緒論、第一章(材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能)

1、陳玉安陳玉安材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院重要提示重要提示一、關(guān)于課程一、關(guān)于課程1 1、本課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)主干課；、本課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)主干課；2 2、本課程的先修課程是材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料物理；、本課程的先修課程是材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料物理；3 3、本課程理論教學(xué)、本課程理論教學(xué)5252學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)（學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)（4 4次）次）8 8學(xué)時(shí)。學(xué)時(shí)。二、關(guān)于紀(jì)律二、關(guān)于紀(jì)律1 1、曠課、曠課3 3次及以上，取消考試資格；次及以上，取消考試資格；2 2、缺實(shí)驗(yàn)、缺實(shí)驗(yàn)1 1次及以上，課程成績(jī)以次及以上，課程成績(jī)以0 0分計(jì)。分計(jì)。三、關(guān)于成績(jī)?cè)u(píng)定三、關(guān)于成績(jī)?cè)u(píng)定1 1、課程

2、成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和考試成績(jī)組成；、課程成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和考試成績(jī)組成；2 2、平時(shí)成績(jī)（含出勤、實(shí)驗(yàn)報(bào)告），占、平時(shí)成績(jī)（含出勤、實(shí)驗(yàn)報(bào)告），占20%20%，考試成績(jī)占，考試成績(jī)占80%80%。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：l功能材料的發(fā)展概況l功能材料的定義l功能材料的特點(diǎn)l功能材料的分類一、功能材料一、功能材料的發(fā)展概況的發(fā)展概況材料材料 材料按照性能特征和用途的分類：材料按照性能特征和用途的分類：具有較高力學(xué)性能并主要用來制造機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的材料具有特殊物理、化學(xué)等性能并主要用來制造具有特定功能的元、器件和產(chǎn)品的材料結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料Structural materials功能材料功能材料Functio

3、nal materials“力能力能”“功能功能”緒論2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代，隨著微電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展年代，隨著微電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展半導(dǎo)體功能材料半導(dǎo)體功能材料6060年代，出現(xiàn)激光技術(shù)年代，出現(xiàn)激光技術(shù)光學(xué)材料光學(xué)材料7070年代，伴隨著光電子技術(shù)的誕生年代，伴隨著光電子技術(shù)的誕生光電子材料光電子材料8080年代，人工智能、能源科學(xué)受到普遍重視年代，人工智能、能源科學(xué)受到普遍重視智能材料、儲(chǔ)能材料智能材料、儲(chǔ)能材料新型能源材料（包括原子反應(yīng)堆材料、太陽能材料、高效電池等）快新型能源材料（包括原子反應(yīng)堆材料、太陽能材料、高效電池等）快速發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)材料迅速掘起速發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)材料迅速掘起形

4、成了較為完善的功能材料體系形成了較為完善的功能材料體系 功能材料的發(fā)展歷史：功能材料的發(fā)展歷史：緒論二、功能材料的定義二、功能材料的定義 具有優(yōu)良的電、磁、聲、光、熱、力學(xué)、化學(xué)和生物功能及其相互具有優(yōu)良的電、磁、聲、光、熱、力學(xué)、化學(xué)和生物功能及其相互轉(zhuǎn)換的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的一類材料。轉(zhuǎn)換的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的一類材料。三、功能材料的特點(diǎn)三、功能材料的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料常以材料形式為最終產(chǎn)品，評(píng)價(jià)的是材料本身的性能。常以材料形式為最終產(chǎn)品，評(píng)價(jià)的是材料本身的性能。功能材料功能材料評(píng)價(jià)的元件形式的物理性能。評(píng)價(jià)的元件形式的物理性能。材料材料元、器件一體元、器件一體化化緒論四、功能材

5、料的分類四、功能材料的分類功能材料按功能體系的分類：功能材料按功能體系的分類：功能材料功能材料磁學(xué)功能材料磁學(xué)功能材料電學(xué)功能材料電學(xué)功能材料光學(xué)功能材料光學(xué)功能材料熱學(xué)功能材料熱學(xué)功能材料聲學(xué)和振動(dòng)相關(guān)功能材料聲學(xué)和振動(dòng)相關(guān)功能材料化學(xué)及能量功能材料化學(xué)及能量功能材料放射性相關(guān)功能材料放射性相關(guān)功能材料力學(xué)功能材料力學(xué)功能材料生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程材料生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程材料緒論主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：l 原子的電子排列 l 固體的能帶理論與導(dǎo)電性 l 半導(dǎo)體l 材料的超導(dǎo)電性l 材料的介電性l 材料的磁性l 材料的光學(xué)性質(zhì)重要的關(guān)系：重要的關(guān)系：電子結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu)物理性能物理性能電子結(jié)構(gòu)和電子

6、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與固體材料導(dǎo)電性的關(guān)系。電子結(jié)構(gòu)和電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與固體材料導(dǎo)電性的關(guān)系。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能金屬材料：金屬材料：導(dǎo)帶未被電子填滿，原子核對(duì)導(dǎo)帶電子的束縛弱，導(dǎo)帶電導(dǎo)帶未被電子填滿，原子核對(duì)導(dǎo)帶電子的束縛弱，導(dǎo)帶電子容易成為自由電子，因此具有良好的導(dǎo)電性；子容易成為自由電子，因此具有良好的導(dǎo)電性；絕緣體材料：絕緣體材料：導(dǎo)帶沒有填充電子，價(jià)帶與導(dǎo)帶之間存在很寬的禁帶，導(dǎo)帶沒有填充電子，價(jià)帶與導(dǎo)帶之間存在很寬的禁帶，價(jià)帶電子很難被激發(fā)至導(dǎo)帶而成為自由電子，因此不具有導(dǎo)電性；價(jià)帶電子很難被激發(fā)至導(dǎo)帶而成為自由電子，因此不具有導(dǎo)電性；半導(dǎo)體材料：半導(dǎo)體材料：導(dǎo)帶沒有填充電子，但價(jià)帶與導(dǎo)

7、帶之間的禁帶較窄，價(jià)導(dǎo)帶沒有填充電子，但價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的禁帶較窄，價(jià)帶電子一旦被激發(fā)至導(dǎo)帶則成為自由電子，因此具有一定的導(dǎo)電性。帶電子一旦被激發(fā)至導(dǎo)帶則成為自由電子，因此具有一定的導(dǎo)電性。研究電子結(jié)構(gòu)，加深對(duì)物理性能的理解，建立研究電子結(jié)構(gòu)，加深對(duì)物理性能的理解，建立“電子結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu)物理性能物理性能”的關(guān)系。的關(guān)系。一、原子的微觀結(jié)構(gòu)一、原子的微觀結(jié)構(gòu) 1.1.主量子數(shù)主量子數(shù) n (n =1、2、3、4) 主量子數(shù)確定核外電子離原子核的遠(yuǎn)近和能級(jí)的高低。主量子數(shù)確定核外電子離原子核的遠(yuǎn)近和能級(jí)的高低。 2.2.次量子數(shù)次量子數(shù) l (l = 0、1、2、3) 次量子數(shù)反映的是電子軌道的形狀

8、。次量子數(shù)反映的是電子軌道的形狀。 在由主量子數(shù)n確定的同一主殼層上的電子的能量有差異，可分成若干個(gè)能量水平不同的亞殼層，其數(shù)目隨主量子數(shù)而定，習(xí)慣上以s、p、d、f 表示 。 3.3.磁量子數(shù)磁量子數(shù)m (m = 0、1、2、3) 磁量子數(shù)表示電子云在空間的伸展方向，它確定軌道的空間取向。磁量子數(shù)表示電子云在空間的伸展方向，它確定軌道的空間取向。 4.4.自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)ms (ms = +1/2、-1/2) 自旋量子數(shù)表示在每個(gè)狀態(tài)下可以存在自旋方向相反的兩個(gè)電子。自旋量子數(shù)表示在每個(gè)狀態(tài)下可以存在自旋方向相反的兩個(gè)電子。第一節(jié)原子的電子排列第一節(jié)原子的電子排列 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與

9、物理性能1.1 1.1 原子的電子排列原子的電子排列 各電子殼層及亞殼層的電子狀態(tài)各電子殼層及亞殼層的電子狀態(tài)主量子數(shù)主量子數(shù)殼層序號(hào)殼層序號(hào)次量子數(shù)次量子數(shù)亞殼層狀態(tài)亞殼層狀態(tài)量子數(shù)規(guī)定量子數(shù)規(guī)定的狀態(tài)數(shù)目的狀態(tài)數(shù)目考慮自旋量子數(shù)考慮自旋量子數(shù)后的狀態(tài)數(shù)目后的狀態(tài)數(shù)目殼層殼層總電子數(shù)總電子數(shù)(2n2)11s122（212）22s2p13268（222）33s3p3d135261018（232）44s4p4d4f135726101432（242）第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.1 1.1 原子的電子排列原子的電子排列 二、原子核外電子的分布二、原子核外電子的分布 三個(gè)基本原理：三個(gè)基本原理：

10、l 泡利不相容原理泡利不相容原理 在一個(gè)原子中不可能存在四個(gè)量子數(shù)完全相同（即運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同）在一個(gè)原子中不可能存在四個(gè)量子數(shù)完全相同（即運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同）的兩個(gè)電子?；蛘?，在同一個(gè)原子中，最多只能有兩個(gè)電子處在同樣能的兩個(gè)電子?；蛘?，在同一個(gè)原子中，最多只能有兩個(gè)電子處在同樣能量狀態(tài)的軌道中，而且這兩個(gè)電子的自旋方向必定相反。量狀態(tài)的軌道中，而且這兩個(gè)電子的自旋方向必定相反。l 最低能量原理最低能量原理 電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。l 最多軌道規(guī)則（洪特規(guī)則）最多軌道規(guī)則（洪特規(guī)則） 相同能量的軌道（也稱等

11、價(jià)軌道）上分布的電子將盡可能分占不同的相同能量的軌道（也稱等價(jià)軌道）上分布的電子將盡可能分占不同的軌道，而且自旋方向相同。軌道，而且自旋方向相同。 作為洪特規(guī)則的特例，對(duì)于角量子數(shù)相同的軌道，當(dāng)電子層結(jié)構(gòu)為全充滿、半充滿或全空的狀態(tài)是比較穩(wěn)定的。即： 全充滿: p 6或d 10或f 14 ；半充滿: p 3或d 5或f 7 ； 全空: p 0或d 0或f 0 。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.1 1.1 原子的電子排列原子的電子排列 sspspdspdfspdfspdfspd能能量量主量子數(shù)主量子數(shù)n1234567電子能量水平隨主量子數(shù)和次量子數(shù)的變化情況電子能量水平隨主量子數(shù)和次量子數(shù)的變

12、化情況第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.1 1.1 原子的電子排列原子的電子排列 第二節(jié)固體的能帶理論與導(dǎo)電性第二節(jié)固體的能帶理論與導(dǎo)電性 一、能帶的形成一、能帶的形成 基本原理：基本原理： 對(duì)于單個(gè)原子：對(duì)于單個(gè)原子：u 單個(gè)原子的電子處在不同的分立能級(jí)或軌道上。單個(gè)原子的電子處在不同的分立能級(jí)或軌道上。 例如，一個(gè)原子有一個(gè)2s 能級(jí)，3個(gè)2p 能級(jí)，5個(gè)3d 能級(jí)。u 不同能級(jí)之間的電子能量各不相同。不同能級(jí)之間的電子能量各不相同。 電子的能量就是其所在能級(jí)的能量。u 單個(gè)原子的電子只能占據(jù)特定的軌道或能級(jí)，單個(gè)原子的電子只能占據(jù)特定的軌道或能級(jí)， 在每個(gè)能級(jí)上可容許有兩個(gè)自旋方向相反的

13、電子。 u 各能級(jí)之間存在著能隙。各能級(jí)之間存在著能隙。 能隙是電子能量的“真空”地帶。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性固體的能帶理論與導(dǎo)電性3s2p2s1s2N電子電子6N電子電子2N電子電子2N電子電子能帶的形成能帶的形成1原子原子2原子原子N原子原子第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性固體的能帶理論與導(dǎo)電性 對(duì)于晶體（由大量原子組成）：對(duì)于晶體（由大量原子組成）：u 各個(gè)原子的能級(jí)因電子云的重疊產(chǎn)生分裂現(xiàn)象。各個(gè)原子的能級(jí)因電子云的重疊產(chǎn)生分裂現(xiàn)象。 在由N個(gè)原子組成的晶體中，每個(gè)原子的一個(gè)能級(jí)將分裂成N個(gè)，每個(gè)能級(jí)上的電子數(shù)不

14、變。 u 能級(jí)分裂后，其最高和最低能級(jí)之間的能量差只有幾十個(gè)能級(jí)分裂后，其最高和最低能級(jí)之間的能量差只有幾十個(gè)eV。 例如，當(dāng)實(shí)際晶體即使小到體積只有1mm3，所包含的原子數(shù)也有N=1019左右，當(dāng)分裂成的1019個(gè)能級(jí)只分布在幾十個(gè)eV的范圍內(nèi)時(shí)，每一能級(jí)的間隔就非常的小。 u 電子的能量或能級(jí)幾乎就是連續(xù)變化的，于是形成了能帶。電子的能量或能級(jí)幾乎就是連續(xù)變化的，于是形成了能帶。u 能帶之間也存在著一些無電子能級(jí)的能量區(qū)域，稱為禁帶或能隙。能帶之間也存在著一些無電子能級(jí)的能量區(qū)域，稱為禁帶或能隙。 禁帶也是電子能量的“真空”地帶。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導(dǎo)

15、電性固體的能帶理論與導(dǎo)電性重要概念：重要概念：滿帶：滿帶：被電子填滿的能帶。被電子填滿的能帶?？諑В嚎諑В簺]有被電子填充的能帶。沒有被電子填充的能帶。價(jià)帶：價(jià)帶：被價(jià)電子占據(jù)的能量最高的能帶。被價(jià)電子占據(jù)的能量最高的能帶。導(dǎo)帶：導(dǎo)帶：價(jià)帶以上的空帶。價(jià)帶以上的空帶。金屬導(dǎo)電機(jī)理：金屬導(dǎo)電機(jī)理： 價(jià)帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶上成為自由電子，自由電子在電場(chǎng)作用價(jià)帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶上成為自由電子，自由電子在電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)形成電流。下作定向運(yùn)動(dòng)形成電流。二、金屬的能帶結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性二、金屬的能帶結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性l 金屬的能帶結(jié)構(gòu)金屬的能帶結(jié)構(gòu)第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性

16、固體的能帶理論與導(dǎo)電性各種金屬的能帶結(jié)構(gòu)各種金屬的能帶結(jié)構(gòu)3p02p63s22s21s2(b)堿土金屬堿土金屬M(fèi)g3s和和3p能帶重疊，形成擴(kuò)展能帶能帶重疊，形成擴(kuò)展能帶4s23d63p63s22p62s21s2(c)過渡金屬過渡金屬Fe4s和和3d能帶重疊，形成擴(kuò)展能帶能帶重疊，形成擴(kuò)展能帶3s12p62s21s2(a)堿金屬堿金屬Na導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性固體的能帶理論與導(dǎo)電性l 電荷載流子電荷載流子 定義：定義：載帶電荷運(yùn)動(dòng)的粒子稱為電荷載流子。載帶電荷運(yùn)動(dòng)的粒子稱為電荷載流子。 基本類型：基本類型： 電子和陰離子電子和陰離子負(fù)電

17、荷載流子，也稱為負(fù)型載流子。 陽離子陽離子正電荷載流子，也稱為正型載流子。如Pb2+。 空穴空穴正電荷載流子。在半導(dǎo)體中尤為重要。 電導(dǎo)率和載流子：電導(dǎo)率和載流子： 載流子遷移率：載流子遷移率：在外加電場(chǎng)作用下，載流子在原子尺度的結(jié)構(gòu)中移在外加電場(chǎng)作用下，載流子在原子尺度的結(jié)構(gòu)中移動(dòng)的難易程度，即：動(dòng)的難易程度，即： 電導(dǎo)率：電導(dǎo)率：由載流子濃度由載流子濃度n、每個(gè)載流子所帶電荷、每個(gè)載流子所帶電荷q、載流子遷移率、載流子遷移率 決定，即：決定，即： nq1 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性固體的能帶理論與導(dǎo)電性l 金屬的電阻率與溫度的關(guān)系金屬的電阻率與溫度的關(guān)

18、系一般而言，金屬的電阻率與溫度的關(guān)系是線性的，且具有正的溫度一般而言，金屬的電阻率與溫度的關(guān)系是線性的，且具有正的溫度系數(shù)，即隨著溫度上升，電阻率增加。系數(shù)，即隨著溫度上升，電阻率增加。 原理：原理：由于晶體熱擾動(dòng)的強(qiáng)度隨溫度的上升而成比例地增加，減少了晶體的規(guī)則性而使電子的平均自由程減小，從而減小了金屬中電子的遷移率，使電阻率增大。 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)yT與溫度與溫度T和電阻率和電阻率 的關(guān)系：的關(guān)系：)1 (T0TTy 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性固體的能帶理論與導(dǎo)電性三、費(fèi)米能級(jí)三、費(fèi)米能級(jí) l 費(fèi)米分布函數(shù)費(fèi)米分布函數(shù) f（E）1e1)(T/

19、)(kEEfEff（E）的物理意義：）的物理意義：代表在一定溫度下電子占有能量為E的狀態(tài)的幾率。Ef ：費(fèi)米能 l 費(fèi)米能的意義費(fèi)米能的意義（1）Ef 以下基本上是被電子填滿的，以下基本上是被電子填滿的，Ef 以上的能級(jí)基本上是空的。以上的能級(jí)基本上是空的。（2）由于熱運(yùn)動(dòng)，電子可具有大于）由于熱運(yùn)動(dòng)，電子可具有大于Ef 的能量而躍遷到導(dǎo)帶中，但只集的能量而躍遷到導(dǎo)帶中，但只集中在導(dǎo)帶的底部。同樣理由，價(jià)帶中的空穴也多集中在價(jià)帶的頂部。中在導(dǎo)帶的底部。同樣理由，價(jià)帶中的空穴也多集中在價(jià)帶的頂部。（3）對(duì)于一般金屬，）對(duì)于一般金屬，Ef 處于價(jià)帶和導(dǎo)帶的分界處。對(duì)于半導(dǎo)體，處于價(jià)帶和導(dǎo)帶的分界處

20、。對(duì)于半導(dǎo)體，Ef 位位于禁帶中央。于禁帶中央。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性固體的能帶理論與導(dǎo)電性金剛石（金剛石（C）、硅（）、硅（Si）和鍺（）和鍺（Ge）的能帶結(jié)構(gòu)）的能帶結(jié)構(gòu)CSi GeEspr空的導(dǎo)帶空的導(dǎo)帶滿的價(jià)帶滿的價(jià)帶四、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性四、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性固體的能帶理論與導(dǎo)電性導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)（ Ev代表價(jià)帶的最高能量，代表價(jià)帶的最高能量， Ec代表導(dǎo)帶的最低能量，代表導(dǎo)帶的最低能量，Ef是費(fèi)米能）是費(fèi)

21、米能）價(jià)價(jià)帶帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶EgEfEcEv價(jià)價(jià)帶帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶EcEv價(jià)價(jià)帶帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶Ev半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體絕緣體Eg第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性固體的能帶理論與導(dǎo)電性例例：估計(jì)金剛石、硅、鍺、灰錫四種元估計(jì)金剛石、硅、鍺、灰錫四種元素的電子在室溫（素的電子在室溫（2727 C C）下進(jìn)入導(dǎo)帶的）下進(jìn)入導(dǎo)帶的幾率。幾率。 已知：已知：C、Si、Ge、Sn的禁帶寬度分別為：的禁帶寬度分別為： 5.4eV、1.1 eV、0.67 eV、0.08 eV，玻耳茲曼常數(shù)：玻耳茲曼常數(shù)：k=1.380510-23J/K。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.21.2固體的能

22、帶理論與導(dǎo)電性固體的能帶理論與導(dǎo)電性第三節(jié)半導(dǎo)體第三節(jié)半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)電特性的兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：半導(dǎo)體導(dǎo)電特性的兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：l 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率對(duì)材料的純度的依賴性極為敏感。半導(dǎo)體的電導(dǎo)率對(duì)材料的純度的依賴性極為敏感。 例如，百萬分之一的硼含量就能使純硅的電導(dǎo)率成萬倍增加。如果所含雜質(zhì)的類型不同，導(dǎo)電類型也不同（如電子電導(dǎo)或空穴電導(dǎo)）。 l 電阻率受外界條件（如熱、光等）的影響很大。電阻率受外界條件（如熱、光等）的影響很大。溫度升高或受光照射時(shí)均可使電阻率迅速下降。一些特殊的半導(dǎo)體在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下，電阻率也會(huì)發(fā)生變化。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶

23、Egh 價(jià)帶電子受光輻射躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶上留下空穴價(jià)帶電子受光輻射躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶上留下空穴一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是不含有任何雜質(zhì)的半導(dǎo)體，它表示半導(dǎo)體本身固有本征半導(dǎo)體是不含有任何雜質(zhì)的半導(dǎo)體，它表示半導(dǎo)體本身固有的特性。的特性。 本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)：本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)：l電導(dǎo)是導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電和價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電共同作用的結(jié)果。電導(dǎo)是導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電和價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電共同作用的結(jié)果。l導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的濃度相等。導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的濃度相等。 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料的能隙與電子運(yùn)動(dòng)性半導(dǎo)體材料的能隙與電子運(yùn)動(dòng)性材料材料能隙能隙/

24、eV電子運(yùn)動(dòng)速率電子運(yùn)動(dòng)速率孔運(yùn)動(dòng)速率孔運(yùn)動(dòng)速率/ cm2(Vs)-1/ cm2(Vs)-1C(金剛石金剛石)SiGeSn5.41.1070.670.081800190038002500140050018502400兩個(gè)規(guī)律：兩個(gè)規(guī)律： 沿周期表下移，即依沿周期表下移，即依C(C(金剛石金剛石) )、SiSi、GeGe、SnSn的順序，能隙依次減小；的順序，能隙依次減??； 在給定的半導(dǎo)體中，電子遷移率大于同一半導(dǎo)體中空穴的遷移率。在給定的半導(dǎo)體中，電子遷移率大于同一半導(dǎo)體中空穴的遷移率。 第第點(diǎn)在討論與點(diǎn)在討論與p p型半導(dǎo)體相對(duì)照的型半導(dǎo)體相對(duì)照的n n型半導(dǎo)體時(shí)尤其重要。型半導(dǎo)體時(shí)尤其重要

25、。 l 本征半導(dǎo)體的電荷遷移率本征半導(dǎo)體的電荷遷移率)(henq第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體l 本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系 當(dāng)溫度升高，價(jià)帶中電子熱運(yùn)動(dòng)加劇，使電子能夠獲得更高的能量，當(dāng)溫度升高，價(jià)帶中電子熱運(yùn)動(dòng)加劇，使電子能夠獲得更高的能量，從而使躍遷到導(dǎo)帶的電子數(shù)增加，電荷載流子數(shù)隨之增加，最終使電導(dǎo)率從而使躍遷到導(dǎo)帶的電子數(shù)增加，電荷載流子數(shù)隨之增加，最終使電導(dǎo)率增大。增大。本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率：本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率：結(jié)論：結(jié)論： 本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率受溫度影響很大，隨溫度的升高呈指數(shù)增長。 通過測(cè)定半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系

26、可以求出其禁帶寬度Eg。 kTEge2/0第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體例：例：有某種半導(dǎo)體，實(shí)驗(yàn)測(cè)出其在有某種半導(dǎo)體，實(shí)驗(yàn)測(cè)出其在20 C下的電導(dǎo)率為下的電導(dǎo)率為250 -1m-1，100 C時(shí)為時(shí)為1100 -1m-1，問能隙，問能隙Eg有多大？有多大？已知：已知：玻耳茲曼常數(shù)：玻耳茲曼常數(shù)：k1.380510-23J/K，電子電荷：電子電荷：q1.602110-19C。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體二、摻雜半導(dǎo)體二、摻雜半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度而變，不易控制，難以做成器件使用。本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度而變，不易控制，難以做成

27、器件使用。 在本征半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì)元素（如周期表中的在本征半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì)元素（如周期表中的VA、IIIA的元的元素），使其變成摻雜半導(dǎo)體，可以改變能帶中的電子濃度或空穴濃度。素），使其變成摻雜半導(dǎo)體，可以改變能帶中的電子濃度或空穴濃度。 摻雜半導(dǎo)體的特點(diǎn)：摻雜半導(dǎo)體的特點(diǎn)：l 導(dǎo)帶電子或價(jià)帶空穴可以獨(dú)立改變，即電子濃度和空穴濃度可以不導(dǎo)帶電子或價(jià)帶空穴可以獨(dú)立改變，即電子濃度和空穴濃度可以不相等。相等。l 摻雜后將導(dǎo)致導(dǎo)帶電子濃度增加或價(jià)帶空穴濃度增加，前者摻雜形摻雜后將導(dǎo)致導(dǎo)帶電子濃度增加或價(jià)帶空穴濃度增加，前者摻雜形成的半導(dǎo)體稱為成的半導(dǎo)體稱為n n型半導(dǎo)體，后者摻雜形成的半

28、導(dǎo)體稱為型半導(dǎo)體，后者摻雜形成的半導(dǎo)體稱為p p型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。l 隨著摻雜半導(dǎo)體中摻雜雜質(zhì)元素和數(shù)量的不同，費(fèi)米能級(jí)不再位于隨著摻雜半導(dǎo)體中摻雜雜質(zhì)元素和數(shù)量的不同，費(fèi)米能級(jí)不再位于禁帶中央，或者向上方移動(dòng)（如禁帶中央，或者向上方移動(dòng)（如n n型），或者向下方移動(dòng)（如型），或者向下方移動(dòng)（如p p型）。型）。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體l n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 基本定義：基本定義： 當(dāng)在純凈的硅當(dāng)在純凈的硅(或鍺或鍺)中摻雜施主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體則主要依靠施主提供中摻雜施主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體則主要依靠施主提供的電子導(dǎo)電，此即的電子導(dǎo)電，此即n型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 特點(diǎn)

29、：特點(diǎn)：l 施主雜質(zhì)提供的額外電子不能位于價(jià)帶中，而只能位于靠近禁帶的施主雜質(zhì)提供的額外電子不能位于價(jià)帶中，而只能位于靠近禁帶的頂部（或靠近導(dǎo)帶的底部）。頂部（或靠近導(dǎo)帶的底部）。l 額外電子與原子結(jié)合不夠緊密，能量較高，只需外界施以較小的能額外電子與原子結(jié)合不夠緊密，能量較高，只需外界施以較小的能量就可以進(jìn)入導(dǎo)帶。量就可以進(jìn)入導(dǎo)帶。l 額外電子進(jìn)入導(dǎo)帶需要克服的能壘為額外電子進(jìn)入導(dǎo)帶需要克服的能壘為E Ed d ，通常稱為施主能級(jí)。它比，通常稱為施主能級(jí)。它比較接近導(dǎo)帶底的能量。較接近導(dǎo)帶底的能量。l 控制控制n n型半導(dǎo)體電導(dǎo)率的是型半導(dǎo)體電導(dǎo)率的是E Ed d 而非是而非是E Eg g

30、。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶n型半導(dǎo)體中施主能級(jí)型半導(dǎo)體中施主能級(jí)Ed的位置的位置施主能級(jí)施主能級(jí)Ed禁帶禁帶第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 載流子的濃度：載流子的濃度：式中：第一項(xiàng)為施主雜質(zhì)的電子濃度，第二項(xiàng)為無雜質(zhì)純半導(dǎo)體的電子和空穴濃度，n0d 和n0均大致為常數(shù)。 施主耗盡：施主耗盡： 在在n n型半導(dǎo)體中，當(dāng)溫度升高時(shí)，有越來越多的施主雜質(zhì)電子能克服型半導(dǎo)體中，當(dāng)溫度升高時(shí)，有越來越多的施主雜質(zhì)電子能克服E Ed d進(jìn)入導(dǎo)帶，最后直到所有雜質(zhì)電子全部進(jìn)入導(dǎo)帶，即出現(xiàn)施主耗盡。進(jìn)入導(dǎo)帶，最后直到所有雜質(zhì)電子全部

31、進(jìn)入導(dǎo)帶，即出現(xiàn)施主耗盡。 施主耗盡出現(xiàn)時(shí)，施主耗盡出現(xiàn)時(shí)，n n型半導(dǎo)體的電導(dǎo)率將不再發(fā)生變化。型半導(dǎo)體的電導(dǎo)率將不再發(fā)生變化。n總總ne（施主）（施主）ne（本征）（本征）nh（本征）（本征） n總kTEkTEgdnnn2/0/d0e2e總 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體電電導(dǎo)導(dǎo)率率溫度溫度 約為常數(shù)約為常數(shù)本征本征耗盡耗盡摻雜摻雜n型半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度的變化型半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度的變化通常半導(dǎo)體材料選擇在施主耗盡即顯示平臺(tái)溫度范圍內(nèi)工作。通常半導(dǎo)體材料選擇在施主耗盡即顯示平臺(tái)溫度范圍內(nèi)工作。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體l p型半導(dǎo)體

32、型半導(dǎo)體 基本定義：基本定義： 當(dāng)在純凈的硅當(dāng)在純凈的硅(或鍺或鍺)中摻雜受主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體則主要依靠受主提供中摻雜受主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體則主要依靠受主提供的空穴導(dǎo)電，此即的空穴導(dǎo)電，此即p型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：l 受主雜質(zhì)提供的空穴不能位于價(jià)帶中，而只能是靠近禁帶底部（或受主雜質(zhì)提供的空穴不能位于價(jià)帶中，而只能是靠近禁帶底部（或靠近價(jià)帶的頂部）。靠近價(jià)帶的頂部）。l 受主雜質(zhì)接受一個(gè)電子并產(chǎn)生空穴所需克服的勢(shì)壘只稍高于價(jià)帶，受主雜質(zhì)接受一個(gè)電子并產(chǎn)生空穴所需克服的勢(shì)壘只稍高于價(jià)帶，以受主能級(jí)以受主能級(jí)E Ea a表示。表示。 l 控制控制p p型半導(dǎo)體電導(dǎo)率的是型半導(dǎo)體電導(dǎo)率的是E

33、Ea a 而非是而非是E Eg g 。 載流子的濃度：載流子的濃度：kTEkTEgannn2/0/a0總e2e第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶p型半導(dǎo)體中受主能級(jí)型半導(dǎo)體中受主能級(jí)Ea的位置的位置受主能級(jí)受主能級(jí)Ea禁帶禁帶第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體第四節(jié)材料的超導(dǎo)電性第四節(jié)材料的超導(dǎo)電性 一、超導(dǎo)現(xiàn)象與超導(dǎo)電性一、超導(dǎo)現(xiàn)象與超導(dǎo)電性在一定的溫度下，材料突然失去電阻的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。在一定的溫度下，材料突然失去電阻的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。正常導(dǎo)體正常導(dǎo)體T(K)R（ ）Tc4.2Hg的電阻與溫度的關(guān)系的電阻與溫度的關(guān)系第一

34、章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 1.4 材料的超導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性 二、超導(dǎo)電性的基本特征二、超導(dǎo)電性的基本特征l 零電阻效應(yīng)（零電阻效應(yīng)（R0） 材料在某一溫度下突然失去電阻的現(xiàn)象，稱為零電阻效應(yīng)。材料在某一溫度下突然失去電阻的現(xiàn)象，稱為零電阻效應(yīng)。l 邁斯納效應(yīng)（邁斯納效應(yīng)（B0） 處于超導(dǎo)態(tài)的物體完全排斥磁場(chǎng)，即磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，這處于超導(dǎo)態(tài)的物體完全排斥磁場(chǎng)，即磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，這一特征叫完全抗磁性或邁斯納效應(yīng)。一特征叫完全抗磁性或邁斯納效應(yīng)。邁斯納效應(yīng)（超導(dǎo)球排斥磁通）邁斯納效應(yīng)（超導(dǎo)球排斥磁通）第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 1.4 材料的超導(dǎo)電性材料的超

35、導(dǎo)電性 三、超導(dǎo)體的臨界參數(shù)三、超導(dǎo)體的臨界參數(shù)l 臨界溫度臨界溫度T Tc c 臨界溫度即超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。臨界溫度即超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。 當(dāng)當(dāng)T T T Tc c時(shí)：超導(dǎo)體呈正常態(tài)；時(shí)：超導(dǎo)體呈正常態(tài)； 當(dāng)當(dāng)T T T Tc c時(shí)，超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。時(shí)，超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。l 臨界磁場(chǎng)臨界磁場(chǎng)H Hc c 當(dāng)溫度低于當(dāng)溫度低于T Tc c時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)也會(huì)破壞超導(dǎo)態(tài)，即有磁力線穿入超導(dǎo)體內(nèi)，時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)也會(huì)破壞超導(dǎo)態(tài)，即有磁力線穿入超導(dǎo)體內(nèi)，材料就從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。材料就從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。 將可以破壞超導(dǎo)態(tài)的最小磁場(chǎng)，稱為臨界磁場(chǎng)。將可以破壞超導(dǎo)態(tài)的最小磁場(chǎng)，稱為臨界磁場(chǎng)。l 臨

36、界電流臨界電流I Ic c（臨界電流密度（臨界電流密度J Jc c） 通過超導(dǎo)體的電流也會(huì)破壞超導(dǎo)態(tài)，當(dāng)電流超過某一臨界值時(shí)，超導(dǎo)通過超導(dǎo)體的電流也會(huì)破壞超導(dǎo)態(tài)，當(dāng)電流超過某一臨界值時(shí)，超導(dǎo)體就出現(xiàn)電阻。體就出現(xiàn)電阻。 將產(chǎn)生臨界磁場(chǎng)的電流，即超導(dǎo)態(tài)允許流動(dòng)的最大電流，稱為臨界電將產(chǎn)生臨界磁場(chǎng)的電流，即超導(dǎo)態(tài)允許流動(dòng)的最大電流，稱為臨界電流。流。 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 1.4 材料的超導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性 超導(dǎo)部分超導(dǎo)部分正常導(dǎo)體部分正常導(dǎo)體部分磁通磁通磁場(chǎng)磁場(chǎng)電流電流超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的混合狀態(tài)超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的混合狀態(tài)兩類超導(dǎo)體：兩類超導(dǎo)體：l 第一類超導(dǎo)體：第一類超導(dǎo)體：當(dāng)當(dāng)H

37、 H H Hc c時(shí)，呈超導(dǎo)性；時(shí)，呈超導(dǎo)性；當(dāng)當(dāng)H H H Hc c時(shí)，呈正常態(tài)。時(shí)，呈正常態(tài)。l 第二類超導(dǎo)體：第二類超導(dǎo)體：有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)：下臨界磁場(chǎng)有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)：下臨界磁場(chǎng)和上臨界磁場(chǎng)（分別用和上臨界磁場(chǎng)（分別用H Hc1c1和和H Hc2c2表示）。表示）。T T T Tc c時(shí)：時(shí)：當(dāng)當(dāng)H H H Hc1c1時(shí)，與第一類超導(dǎo)體時(shí)，與第一類超導(dǎo)體相同，表現(xiàn)出完全抗磁性；相同，表現(xiàn)出完全抗磁性；當(dāng)當(dāng)H Hc1c1H H H Hc2c2時(shí)，第二類超時(shí)，第二類超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的混合導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的混合狀態(tài)；狀態(tài)；當(dāng)當(dāng)H H H Hc2c2時(shí)，超導(dǎo)部分消失，時(shí)，超導(dǎo)部分消失

38、，導(dǎo)體轉(zhuǎn)為正常態(tài)。導(dǎo)體轉(zhuǎn)為正常態(tài)。通常，第二類超導(dǎo)體的Hc1較小，Hc2 則比Hc1高一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且，大部分第二類超導(dǎo)體的Hc2比第一類超導(dǎo)體的Hc要高得多。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 1.4 材料的超導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性 l 三個(gè)臨界參數(shù)的關(guān)系三個(gè)臨界參數(shù)的關(guān)系 超導(dǎo)體的三個(gè)臨界參數(shù)具有超導(dǎo)體的三個(gè)臨界參數(shù)具有相互關(guān)聯(lián)性，要使超導(dǎo)體處于相互關(guān)聯(lián)性，要使超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)，必須使這三個(gè)臨界超導(dǎo)狀態(tài)，必須使這三個(gè)臨界參數(shù)都滿足規(guī)定的條件，任何參數(shù)都滿足規(guī)定的條件，任何一個(gè)條件遭到破壞，超導(dǎo)狀態(tài)一個(gè)條件遭到破壞，超導(dǎo)狀態(tài)隨即消失。三者的關(guān)系可用右隨即消失。三者的關(guān)系可用右圖所示曲面來表

39、示。在臨界面圖所示曲面來表示。在臨界面以下的狀態(tài)為超導(dǎo)態(tài)，其余均以下的狀態(tài)為超導(dǎo)態(tài)，其余均為正常態(tài)。為正常態(tài)。 從實(shí)用性來看，希望三個(gè)臨從實(shí)用性來看，希望三個(gè)臨界參數(shù)越大越好。界參數(shù)越大越好。JTHHcJcTcT-H-J臨界面臨界面超導(dǎo)體三個(gè)臨界參數(shù)之間的關(guān)系超導(dǎo)體三個(gè)臨界參數(shù)之間的關(guān)系第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 1.4 材料的超導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性 四、超導(dǎo)電性的微觀機(jī)制四、超導(dǎo)電性的微觀機(jī)制l 電子電子-聲子相互作用聲子相互作用 聲子：聲子：晶格振動(dòng)的能量子。晶格振動(dòng)的能量子。在T0 K時(shí)，晶格點(diǎn)陣上的離子在其平衡位置附近振動(dòng)，并相互耦合在一起。任何局部的擾動(dòng)或激發(fā)，都會(huì)通過格波

40、的傳遞，導(dǎo)致晶格點(diǎn)陣集體振動(dòng)。這種集體振動(dòng)，可以看成由若干個(gè)互相獨(dú)立、頻率各異的簡(jiǎn)正振動(dòng)疊加而成。每一個(gè)簡(jiǎn)正振動(dòng)的能量量子，稱為聲子。 聲子的行為：聲子的行為：聲子也具有粒子的性質(zhì)，會(huì)與電子發(fā)生相互作用，聲子也具有粒子的性質(zhì)，會(huì)與電子發(fā)生相互作用，這種作用，即電子與晶格點(diǎn)陣的相互作用稱為電子這種作用，即電子與晶格點(diǎn)陣的相互作用稱為電子- -聲子相互作用。聲子相互作用。當(dāng)一個(gè)電子通過相互作用，把能量、動(dòng)量轉(zhuǎn)移給晶格點(diǎn)陣，從而激起它的某個(gè)簡(jiǎn)正頻率的擾動(dòng)，叫做產(chǎn)生一個(gè)聲子。相反，通過相互作用，使振動(dòng)的晶格點(diǎn)陣獲得能量、動(dòng)量，同時(shí)又減弱某個(gè)簡(jiǎn)正頻率的擾動(dòng)，叫做吸收一個(gè)聲子。電子電子- -聲子相互作用可

41、以直接改變電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。聲子相互作用可以直接改變電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 1.4 材料的超導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性 l 超導(dǎo)能隙超導(dǎo)能隙 金屬處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)的電子能譜金屬處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)的電子能譜具有顯著的特點(diǎn)：具有顯著的特點(diǎn)： 在費(fèi)米能級(jí)在費(fèi)米能級(jí)Ef 附近，存在一個(gè)附近，存在一個(gè)能量間隔（能量間隔（2 ） ，稱作超導(dǎo)能隙。，稱作超導(dǎo)能隙。 當(dāng)T0 K時(shí)，能量處于能隙下邊緣以下的狀態(tài)全被占據(jù)，能隙上邊緣以上的狀態(tài)全部空著。能量在費(fèi)米能級(jí)附近的電子全部配成庫柏對(duì)，這將使超導(dǎo)態(tài)處于能量最低的狀態(tài)，即超導(dǎo)基態(tài)。超導(dǎo)基態(tài)相應(yīng)的系統(tǒng)能量小于系統(tǒng)處于正常態(tài)時(shí)的能量。2 正常態(tài)正常態(tài)0

42、K下的正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)電子能譜下的正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)電子能譜超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)空態(tài)空態(tài)滿態(tài)滿態(tài)Ef第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 1.4 材料的超導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性 l 庫柏電子對(duì)庫柏電子對(duì) 當(dāng)兩個(gè)電子間存在凈的吸引作用時(shí)，在費(fèi)米面附近就存在一個(gè)動(dòng)量大當(dāng)兩個(gè)電子間存在凈的吸引作用時(shí)，在費(fèi)米面附近就存在一個(gè)動(dòng)量大小相等、方向相反且自旋相反的兩電子束縛態(tài)，它的能量比兩個(gè)獨(dú)立的小相等、方向相反且自旋相反的兩電子束縛態(tài)，它的能量比兩個(gè)獨(dú)立的電子總能量低，這種束縛態(tài)電子對(duì)稱為庫柏對(duì)。電子總能量低，這種束縛態(tài)電子對(duì)稱為庫柏對(duì)。q1q2電子與正離子相互作用電子與正離子相互作用形成庫柏電子對(duì)形成庫柏電子對(duì) 庫柏電

43、子對(duì)的形成過程：庫柏電子對(duì)的形成過程： 處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體內(nèi)，若某一個(gè)自處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體內(nèi)，若某一個(gè)自由電子由電子q1在正離子附近運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)吸引正在正離子附近運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)吸引正離子而使這個(gè)區(qū)域的局部正電荷密度增離子而使這個(gè)區(qū)域的局部正電荷密度增加，當(dāng)另一個(gè)電子加，當(dāng)另一個(gè)電子q2在這個(gè)正電荷密度增在這個(gè)正電荷密度增加了的場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)受到這個(gè)場(chǎng)的加了的場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)受到這個(gè)場(chǎng)的吸引作用，這個(gè)作用相當(dāng)于吸引作用，這個(gè)作用相當(dāng)于q1對(duì)對(duì)q2產(chǎn)生吸產(chǎn)生吸引力，即電子引力，即電子q1吸引電子吸引電子q2。若這個(gè)吸引。若這個(gè)吸引力大于力大于q1和和q2之間的庫侖斥力，這兩個(gè)電之間的庫侖斥力，這兩個(gè)電

44、子就可以結(jié)合成為一個(gè)電子對(duì)。子就可以結(jié)合成為一個(gè)電子對(duì)。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 1.4 材料的超導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性 l BCSBCS超導(dǎo)微觀理論超導(dǎo)微觀理論 BCSBCS理論的核心點(diǎn)：理論的核心點(diǎn)： 庫柏電子對(duì)導(dǎo)致能隙的存在；庫柏電子對(duì)導(dǎo)致能隙的存在； 元素或合金的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與費(fèi)米面附近電子能態(tài)密度與電子元素或合金的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與費(fèi)米面附近電子能態(tài)密度與電子- -聲聲子相互作用能有關(guān)。子相互作用能有關(guān)。 一種金屬如果在室溫下具有較高的電阻率，冷卻時(shí)就有更大可能成為超導(dǎo)體。BCSBCS理論對(duì)超導(dǎo)電性的解釋：理論對(duì)超導(dǎo)電性的解釋： 電子同晶格相互作用導(dǎo)致在常溫下形成電阻，但在低溫

45、下，則是產(chǎn)電子同晶格相互作用導(dǎo)致在常溫下形成電阻，但在低溫下，則是產(chǎn)生庫柏電子對(duì)的原因。溫度越低，所產(chǎn)生的庫柏電子對(duì)越多。生庫柏電子對(duì)的原因。溫度越低，所產(chǎn)生的庫柏電子對(duì)越多。 庫柏對(duì)不能互相獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)，只能以關(guān)聯(lián)的形式作集體運(yùn)動(dòng)。庫柏對(duì)不能互相獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)，只能以關(guān)聯(lián)的形式作集體運(yùn)動(dòng)。 在臨界溫度下，庫柏對(duì)具有與晶格相同的振動(dòng)頻率，因而導(dǎo)致庫柏在臨界溫度下，庫柏對(duì)具有與晶格相同的振動(dòng)頻率，因而導(dǎo)致庫柏對(duì)集體地同步穿過振動(dòng)的晶格，使電子對(duì)與晶格之間碰撞的時(shí)間間隔以對(duì)集體地同步穿過振動(dòng)的晶格，使電子對(duì)與晶格之間碰撞的時(shí)間間隔以及與之相關(guān)的電導(dǎo)率無限增大，從而呈現(xiàn)電阻消失現(xiàn)象。及與之相關(guān)的電導(dǎo)率無限

46、增大，從而呈現(xiàn)電阻消失現(xiàn)象。 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 1.4 材料的超導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性 五、超導(dǎo)隧道效應(yīng)五、超導(dǎo)隧道效應(yīng) （約瑟夫森效應(yīng)）（約瑟夫森效應(yīng)） 兩超導(dǎo)體中間的絕緣層能讓超導(dǎo)電流通過的現(xiàn)象，稱為超導(dǎo)隧道效應(yīng)。兩超導(dǎo)體中間的絕緣層能讓超導(dǎo)電流通過的現(xiàn)象，稱為超導(dǎo)隧道效應(yīng)。 延伸：延伸：兩塊超導(dǎo)體中間夾一層金屬可形成約瑟夫森結(jié)； 超導(dǎo)體中間為真空，兩者靠得很近可行形成約瑟夫森結(jié)； 兩塊超導(dǎo)體構(gòu)成點(diǎn)接觸可行形成約瑟夫森結(jié)； 兩塊超導(dǎo)體構(gòu)成微橋接觸可行形成約瑟夫森結(jié)。S1S2nm級(jí)厚度的介電勢(shì)壘級(jí)厚度的介電勢(shì)壘I約瑟夫森結(jié)示意圖約瑟夫森結(jié)示意圖 構(gòu)成約瑟夫森結(jié)的關(guān)鍵：構(gòu)成約

47、瑟夫森結(jié)的關(guān)鍵： 兩塊超導(dǎo)體間呈弱連接。兩塊超導(dǎo)體間呈弱連接。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 1.4 材料的超導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性 隧道結(jié)隧道結(jié)超導(dǎo)膜超導(dǎo)膜基片基片表面氧化的超導(dǎo)膜表面氧化的超導(dǎo)膜超導(dǎo)膜超導(dǎo)膜基片基片橋區(qū)橋區(qū)具有尖端的具有尖端的超導(dǎo)細(xì)針超導(dǎo)細(xì)針超導(dǎo)體超導(dǎo)體a)b)c)幾種常見的約瑟夫森結(jié)幾種常見的約瑟夫森結(jié)a) a) 隧道結(jié)隧道結(jié)b) b) 超導(dǎo)微橋超導(dǎo)微橋c) c) 點(diǎn)接觸結(jié)點(diǎn)接觸結(jié)第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 1.4 材料的超導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性 第五節(jié)材料的介電性第五節(jié)材料的介電性 一、電介質(zhì)的極化一、電介質(zhì)的極化l 極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象 材料按對(duì)外電場(chǎng)響應(yīng)方式

48、的不同的分類：材料按對(duì)外電場(chǎng)響應(yīng)方式的不同的分類：導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料電荷以長程遷移即傳導(dǎo)的方式對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng)。電荷以長程遷移即傳導(dǎo)的方式對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng)。電介質(zhì)電介質(zhì)(介電材料介電材料)電荷以感應(yīng)的方式對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng)，電荷以感應(yīng)的方式對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng)，即沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩的改變。即沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩的改變。極化第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 非極性電介質(zhì)非極性電介質(zhì)由非極性分子組成，在無外加電場(chǎng)時(shí)分子的正負(fù)電荷重心由非極性分子組成，在無外加電場(chǎng)時(shí)分子的正負(fù)電荷重心互相重合，不具有電偶極矩，只是在外加電場(chǎng)作用下正負(fù)電互相重合，

49、不具有電偶極矩，只是在外加電場(chǎng)作用下正負(fù)電荷出現(xiàn)相對(duì)位移，才出現(xiàn)電偶極矩。荷出現(xiàn)相對(duì)位移，才出現(xiàn)電偶極矩。極性電介質(zhì)極性電介質(zhì) 由極性分子組成，即使在無外電場(chǎng)時(shí)每個(gè)分子的正負(fù)電荷由極性分子組成，即使在無外電場(chǎng)時(shí)每個(gè)分子的正負(fù)電荷重心也不互相重合，具有固有電偶極矩。重心也不互相重合，具有固有電偶極矩。電解質(zhì)的分類：電解質(zhì)的分類：第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 l 極化機(jī)制極化機(jī)制 電介質(zhì)極化的三種主要基本過程：電介質(zhì)極化的三種主要基本過程：電子極化電子極化由材料中原子核外電子云畸變產(chǎn)生。由材料中原子核外電子云畸變產(chǎn)生。離子極化離子極化由材料的分子中正、負(fù)離

50、子相對(duì)位移造成。由材料的分子中正、負(fù)離子相對(duì)位移造成。又稱原子極化。又稱原子極化。轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化由材料分子的固有電矩在外電場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致。由材料分子的固有電矩在外電場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致。又稱分子極化、取向極化。又稱分子極化、取向極化。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 +-電子電子原子核原子核E=0+-E 0-+-E 0-+-+正離子正離子負(fù)離子負(fù)離子E=0+-+-+-+-+-+-E=0偶極子偶極子+-+-+-+-+-+-E 0c)b)a)固體中的極化機(jī)制固體中的極化機(jī)制 a）電子型）電子型電子云中心與正電荷中心不重合電子云中心與正電荷中心不重合b）離子

51、型）離子型正離子與負(fù)離子相對(duì)位置發(fā)生移動(dòng)正離子與負(fù)離子相對(duì)位置發(fā)生移動(dòng)c）分子型）分子型永久性的偶極子沿外電場(chǎng)進(jìn)行取向永久性的偶極子沿外電場(chǎng)進(jìn)行取向l 極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度 電介質(zhì)中一個(gè)中性分子的電偶極矩：電介質(zhì)中一個(gè)中性分子的電偶極矩： lqpq q 分子中正電荷的總量； 正負(fù)電荷重心之間的位矢，由負(fù)電荷重心指向正電荷重心。電介質(zhì)的極化強(qiáng)度：電介質(zhì)的極化強(qiáng)度：極化強(qiáng)度的物理意義：極化強(qiáng)度的物理意義：電介質(zhì)單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和。電介質(zhì)單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和。 lVpP/(C/m2)第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 二、介電常數(shù)與電容二、介電常數(shù)與電容

52、l 介電常數(shù)介電常數(shù) 現(xiàn)象：現(xiàn)象： 由于極化的結(jié)果，電介質(zhì)的表面形成了符號(hào)相反的感應(yīng)電荷，它將一由于極化的結(jié)果，電介質(zhì)的表面形成了符號(hào)相反的感應(yīng)電荷，它將一個(gè)與外電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，使外電場(chǎng)受到削弱。個(gè)與外電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，使外電場(chǎng)受到削弱。顯然，介質(zhì)的極化能力越強(qiáng)，其形成的反向電場(chǎng)越大。顯然，介質(zhì)的極化能力越強(qiáng)，其形成的反向電場(chǎng)越大。 介電常數(shù)：介電常數(shù)：反映電介質(zhì)極化能力的物理量。反映電介質(zhì)極化能力的物理量。 電介質(zhì)的介電常數(shù)；D 介質(zhì)中的電位移。D值的大小與極板上自由電荷的密度有關(guān)；E 介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度。為外加電場(chǎng)與束縛電荷形成的合電場(chǎng)。ED第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 1.5

53、 材料的介電性材料的介電性 l 電容電容 最簡(jiǎn)單的電容器的構(gòu)造：最簡(jiǎn)單的電容器的構(gòu)造： +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+VQQP間隙中的介電材料間隙中的介電材料（被極化）（被極化）l+-+VQQ極板面積極板面積A間隙中電介質(zhì)間隙中電介質(zhì)為空氣或真空為空氣或真空平板電容器的構(gòu)造平板電容器的構(gòu)造a）電介質(zhì)為空氣或真空）電介質(zhì)為空氣或真空b）電介質(zhì)為比空氣或真空易于極化的材料）電介質(zhì)為比空氣或真空易于極化的材料a)b)第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 電容器的電容值：電容器的電容值： 儲(chǔ)存于一塊極板上的電量?jī)?chǔ)存于一塊極板上的電量Q Q 正比于所加的

54、電壓正比于所加的電壓V V，即：，即：Q = C V。 比例常數(shù)比例常數(shù)C 定義為電容，其單位是法拉第，定義為電容，其單位是法拉第，F(xiàn)。 電容C與所加電壓的大小無關(guān)，而決定于電容器的幾何尺寸。如果每個(gè)極板的面積為A(m2)，而兩極板間的距離為l（m），則有：C = A / l 介電常數(shù)介電常數(shù) 兩極板之間為真空，則稱真空介電常數(shù)0。 r r 相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù) r = / 0（無因次） r r表征了電介質(zhì)貯存電能能力的大小。表征了電介質(zhì)貯存電能能力的大小。 介電常數(shù)介電常數(shù) 與極化強(qiáng)度與極化強(qiáng)度P之間的關(guān)系：之間的關(guān)系： = 0 + P / E 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 1.

55、5 材料的介電性材料的介電性 材料的相對(duì)介電常數(shù)材料的相對(duì)介電常數(shù)材料材料 r材料材料 r空氣（或真空）空氣（或真空）1.0鎂橄欖石（鎂橄欖石（2 MgOSiO2）6.2水水80.4堇青石（堇青石（2 MgO2Al2O355SiO2）4.55.4陶瓷陶瓷聚合物聚合物金剛石金剛石5.56.6酚醛樹脂酚醛樹脂5.0Al2O3（多晶體）（多晶體）9.0硅橡膠硅橡膠2.8SiO23.73.8環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂3.5 MgO9.6尼龍尼龍6, 64.0 NaCl5.9聚碳酸酯聚碳酸酯3.0 BaTiO33000聚苯乙烯聚苯乙烯2.5 云母云母5.48.7高密度聚乙烯高密度聚乙烯2.3派熱克斯玻璃派熱克斯玻

56、璃4.06.0聚四氟乙烯聚四氟乙烯2.0滑石（滑石（2SiO2MgO）5.57.5聚氯乙烯聚氯乙烯3.2第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 電介質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下，以發(fā)熱的形式而耗散能量的現(xiàn)象稱為介電電介質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下，以發(fā)熱的形式而耗散能量的現(xiàn)象稱為介電損耗。損耗。產(chǎn)生介電損耗的原因：產(chǎn)生介電損耗的原因： 電介質(zhì)中微量雜質(zhì)而引起的漏導(dǎo)電流；電介質(zhì)中微量雜質(zhì)而引起的漏導(dǎo)電流； 極化取向與外加電場(chǎng)由于相位差而產(chǎn)生的極化電流損耗。極化取向與外加電場(chǎng)由于相位差而產(chǎn)生的極化電流損耗。 是主要原因。是主要原因。影響介電損耗的因素：影響介電損耗的因素： 介電損耗與所

57、加電場(chǎng)的頻率介電損耗與所加電場(chǎng)的頻率f、電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度E、材料的介電常數(shù)、材料的介電常數(shù) 和損耗和損耗因子因子tan 等有關(guān)。因此，電介質(zhì)單位體積的功率損耗等有關(guān)。因此，電介質(zhì)單位體積的功率損耗W：W = f E2tan （W/m2） 式中的tan為損失角正切，即損耗因子，反映電介質(zhì)中分子磨擦的強(qiáng)度一個(gè)量，用以表征電介質(zhì)介電損耗的大小。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 部分材料的介電損耗部分材料的介電損耗材料材料tan 材料材料tan 陶瓷陶瓷聚合物聚合物 Al2O30.00020.01 酚醛樹脂（電木）酚醛樹脂（電木）0.060.10 SiO20.0

58、0038 硅橡膠硅橡膠0.0010.025 BaTiO30.00010.02 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂0.0020.010 云母云母0.0016 尼龍尼龍6, 60.01 派熱克斯玻璃派熱克斯玻璃0.0060.025 聚碳酸酯聚碳酸酯0.0009 滑石（滑石（2SiO2MgO）0.00020.004 聚苯乙烯聚苯乙烯0.00010.0006 鎂橄欖石（鎂橄欖石（2 MgOSiO2）0.0004 高密度聚乙烯高密度聚乙烯0.0001 堇青石（堇青石（2 MgO2Al2O35SiO2）0.0040.012 聚四氟乙烯聚四氟乙烯0.0002 聚氯乙烯聚氯乙烯0.0070.020第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能

59、1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 在強(qiáng)電場(chǎng)中，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，電介質(zhì)就喪失其絕緣性在強(qiáng)電場(chǎng)中，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，電介質(zhì)就喪失其絕緣性能，這種現(xiàn)象稱為介電擊穿。能，這種現(xiàn)象稱為介電擊穿。 介電強(qiáng)度是一種介電材料在不發(fā)生介電擊穿或者放電的情況下所能承受的最大電場(chǎng)： E max = （V / d）max 式中的E max為介電強(qiáng)度或擊穿強(qiáng)度（MVm-1），下標(biāo)max代表發(fā)生擊穿的起始值。 電介質(zhì)的介電擊穿大約可分為特征擊穿、熱擊穿、電機(jī)械擊穿和放電電介質(zhì)的介電擊穿大約可分為特征擊穿、熱擊穿、電機(jī)械擊穿和放電擊穿等幾類。擊穿等幾類。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 1

60、.5 材料的介電性材料的介電性 部分材料的介電強(qiáng)度部分材料的介電強(qiáng)度材料材料介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度/106V/cm材料材料介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度/106V/cm陶瓷陶瓷 派熱克斯玻璃派熱克斯玻璃 (0.003cm)5.8 Al2O3 (0.03 m)7.0 派熱克斯玻璃派熱克斯玻璃 (0.0005cm)6.5 Al2O3 (0.6 m)1.5 滑石滑石 (SiO2+MgO+Al2O3，0.63 cm)0.1 Al2O3 (0.63cm)0.18 鎂橄欖石鎂橄欖石 (2 MgOSiO2，0.63 cm)0.15 SiO2 (石英，石英，0.005cm)0.6聚合物聚合物 NaCl (0.002cm)2.0