特超導(dǎo)體內(nèi)永遠保持磁感應(yīng)強度為零。超導(dǎo)體的這種特 殊性質(zhì)被稱為殊性質(zhì)被稱為邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)。 （二）性能指標(biāo)（二）性能指標(biāo) 1、臨

37、界轉(zhuǎn)變溫度臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc 汞在液氮溫度附近電阻變化行為汞在液氮溫度附近電阻變化行為 Ts Tm T0 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度：Rn 下降到下降到90%和和10%之間的溫度間隔之間的溫度間隔 與材料的純度及均勻性有關(guān)與材料的純度及均勻性有關(guān) 2、 臨界磁場臨界磁場 Hc 在溫度在溫度T一定時，使超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變成正常態(tài)的最小外加磁場。若一定時，使超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變成正常態(tài)的最小外加磁場。若 絕對零度下的臨界磁場記作絕對零度下的臨界磁場記作Hc(0)，則，則Hc(T)與臨界溫度與臨界溫度Tc、溫、溫 度度T之間有經(jīng)驗關(guān)系：之間有經(jīng)驗關(guān)系： 2 c cc 10 T T HTH 即：即：隨著溫度的降低，臨界磁場

38、逐漸增大。隨著溫度的降低，臨界磁場逐漸增大。 如果給超導(dǎo)體通上電流，那么它所承受的有效磁場將如果給超導(dǎo)體通上電流，那么它所承受的有效磁場將 是電流產(chǎn)生的磁場與外加磁場的矢量和，在一定溫度是電流產(chǎn)生的磁場與外加磁場的矢量和，在一定溫度 和一定磁場下導(dǎo)致材料的超導(dǎo)態(tài)破壞的最大電流稱為和一定磁場下導(dǎo)致材料的超導(dǎo)態(tài)破壞的最大電流稱為 臨界電流臨界電流Ic或臨界電流密度或臨界電流密度Jc 。隨著外加磁場或溫度。隨著外加磁場或溫度 的增加，的增加，Jc將會降低以保持材料的超導(dǎo)態(tài)。將會降低以保持材料的超導(dǎo)態(tài)。 3、 臨界電流臨界電流Ic或臨界電流密度或臨界電流密度Jc： 目前已查明在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素

39、金屬有目前已查明在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素金屬有3232種種 （如右圖元素周期表中青色方框所示），而在高壓下或制（如右圖元素周期表中青色方框所示），而在高壓下或制 成薄膜狀時具有超導(dǎo)電性的元素金屬有成薄膜狀時具有超導(dǎo)電性的元素金屬有1414種種（如右圖元素（如右圖元素 周期表中綠色方框所示）。周期表中綠色方框所示）。 1.5.2兩類超導(dǎo)體兩類超導(dǎo)體 第第I I類超導(dǎo)體類超導(dǎo)體 第第I I類超導(dǎo)體主要包括一些在常溫下具有良好導(dǎo)電性的類超導(dǎo)體主要包括一些在常溫下具有良好導(dǎo)電性的 純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等，該類超導(dǎo)體的溶純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等，該類超導(dǎo)體的溶 點較低、質(zhì)地較軟，

40、亦被稱作點較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作“軟超導(dǎo)體軟超導(dǎo)體”。其特征是由。其特征是由 正常態(tài)過渡到超導(dǎo)態(tài)時沒有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。正常態(tài)過渡到超導(dǎo)態(tài)時沒有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。 第第I I類超導(dǎo)體由于其臨界電流密度和臨界磁場較低，因而沒類超導(dǎo)體由于其臨界電流密度和臨界磁場較低，因而沒 有很好的實用價值。有很好的實用價值。 第第IIII類超導(dǎo)體類超導(dǎo)體 除金屬元素釩、锝和鈮外，第除金屬元素釩、锝和鈮外，第IIII類超導(dǎo)體主要包括類超導(dǎo)體主要包括 金屬化合物及其合金。第金屬化合物及其合金。第IIII類超導(dǎo)體和第類超導(dǎo)體和第I I類超導(dǎo)體的類超導(dǎo)體的 區(qū)別主要在于：區(qū)別主要在于： 第第III

41、I類超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時有一個中間態(tài)類超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時有一個中間態(tài) （混合態(tài)）（混合態(tài)） 第第IIII類超導(dǎo)體的混合態(tài)中有磁通線存在，而第類超導(dǎo)體的混合態(tài)中有磁通線存在，而第I I類超導(dǎo)類超導(dǎo) 體沒有；體沒有； 1)1)第第IIII類超導(dǎo)體比第類超導(dǎo)體比第I I類超導(dǎo)體有更高的臨界磁場、更大類超導(dǎo)體有更高的臨界磁場、更大 的臨界電流密度和更高的臨界溫度。的臨界電流密度和更高的臨界溫度。 第第II類超導(dǎo)體根據(jù)其是否具有磁通釘扎中心而分為理想第類超導(dǎo)體根據(jù)其是否具有磁通釘扎中心而分為理想第II類超類超 導(dǎo)體和非理想第導(dǎo)體和非理想第II類超導(dǎo)體。類超導(dǎo)體。 理想第理想第II類超導(dǎo)

42、體的晶體結(jié)構(gòu)比較完類超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)比較完 整，不存在磁通釘扎中心，并且當(dāng)磁整，不存在磁通釘扎中心，并且當(dāng)磁 通線均勻排列時，在磁通線周圍的渦通線均勻排列時，在磁通線周圍的渦 旋電流將彼此抵消，其體內(nèi)無電流通旋電流將彼此抵消，其體內(nèi)無電流通 過，從而不具有高臨界電流密度。過，從而不具有高臨界電流密度。 非理想第非理想第II類超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)存在類超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)存在 缺陷，并且存在磁通釘扎中心，其體缺陷，并且存在磁通釘扎中心，其體 內(nèi)的磁通線排列不均勻，體內(nèi)各處的內(nèi)的磁通線排列不均勻，體內(nèi)各處的 渦旋電流不能完全抵消，出現(xiàn)體內(nèi)電渦旋電流不能完全抵消，出現(xiàn)體內(nèi)電 流，從而具有高臨界電流密度。在實

43、流，從而具有高臨界電流密度。在實 際上，真正適合于實際應(yīng)用的超導(dǎo)材際上，真正適合于實際應(yīng)用的超導(dǎo)材 料是非理想第料是非理想第II類超導(dǎo)體類超導(dǎo)體。 超導(dǎo)體的三個重要指標(biāo)：超導(dǎo)體的三個重要指標(biāo)： Jc、Hc和和Tc 三者越高，則材料的應(yīng)用價值越高。三者越高，則材料的應(yīng)用價值越高。 Hc和和Tc只與材料電子結(jié)構(gòu)有關(guān)，是材料的本征只與材料電子結(jié)構(gòu)有關(guān)，是材料的本征 參數(shù)，而參數(shù)，而Jc和和Hc彼此有關(guān)且依賴于溫度彼此有關(guān)且依賴于溫度 2.6電性能測量及其應(yīng)用舉例電性能測量及其應(yīng)用舉例 2.6.1雙電橋和電位差計測量方法雙電橋和電位差計測量方法 1） 雙電橋法雙電橋法 目前測量金屬電阻應(yīng)用最廣泛的一種

44、方法，測量小電阻目前測量金屬電阻應(yīng)用最廣泛的一種方法，測量小電阻 （10-110-6）。）。 I3Rx+ I2R3= I1R1 I3Rn+ I2R4= I1R2 I（R3+R4）=（I3-I2）r 調(diào)節(jié)電阻調(diào)節(jié)電阻R1=R3， R2=R4 則：則： NNx R R R R R R R 4 3 2 1 2） 電位差計法電位差計法 原理：當(dāng)一恒定直流電通過試樣和標(biāo)準電阻時，測定試原理：當(dāng)一恒定直流電通過試樣和標(biāo)準電阻時，測定試 樣和標(biāo)準電阻兩端的電壓降樣和標(biāo)準電阻兩端的電壓降V Vx x和和V VN N， ，可得 可得R Rx x/R/RN N和和V Vx x/ V/ VN N， 若若R RN N已知，可計算已知，可計算R Rx x R Rx x=R=Rn n(V(Vx x/ V/ VN N) ) 2.6.2 直流四探針法直流四探針法 也稱四電極法，用于半導(dǎo)體材料或超導(dǎo)體的低電阻率測試。也稱四電極法，用于半導(dǎo)體材料或超導(dǎo)體的低電阻率測試。 =C V23/I I：探針引入的電流（）