8第八講薄膜材料物理第三屬薄膜的導(dǎo)電

1、第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電（續(xù)）金屬薄膜的導(dǎo)電（續(xù)） 第八講第八講11111tcr=rfddrpllbdtttb tdt r=flbd 3-53-5外因?qū)B續(xù)薄膜電導(dǎo)的影響外因?qū)B續(xù)薄膜電導(dǎo)的影響連續(xù)薄膜的電阻率溫度系數(shù)連續(xù)薄膜的電阻率溫度系數(shù)tcrtcrfdlb pssfpfptcr 第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電pf sf 是是基基體體的的熱熱脹脹系系數(shù)數(shù)薄薄膜膜的的熱熱脹脹系系數(shù)數(shù)36 5 10 5 30 10pf - -1 1- -1 1 溫溫度度影影響響晶晶格格振振動(dòng)動(dòng)進(jìn)進(jìn)而而影影響響到到電電子子散散

2、射射 溫溫度度引引起起應(yīng)應(yīng)變變ptcr 電阻的溫度系數(shù)約等于薄膜電阻率的溫度系數(shù)：電阻的溫度系數(shù)約等于薄膜電阻率的溫度系數(shù)：純金屬純金屬溫度對(duì)電阻率的影響來(lái)自兩個(gè)方面：溫度對(duì)電阻率的影響來(lái)自兩個(gè)方面：式中式中是薄膜電阻率的溫度系數(shù)是薄膜電阻率的溫度系數(shù) p 第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電2223351(1)(1) ( )()84128161613 (1).8( )( )kkbkbkkkkeb kekkkkekkkk 由于薄膜中的晶界、雜質(zhì)和缺陷密度遠(yuǎn)大于塊狀材由于薄膜中的晶界、雜質(zhì)和缺陷密度遠(yuǎn)大于塊狀材料，所以薄膜電阻率大于塊材的，但薄膜電阻率的溫料，所以薄膜電阻率大

3、于塊材的，但薄膜電阻率的溫度系數(shù)卻小于塊材的。度系數(shù)卻小于塊材的。薄膜（金屬）可以用來(lái)制造熱敏電阻器。薄膜（金屬）可以用來(lái)制造熱敏電阻器。下面求連續(xù)薄膜的電阻率溫度系數(shù)下面求連續(xù)薄膜的電阻率溫度系數(shù)由：由：第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電0()( ) ( )()( )( ) ()11( )( ) ( )bfbbbbbbbbkddddkkkvdtkdtdtkddkkkk ddddkkdtdtkkdtdtdkk dtk ()1111bbffbfbddddddkk dtddtddtdt其中：其中：第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電10fffddddt 2

4、0b2b01111 ( = )bbbbbbbbbddmvnqdtdtnqmv 11 bbddkk dtdt ( ) ()111( )()bbbbkk ddddkdtdtdkdt 因?yàn)橐驗(yàn)?所以有：所以有：第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電11pdddtdt ( ) ( / ( )1ppbk d kkdk 23( )331 1 ( )( )888 3()(1)33( )8 188bppbkkkkkkkkkddkkdkdkkk 31(1) 8ppbpk 根據(jù)電阻率與電導(dǎo)率兩者溫度系數(shù)的關(guān)系：根據(jù)電阻率與電導(dǎo)率兩者溫度系數(shù)的關(guān)系：所以有：所以有：而：而：若薄膜表面為部分漫反射時(shí)

5、：則若薄膜表面為部分漫反射時(shí)：則第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電可見(jiàn)：可見(jiàn)：dr rdddb bdd dddddd d sdb bv 表面散射使薄膜的電阻率大于塊狀的，但是，卻使表面散射使薄膜的電阻率大于塊狀的，但是，卻使它的電阻率溫度系數(shù)小于塊材的。符合馬提生定則：它的電阻率溫度系數(shù)小于塊材的。符合馬提生定則：隨著金屬材料電阻率的增大，其溫度系數(shù)減小。隨著金屬材料電阻率的增大，其溫度系數(shù)減小。設(shè)基片受到一縱向拉力，則應(yīng)變?yōu)椋涸O(shè)基片受到一縱向拉力，則應(yīng)變?yōu)椋簷M向：橫向：2.2.連續(xù)薄膜的電阻應(yīng)變系數(shù)連續(xù)薄膜的電阻應(yīng)變系數(shù)根據(jù)電阻應(yīng)變系數(shù)定義：根據(jù)電阻應(yīng)變系數(shù)定義：縱向：

6、縱向：fdlb第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電1()1sffffvddvdv 1()1()1()lfbsbflflbdvedb bvvedd dve 11()1nnslsffdrdvvvv 其厚度應(yīng)變?yōu)椋浩浜穸葢?yīng)變?yōu)椋罕∧る娮璧膽?yīng)變系數(shù)：薄膜電阻的應(yīng)變系數(shù)：第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電(1)(12)1()1(1)sfsfsffffvvvdddvddbvvvbdvv 在縱向拉力作用下，薄膜的體積應(yīng)變?yōu)椋涸诳v向拉力作用下，薄膜的體積應(yīng)變?yōu)椋?11 121nnnnnsffddddvddvvdvdkv nkdv d 而而式中：式中：為體積壓縮率為體積

7、壓縮率第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電 12111211nssfslfffvv vvdvdkvv 12 1nnnntnsffddldbddvvdv 若薄膜在垂直電流方向受到一拉力時(shí)，若薄膜在垂直電流方向受到一拉力時(shí)，電阻應(yīng)變系數(shù)為：電阻應(yīng)變系數(shù)為：所以電阻應(yīng)變系數(shù)與縱向拉力所以電阻應(yīng)變系數(shù)與縱向拉力的關(guān)系：的關(guān)系：第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電ndd 3nndrdkdd ndd 12122 111ssfsfltsffvv vvvvvv ,ltsv 求求出出基基片片材材料料的的泊泊松松比比假若將假若將定義為電阻的應(yīng)力系數(shù)，定義為電阻的應(yīng)力系數(shù)，式

8、中式中一項(xiàng)通常為負(fù)，因?yàn)楸∧な芰σ院?，一?xiàng)通常為負(fù)，因?yàn)楸∧な芰σ院螅蓽y(cè)可測(cè)縱向和橫向應(yīng)變系數(shù)之差為：縱向和橫向應(yīng)變系數(shù)之差為：則在縱向或橫向應(yīng)力下，均為：則在縱向或橫向應(yīng)力下，均為：晶格振幅變小，電阻率下降。晶格振幅變小，電阻率下降。第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電結(jié)論：連續(xù)薄膜的電阻應(yīng)變系數(shù)遠(yuǎn)小于島狀薄膜，結(jié)論：連續(xù)薄膜的電阻應(yīng)變系數(shù)遠(yuǎn)小于島狀薄膜， 對(duì)精密電阻，電阻應(yīng)變系數(shù)非常重要。對(duì)精密電阻，電阻應(yīng)變系數(shù)非常重要。第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電 第四章第四章 薄膜的表面和界面薄膜的表面和界面 在研究薄膜中，表面：固體和氣體或真空的分界

9、面在研究薄膜中，表面：固體和氣體或真空的分界面 界面界面: : 固體和固體的分界面固體和固體的分界面 幾何表面：表面的幾何分界面。幾何表面：表面的幾何分界面。 物理表面：一個(gè)電子結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部的表面區(qū)域物理表面：一個(gè)電子結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部的表面區(qū)域 由于具體的材料不同，表面區(qū)的厚度有很大的差異由于具體的材料不同，表面區(qū)的厚度有很大的差異 薄膜的常用厚度為幾十到幾百薄膜的常用厚度為幾十到幾百nm.nm. 金屬的表面區(qū)只有一金屬的表面區(qū)只有一. .二個(gè)原子層；二個(gè)原子層； 半導(dǎo)體的表面區(qū)，卻有幾個(gè)，甚至幾千個(gè)原子層；半導(dǎo)體的表面區(qū)，卻有幾個(gè)，甚至幾千個(gè)原子層； 電介質(zhì)的表面區(qū)更厚。電介質(zhì)的表面區(qū)更厚。

10、第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電4.1 4.1 表面雙電層的表面勢(shì)表面雙電層的表面勢(shì)(1)(1)金屬表面的雙電層和表面勢(shì)金屬表面的雙電層和表面勢(shì) 晶體中原子排列的三維周期性在表面處突然中斷，晶體中原子排列的三維周期性在表面處突然中斷，表面層中的原子可能發(fā)生表面層中的原子可能發(fā)生 重新排列重新排列能量能量（表面能）（表面能） 馳馳豫豫： 表表面面向向下下收收縮縮，表表面面層層原原子子與與內(nèi)內(nèi)層層原原子子結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)缺缺陷陷 間間距距比比內(nèi)內(nèi)層層原原子子相相互互之之間間有有所所減減小小。重重構(gòu)構(gòu)： 在在平平行行表表面面方方向向上上原原子子重重排排。第八講第八講 第三章第三章 金

11、屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電馳馳豫豫重重構(gòu)構(gòu)馳馳豫豫+ +重重構(gòu)構(gòu)第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電 金屬中自由電子密度很高金屬中自由電子密度很高屏蔽屏蔽金屬表面處的電勢(shì)金屬表面處的電勢(shì)分布近于一個(gè)單原子層如圖。分布近于一個(gè)單原子層如圖。 （電子的逸出功下降）電子的逸出功下降）鎢表面吸附氧原子，表面電勢(shì)升高鎢表面吸附氧原子，表面電勢(shì)升高鎢表面吸附銫原子，表面電勢(shì)降低鎢表面吸附銫原子，表面電勢(shì)降低光電陰極材料光電陰極材料 表面原子位能高，表面活性較大，易吸收外來(lái)原子，表面原子位能高，表面活性較大，易吸收外來(lái)原子，從而改變表面勢(shì)能從而改變表面勢(shì)能. .影響電子的逸出功影響電子的

12、逸出功 . .第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電 懸懸掛掛鍵鍵陷陷阱阱實(shí)實(shí)際際半半導(dǎo)導(dǎo)體體表表面面 結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)缺缺陷陷 如如馳馳豫豫，重重構(gòu)構(gòu)雜雜質(zhì)質(zhì)擾擾動(dòng)動(dòng)了了半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的正正常常共共價(jià)價(jià)鍵鍵形形成成表表面面態(tài)態(tài) 硅晶格在表面處突然終止，表面處硅原子有一個(gè)硅晶格在表面處突然終止，表面處硅原子有一個(gè)未成鍵的電子未成鍵的電子,即有一個(gè)未被飽和的建即有一個(gè)未被飽和的建稱為懸掛鍵稱為懸掛鍵 電子在懸掛鍵上的能態(tài)電子在懸掛鍵上的能態(tài)表面態(tài)，處在禁帶中，表面態(tài)，處在禁帶中，起電子陷阱作用起電子陷阱作用.(2)(2)半導(dǎo)體表面的雙電層和表面勢(shì)半導(dǎo)體表面的雙電層和表面勢(shì) 體內(nèi)電子被表面態(tài)捕獲而在體內(nèi)產(chǎn)生空穴，而體內(nèi)電子被表面態(tài)捕獲而在體內(nèi)產(chǎn)生空穴，而表面原子得到一個(gè)穩(wěn)定的八電子殼層帶有負(fù)電荷，表面原子得到一個(gè)穩(wěn)定的八電子殼層帶有負(fù)電荷，它與體內(nèi)空穴形成雙電層它與體內(nèi)空穴形成雙電層.第八講第八講 第三章第三章 金屬薄膜的導(dǎo)電金屬薄膜的導(dǎo)電若表面態(tài)能級(jí)在導(dǎo)帶底附近若表面態(tài)能級(jí)在導(dǎo)帶底附近施主型施主型若表面態(tài)能級(jí)在價(jià)帶頂附近若表面態(tài)能級(jí)在價(jià)帶頂附近受主型受主型 表面態(tài)使表面層帶有過(guò)剩電荷，因而在表面層下表面態(tài)使表面層帶有過(guò)剩電荷，因而在表面層下產(chǎn)生異種電