材料物理性能

1、第二章第二章 材料的電學(xué)性能材料的電學(xué)性能 學(xué)習(xí)內(nèi)容：學(xué)習(xí)內(nèi)容：2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 導(dǎo)電性導(dǎo)電性 2.3 2.3 晶體的能帶晶體的能帶2.4 2.4 金屬的導(dǎo)電性金屬的導(dǎo)電性2.5 2.5 合金的導(dǎo)電性合金的導(dǎo)電性 2.6 2.6 導(dǎo)電性的測量導(dǎo)電性的測量2.7 2.7 電阻分析的測量電阻分析的測量2.8 2.8 半導(dǎo)體電學(xué)性能半導(dǎo)體電學(xué)性能2.9 2.9 絕緣體的電學(xué)性能絕緣體的電學(xué)性能 2.10 2.10 超導(dǎo)電性超導(dǎo)電性2.11 2.11 接觸電性接觸電性2.12 2.12 熱電性熱電性2.13 2.13 壓電性壓電性2.14 2.14 熱釋電性熱釋電性 2.15 2

2、.15 鐵電性鐵電性2.16 2.16 光電性光電性2.17 2.17 磁電性磁電性材料的電學(xué)性能：材料的電學(xué)性能： 主要包括導(dǎo)電性、超導(dǎo)電性，介電性，磁電性、主要包括導(dǎo)電性、超導(dǎo)電性，介電性，磁電性、熱電性、接觸電性、熱釋電性、壓電性、光電性等等。熱電性、接觸電性、熱釋電性、壓電性、光電性等等。描述材料導(dǎo)電性的基本物理量：描述材料導(dǎo)電性的基本物理量： 電阻電阻R、電阻率、電阻率和電導(dǎo)率和電導(dǎo)率。電阻的測量：電阻的測量： URI 電阻及電阻率的計算：電阻及電阻率的計算： LRS 電阻率電阻率和電導(dǎo)率和電導(dǎo)率的關(guān)系的關(guān)系: 1 根據(jù)電阻率根據(jù)電阻率和電導(dǎo)率和電導(dǎo)率的大小，判定材料導(dǎo)電性的大小，判

3、定材料導(dǎo)電性能好壞，并進行分類。能好壞，并進行分類。導(dǎo)導(dǎo) 體：體： 10-5 m半導(dǎo)體：半導(dǎo)體： 10-3 109 m造成材料導(dǎo)電性差異的主要原因造成材料導(dǎo)電性差異的主要原因:能帶結(jié)構(gòu)及其被電子填充的性質(zhì)有關(guān)。能帶結(jié)構(gòu)及其被電子填充的性質(zhì)有關(guān)。晶體的能帶分為：價帶、禁帶和導(dǎo)帶。晶體的能帶分為：價帶、禁帶和導(dǎo)帶。 晶體的導(dǎo)電性是其能帶分布的反映。其價帶是否晶體的導(dǎo)電性是其能帶分布的反映。其價帶是否被填滿，是否存在禁帶，以及禁帶寬度的大小等因素被填滿，是否存在禁帶，以及禁帶寬度的大小等因素決定其導(dǎo)電性能。決定其導(dǎo)電性能。價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶金屬導(dǎo)體的能帶分布特點金屬導(dǎo)體的能帶分布特點:無禁帶無禁帶第一

4、種：第一種：價帶和導(dǎo)帶重疊。價帶和導(dǎo)帶重疊。第二種：第二種：價帶未被價電子填滿，價帶本身就是導(dǎo)帶。價帶未被價電子填滿，價帶本身就是導(dǎo)帶。價帶（導(dǎo)帶）價帶（導(dǎo)帶） 這兩種情況下的價電子就是自由電子，所以金屬這兩種情況下的價電子就是自由電子，所以金屬即使在溫度較低的情況下仍有大量的自由電子，具有即使在溫度較低的情況下仍有大量的自由電子，具有很強的導(dǎo)電能力。很強的導(dǎo)電能力。半導(dǎo)體和絕緣體的能帶分布情況半導(dǎo)體和絕緣體的能帶分布情況:在絕對零度時，滿價帶和空導(dǎo)帶，基本無導(dǎo)電能力。在絕對零度時，滿價帶和空導(dǎo)帶，基本無導(dǎo)電能力。非導(dǎo)體的能帶分布特點非導(dǎo)體的能帶分布特點:有禁帶有禁帶禁帶寬度的大小。禁帶寬度的

5、大小。半導(dǎo)體：禁帶寬度小。半導(dǎo)體：禁帶寬度小。絕緣體：禁帶寬度大。絕緣體：禁帶寬度大。價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶E禁帶禁帶E金剛石金剛石 E = 6 eV硅硅 E = 1.1 eV絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體: 禁帶寬度小。在室溫下，一部分價電子能獲得大禁帶寬度小。在室溫下，一部分價電子能獲得大于禁帶寬度的能量于禁帶寬度的能量E，躍遷到導(dǎo)帶中去，成為自由躍遷到導(dǎo)帶中去，成為自由電子，同時在價帶中形成空穴，這樣就使半導(dǎo)體具有電子，同時在價帶中形成空穴，這樣就使半導(dǎo)體具有一些導(dǎo)電能力。一些導(dǎo)電能力。絕緣體絕緣體: 禁帶寬度大。在室溫下，幾乎沒有價電子能躍遷禁帶寬度大。在室溫下

6、，幾乎沒有價電子能躍遷到導(dǎo)帶中去，故基本無自由電子和空穴，所以絕緣體到導(dǎo)帶中去，故基本無自由電子和空穴，所以絕緣體幾乎沒有導(dǎo)電能力。幾乎沒有導(dǎo)電能力。金屬導(dǎo)電的機制：金屬導(dǎo)電的機制： 在外電場的作用下，自由電子以波動的形式在晶在外電場的作用下，自由電子以波動的形式在晶體點陣中定向傳播。體點陣中定向傳播。 在外電場的作用下，自由電子在導(dǎo)體中定向移動。在外電場的作用下，自由電子在導(dǎo)體中定向移動。經(jīng)典理論經(jīng)典理論量子理論量子理論2.4.1 金屬導(dǎo)電的機制與馬基申定律金屬導(dǎo)電的機制與馬基申定律根據(jù)量子電子論和能帶理論得出電導(dǎo)率計算公式：根據(jù)量子電子論和能帶理論得出電導(dǎo)率計算公式：*n em 22 e

7、電子的電荷量，電子的電荷量，n* 單位體積內(nèi)的有效電子數(shù)，單位體積內(nèi)的有效電子數(shù)，m*電子的有效質(zhì)量，電子的有效質(zhì)量，電子兩次相鄰散射的時間間隔。電子兩次相鄰散射的時間間隔。L / v 令：令：/ L 1（散射系數(shù)）（散射系數(shù)）其中：其中：*m vm vn eLn e 221212則電阻率為：則電阻率為：電阻的本質(zhì)電阻的本質(zhì) 電子波在晶體點陣中傳播時，受到散射，從而產(chǎn)電子波在晶體點陣中傳播時，受到散射，從而產(chǎn)生阻礙作用，降低了導(dǎo)電性。生阻礙作用，降低了導(dǎo)電性。 電子波在絕對零度下，通過一個理想點陣時，將電子波在絕對零度下，通過一個理想點陣時，將不會受到散射，無阻礙傳播，電阻率為不會受到散射，無

8、阻礙傳播，電阻率為0。電阻產(chǎn)生電阻產(chǎn)生的機制的機制（3）晶體點陣的完整性被破壞（存在雜質(zhì)原子、晶）晶體點陣的完整性被破壞（存在雜質(zhì)原子、晶 體缺陷等），對電子波產(chǎn)生散射。體缺陷等），對電子波產(chǎn)生散射。（1）晶體點陣離子的熱振動（聲子），對電子波產(chǎn)）晶體點陣離子的熱振動（聲子），對電子波產(chǎn) 生散射。生散射。（2）晶體點陣電子的熱振動，對電子波產(chǎn)生散射。）晶體點陣電子的熱振動，對電子波產(chǎn)生散射。原因（原因（1）、（）、（2）產(chǎn)生，）產(chǎn)生，0K時為時為0。電阻電阻基本電阻：基本電阻：殘余電阻：殘余電阻： 原因（原因（3）產(chǎn)生，）產(chǎn)生，0K時的電阻。時的電阻。馬基申定律馬基申定律C(T ) 金屬固溶體

9、金屬固溶體電阻率：電阻率：基本電阻率基本電阻率(T)：由熱運動引起，與溫度有關(guān)。：由熱運動引起，與溫度有關(guān)。殘余電阻率殘余電阻率C：決定于化學(xué)缺陷和物理缺陷，：決定于化學(xué)缺陷和物理缺陷， 與溫度無關(guān)。與溫度無關(guān)。2.4.2 影響金屬導(dǎo)電性的原因影響金屬導(dǎo)電性的原因1. 溫度對金屬電阻的影響溫度對金屬電阻的影響（1）一般規(guī)律）一般規(guī)律其大小決定于晶體缺陷的類型和數(shù)量。其大小決定于晶體缺陷的類型和數(shù)量。C 00 K 時：時：極低溫時：極低溫時：電子散射占主要地位，聲子散射很弱，基電子散射占主要地位，聲子散射很弱，基 本電阻與溫度的平方成正比。本電阻與溫度的平方成正比。( T 2 K ) ee(T

10、)T 2 隨著溫度的升高，聲子散射散射作用逐漸增強，隨著溫度的升高，聲子散射散射作用逐漸增強，并占據(jù)主導(dǎo)地位。并占據(jù)主導(dǎo)地位。 根據(jù)根據(jù)德拜理論德拜理論，原子熱振動存在兩個規(guī)律性區(qū)域，原子熱振動存在兩個規(guī)律性區(qū)域，區(qū)分區(qū)域的溫度被稱為德拜溫度區(qū)分區(qū)域的溫度被稱為德拜溫度D。DD(T )T()() 5時：時：DT DT 時：時：DD(T )T()() 電阻率隨溫度的變化規(guī)律：電阻率隨溫度的變化規(guī)律：(T )(TTT) 2301對于非過渡族金屬：對于非過渡族金屬： D 500 K，當(dāng)，當(dāng) T 2/3 D 時，時， 可略去高次項，具有線性關(guān)系?？陕匀ジ叽雾?，具有線性關(guān)系。 （室溫以上）（室溫以上）(

11、T )(T ) 01TT 00電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)室溫以上室溫以上 純金屬純金屬的電阻溫度系數(shù)大多近似為的電阻溫度系數(shù)大多近似為 ，過渡族金屬過渡族金屬特別是磁性金屬較大，如鐵的值為特別是磁性金屬較大，如鐵的值為（2）過渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變）過渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變 在在過渡族金屬中電阻與溫度的關(guān)系復(fù)雜，過渡族金屬中電阻與溫度的關(guān)系復(fù)雜，Mott認(rèn)認(rèn)為這是由于為這是由于過渡族金屬中存在著不同的載體。過渡族金屬中存在著不同的載體。 傳導(dǎo)電子有可能從傳導(dǎo)電子有可能從 s- 殼層向殼層向 d- 殼層過渡，對電阻殼層過渡，對電阻帶來明顯影響。另外，在帶來明顯影響。另外，在 時，時，s態(tài)電子在態(tài)電子在

12、 d 態(tài)電子上的散射將變得很可觀。態(tài)電子上的散射將變得很可觀。DT 3410 3610 因此，金屬因此，金屬室溫以上的線性關(guān)系被破壞。室溫以上的線性關(guān)系被破壞。過渡族金屬過渡族金屬金屬多晶型轉(zhuǎn)變金屬多晶型轉(zhuǎn)變 多晶型金屬的不同結(jié)構(gòu)具有不同的物理性質(zhì)，電多晶型金屬的不同結(jié)構(gòu)具有不同的物理性質(zhì)，電阻溫度系數(shù)也不同，電阻率隨溫度變化將發(fā)生突變。阻溫度系數(shù)也不同，電阻率隨溫度變化將發(fā)生突變。（3）鐵磁金屬的電阻）鐵磁金屬的電阻-溫度關(guān)系反常溫度關(guān)系反常 鐵磁材料隨溫度的變化，在一定溫度下發(fā)生鐵磁鐵磁材料隨溫度的變化，在一定溫度下發(fā)生鐵磁-順磁的磁相轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致電阻順磁的磁相轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致電阻-溫度關(guān)

13、系反常。溫度關(guān)系反常。2. 受力情況對金屬電阻的影響受力情況對金屬電阻的影響（1）拉力的影響）拉力的影響（2）壓力的影響）壓力的影響 在彈性限度內(nèi)，單向拉伸或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力能提高金屬在彈性限度內(nèi)，單向拉伸或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力能提高金屬的電阻率。的電阻率。() 010 為無負(fù)荷電阻率，為無負(fù)荷電阻率， 應(yīng)力系數(shù)，應(yīng)力系數(shù)，為拉應(yīng)力。為拉應(yīng)力。 對于大多數(shù)金屬，壓力能降低金屬的電阻率。對于大多數(shù)金屬，壓力能降低金屬的電阻率。(p ) 010 為真空下電阻率，為真空下電阻率， 壓力系數(shù)，為負(fù)值，壓力系數(shù)，為負(fù)值，p為拉應(yīng)力。為拉應(yīng)力。 在高壓下，原子間距縮小，內(nèi)部缺陷的形態(tài)、電在高壓下，原子間距縮小，內(nèi)部缺陷的形態(tài)

14、、電子結(jié)構(gòu)、費米面、能帶結(jié)構(gòu)及電子散射機制等都發(fā)生子結(jié)構(gòu)、費米面、能帶結(jié)構(gòu)及電子散射機制等都發(fā)生了變化，從而影響材料的導(dǎo)電性，甚至可能導(dǎo)致物質(zhì)了變化，從而影響材料的導(dǎo)電性，甚至可能導(dǎo)致物質(zhì)的金屬化。的金屬化。發(fā)生從絕緣體發(fā)生從絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體金屬金屬 超導(dǎo)體的某些轉(zhuǎn)變超導(dǎo)體的某些轉(zhuǎn)變 。 但一些堿金屬、堿土金屬和第但一些堿金屬、堿土金屬和第族的半金屬元素族的半金屬元素 出出現(xiàn)反常?，F(xiàn)反常。3. 冷加工對金屬電阻的影響冷加工對金屬電阻的影響 冷加工的形變使金屬的電阻率提高。冷加工的形變使金屬的電阻率提高。4. 晶格缺陷對金屬電阻的影響晶格缺陷對金屬電阻的影響 晶格缺陷使金屬的電阻率提高。晶格缺

15、陷使金屬的電阻率提高。5. 熱處理對金屬電阻的影響熱處理對金屬電阻的影響 冷加工后，再退火，可使電阻降低。當(dāng)退火溫度冷加工后，再退火，可使電阻降低。當(dāng)退火溫度接近于再結(jié)晶溫度時，可降低到冷加工前的水平。接近于再結(jié)晶溫度時，可降低到冷加工前的水平。 但當(dāng)退火溫度高于再結(jié)晶溫度時，電阻反而增大。但當(dāng)退火溫度高于再結(jié)晶溫度時，電阻反而增大。新晶粒的晶界阻礙了電子的運動。新晶粒的晶界阻礙了電子的運動。 淬火能夠固定金屬在高溫時的空位濃度，而產(chǎn)生殘淬火能夠固定金屬在高溫時的空位濃度，而產(chǎn)生殘余電阻。淬火溫度越高，殘余電阻越大。余電阻。淬火溫度越高，殘余電阻越大。6. 幾何尺寸效應(yīng)對金屬電阻的影響幾何尺寸

16、效應(yīng)對金屬電阻的影響 當(dāng)試樣的尺寸與導(dǎo)電電子的平均自由程在同一數(shù)當(dāng)試樣的尺寸與導(dǎo)電電子的平均自由程在同一數(shù)量級時，電子在表面發(fā)生散射，產(chǎn)生附加電阻。量級時，電子在表面發(fā)生散射，產(chǎn)生附加電阻。7. 電阻率的各向異性電阻率的各向異性 一般立方晶系的單晶體電阻表現(xiàn)為各向同性，但一般立方晶系的單晶體電阻表現(xiàn)為各向同性，但對稱性較差的六方、四方、斜方等晶系單晶體的導(dǎo)電對稱性較差的六方、四方、斜方等晶系單晶體的導(dǎo)電性表現(xiàn)為各向異性。性表現(xiàn)為各向異性。 多晶體各向同性。多晶體各向同性。2.5.1 固溶體的導(dǎo)電性固溶體的導(dǎo)電性1. 固溶體的電阻與組元濃度的關(guān)系固溶體的電阻與組元濃度的關(guān)系 在形成固溶體時，與純

17、組元相比，合金的導(dǎo)電在形成固溶體時，與純組元相比，合金的導(dǎo)電性能降低（電阻增大）。即使是在低導(dǎo)電性的金屬性能降低（電阻增大）。即使是在低導(dǎo)電性的金屬溶劑中加入高導(dǎo)電性的金屬溶質(zhì)也是如此。溶劑中加入高導(dǎo)電性的金屬溶質(zhì)也是如此。原因原因主要原因：主要原因：原子半徑差引起的晶格點陣畸變，增加了原子半徑差引起的晶格點陣畸變，增加了 對電子的散射，使得電阻增大。半徑差越對電子的散射，使得電阻增大。半徑差越 大，越明顯。（大，越明顯。（與合金熱阻的規(guī)律相同與合金熱阻的規(guī)律相同）另外還有：另外還有：（1）雜質(zhì)對理想晶體的局部破壞。）雜質(zhì)對理想晶體的局部破壞。 （2）合金化對能帶結(jié)構(gòu)起了作用，改變了）合金化對

18、能帶結(jié)構(gòu)起了作用，改變了 電子能態(tài)的密度和有效電子數(shù)。電子能態(tài)的密度和有效電子數(shù)。 （3）合金化影響了彈性常數(shù)，點陣振動的）合金化影響了彈性常數(shù)，點陣振動的 聲子譜改變。聲子譜改變。 在連續(xù)固溶體中，合金在連續(xù)固溶體中，合金成分距組元越遠(yuǎn)，電阻率越成分距組元越遠(yuǎn)，電阻率越高。在二元合金中，最大電高。在二元合金中，最大電阻率一般出現(xiàn)在阻率一般出現(xiàn)在 50% 濃度濃度處，而且比組元電阻高幾倍。處，而且比組元電阻高幾倍。2. 固溶體電阻與溫度的關(guān)系固溶體電阻與溫度的關(guān)系 固溶體中加熱時，電阻率通常增大，但其電阻溫固溶體中加熱時，電阻率通常增大，但其電阻溫度系數(shù)與純金屬相比降低，電阻率隨成分而變。度系

19、數(shù)與純金屬相比降低，電阻率隨成分而變。低濃度時電阻率為：低濃度時電阻率為：T T 為溶劑組元的電阻率，為溶劑組元的電阻率， 為殘余電阻率。為殘余電阻率。c C 為雜質(zhì)原子含量，為雜質(zhì)原子含量， 為溶入為溶入1%雜質(zhì)原子時引起的雜質(zhì)原子時引起的附加電阻率。附加電阻率。 附加電阻率附加電阻率 的大小取決于溶劑和溶質(zhì)金屬的價數(shù)，的大小取決于溶劑和溶質(zhì)金屬的價數(shù)，原子價差別越大，原子價差別越大， 越大。越大。ZJab( ZZ) 2 a、b 為常數(shù)，為常數(shù)，ZZ 、 ZJ 分別為溶質(zhì)和溶劑的原子價分別為溶質(zhì)和溶劑的原子價數(shù)。數(shù)。3. 有序固溶體（超結(jié)構(gòu)）的電阻有序固溶體（超結(jié)構(gòu)）的電阻 合金有序化時，電

20、阻降低。合金有序化時，電阻降低。主要原因：主要原因：晶體的離子勢場在有序化后對稱性增強，晶體的離子勢場在有序化后對稱性增強， 對電子的散射幾率大大降低，使得有序合對電子的散射幾率大大降低，使得有序合 金的殘余電阻減小。金的殘余電阻減小。4. 不均勻固溶體（不均勻固溶體（ K 狀態(tài)）的電阻狀態(tài)）的電阻 大多固溶體在冷加工和退火時具有與純金屬同樣的大多固溶體在冷加工和退火時具有與純金屬同樣的規(guī)律。即冷加工使得電阻增大、退火使得電阻減小。規(guī)律。即冷加工使得電阻增大、退火使得電阻減小。 但有一些含有過渡族金屬元素的合金但有一些含有過渡族金屬元素的合金Ni-Cr，Ni-Cu等，具有在經(jīng)過冷加工電阻減小、

21、退火后電阻增大的反等，具有在經(jīng)過冷加工電阻減小、退火后電阻增大的反常狀態(tài)，這種反常狀態(tài)稱為常狀態(tài)，這種反常狀態(tài)稱為K 狀態(tài)。狀態(tài)。 由于組元原子在晶體中不均勻分布的結(jié)果。冷加工由于組元原子在晶體中不均勻分布的結(jié)果。冷加工在一定程度上促使固溶體不均勻組織的破壞，電阻減小。在一定程度上促使固溶體不均勻組織的破壞，電阻減小。而之后的退火又使其組織恢復(fù)到原來狀態(tài)。而之后的退火又使其組織恢復(fù)到原來狀態(tài)。2.5.2 金屬化合物的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電性 兩種金屬的原子形成化合物兩種金屬的原子形成化合物時，由于原子鍵合的方式發(fā)生時，由于原子鍵合的方式發(fā)生本質(zhì)變化，使得化合物的電阻本質(zhì)變化，使得化合物的電阻較

22、固溶體大大增大，接近于半較固溶體大大增大，接近于半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。導(dǎo)體的導(dǎo)電性。原因原因 部分結(jié)合方式由金屬鍵變?yōu)椴糠纸Y(jié)合方式由金屬鍵變?yōu)楣矁r鍵或離子鍵。共價鍵或離子鍵。 利用歐姆定律和一些測試方法，對材料的電阻進行利用歐姆定律和一些測試方法，對材料的電阻進行精確測量。精確測量。2.6.1 導(dǎo)體電阻的測量導(dǎo)體電阻的測量1. 單電橋（惠斯通電橋）法單電橋（惠斯通電橋）法2. 雙電橋（開爾文電橋）法雙電橋（開爾文電橋）法3. 直流電位差計測量法直流電位差計測量法2.6.2 半導(dǎo)體電阻的測量半導(dǎo)體電阻的測量 四探針法四探針法2.6.3 絕緣體電阻的測量絕緣體電阻的測量 沖擊檢流計方法沖擊檢流計方法 材

23、料的電阻對材料的成分、結(jié)構(gòu)和組織變化很敏感，材料的電阻對材料的成分、結(jié)構(gòu)和組織變化很敏感，故可利用測量電阻的方法，間接對材料的成分、結(jié)構(gòu)和故可利用測量電阻的方法，間接對材料的成分、結(jié)構(gòu)和組織變化進行分析。較多的被用于對合金的研究。組織變化進行分析。較多的被用于對合金的研究。2.7.1 研究合金的時效性研究合金的時效性合金的合金的時效性時效性 均勻固溶的合金隨著時間的變化，其均勻固溶的合金隨著時間的變化，其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。伴隨電阻改變。伴隨電阻改變。電阻隨時間的增長而增大。電阻隨時間的增長而增大。1.低溫時效：低溫時效：原因：原因：低溫時，均勻固溶體隨著時間的增加，低溫時，均

24、勻固溶體隨著時間的增加，溶質(zhì)原子在晶格點陣中發(fā)生優(yōu)勢偏聚，溶質(zhì)原子在晶格點陣中發(fā)生優(yōu)勢偏聚，乃至形成小的晶核等結(jié)構(gòu)缺陷。使得電乃至形成小的晶核等結(jié)構(gòu)缺陷。使得電阻增大。阻增大。2.高溫時效：高溫時效：電阻隨時間的增長而減小。電阻隨時間的增長而減小。原因：原因：高溫時，均勻固溶體隨著時間的增加，高溫時，均勻固溶體隨著時間的增加，從固溶體中析出一些有序相，降低了溶從固溶體中析出一些有序相，降低了溶質(zhì)濃度。使得電阻降低。質(zhì)濃度。使得電阻降低。2.7.2 合金的有序合金的有序-無序轉(zhuǎn)變無序轉(zhuǎn)變2.7.3 測量固溶體的溶解度測量固溶體的溶解度原理：合金有序后電阻率降低。原理：合金有序后電阻率降低。原理：

25、合金溶解度增加，電阻率增大。原理：合金溶解度增加，電阻率增大。2.7.4 研究淬火鋼的回火研究淬火鋼的回火原理：回火過程中發(fā)生了馬氏體和奧氏體之間的原理：回火過程中發(fā)生了馬氏體和奧氏體之間的 相轉(zhuǎn)變。伴隨電導(dǎo)率的變化。相轉(zhuǎn)變。伴隨電導(dǎo)率的變化。2.7.5 研究材料的疲勞性研究材料的疲勞性原理：外應(yīng)力（拉伸和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力）使得材料內(nèi)部原理：外應(yīng)力（拉伸和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力）使得材料內(nèi)部 出現(xiàn)位錯、裂紋等缺陷，是的材料的電阻出現(xiàn)位錯、裂紋等缺陷，是的材料的電阻 率增大。并隨時間的增長，效果變強。率增大。并隨時間的增長，效果變強。半導(dǎo)體電阻率：半導(dǎo)體電阻率：1010-3-310109 9 m m半導(dǎo)體禁帶寬度：半

26、導(dǎo)體禁帶寬度：Eg = 0.2 Eg = 0.2 3.5 eV3.5 eV；半導(dǎo)體的電學(xué)性能半導(dǎo)體的電學(xué)性能：介于金屬和絕緣體之間。：介于金屬和絕緣體之間。半導(dǎo)體材料分類：半導(dǎo)體材料分類：晶體半導(dǎo)體、非晶半導(dǎo)體和有機半晶體半導(dǎo)體、非晶半導(dǎo)體和有機半 導(dǎo)體。導(dǎo)體。主要半導(dǎo)體材料：主要半導(dǎo)體材料：Si、Ge等元素半導(dǎo)體，等元素半導(dǎo)體，GaP、GaN、 ZnS、ZnO等化合物半導(dǎo)體材料。等化合物半導(dǎo)體材料。應(yīng)用：應(yīng)用：半導(dǎo)體電子器件、集成電路、發(fā)光器件、光電轉(zhuǎn)半導(dǎo)體電子器件、集成電路、發(fā)光器件、光電轉(zhuǎn) 換材料等。換材料等。2.8.1 概述概述2.8.2 半導(dǎo)體中的能量狀態(tài)半導(dǎo)體中的能量狀態(tài)能帶能帶原

27、子結(jié)合狀態(tài)：原子結(jié)合狀態(tài)：價電子共有的價電子共有的共價鍵共價鍵。2.8.3 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。在絕對零度和無外界影響的情況下：在絕對零度和無外界影響的情況下： 半導(dǎo)體的滿帶中被電子占滿，空帶中無電子，不半導(dǎo)體的滿帶中被電子占滿，空帶中無電子，不導(dǎo)電。導(dǎo)電。在溫度升高、光照等熱激發(fā)（在溫度升高、光照等熱激發(fā)（本征激發(fā)本征激發(fā)）時：）時： 價電子從外界獲得能量，部分價電子獲得足夠的價電子從外界獲得能量，部分價電子獲得足夠的能量脫離束縛，躍遷到空帶中。能量脫離束縛，躍遷到空帶中。 空帶中有了

28、電子成為導(dǎo)帶，滿帶中的部分價電子空帶中有了電子成為導(dǎo)帶，滿帶中的部分價電子遷出出現(xiàn)了空穴，成為價帶。遷出出現(xiàn)了空穴，成為價帶。 本征激發(fā)時，自由電子和空穴成對出現(xiàn)，在外電本征激發(fā)時，自由電子和空穴成對出現(xiàn)，在外電場的作用下，電子逆電場方向運動，空穴順電場方向場的作用下，電子逆電場方向運動，空穴順電場方向運動。運動。滿帶滿帶空帶空帶禁帶禁帶E 自由電子和空穴在外電場的作用下定向運動，形自由電子和空穴在外電場的作用下定向運動，形成電流。自由電子和空穴都能導(dǎo)電，統(tǒng)稱為載流子。成電流。自由電子和空穴都能導(dǎo)電，統(tǒng)稱為載流子。1.1.本征載流子的濃度本征載流子的濃度g/iiEnpK Texp()kT 3

29、212自由電子和空穴的濃度均為：自由電子和空穴的濃度均為：（1）本征載流子的濃度與溫度和禁帶寬度有關(guān)。）本征載流子的濃度與溫度和禁帶寬度有關(guān)。（2）室溫下，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度很小，導(dǎo)）室溫下，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度很小，導(dǎo)電能力很弱。電能力很弱。2.本征半導(dǎo)體的遷移和電阻率本征半導(dǎo)體的遷移和電阻率遷移率：遷移率：單位場強下，載流子的平均漂移速度。單位場強下，載流子的平均漂移速度。分別用分別用n和和P分別表示自由電子和空穴的遷移率。分別表示自由電子和空穴的遷移率。 自由電子和空穴熱運動，在外電場的作用下做定自由電子和空穴熱運動，在外電場的作用下做定向漂移運動，形成電流。漂移過程中不斷碰撞

30、，有一向漂移運動，形成電流。漂移過程中不斷碰撞，有一定的漂移速度。定的漂移速度。（1）遷移率與外電場強成正比。）遷移率與外電場強成正比。（2）自由電子的遷移率較空穴高。）自由電子的遷移率較空穴高。（3）能帶寬度大的遷移率低。）能帶寬度大的遷移率低。本征半導(dǎo)體電阻率：本征半導(dǎo)體電阻率：inpqn () 1本征半導(dǎo)體的電學(xué)特性歸納如下：本征半導(dǎo)體的電學(xué)特性歸納如下：（1）本征激發(fā)成對產(chǎn)生自由電子和空穴，所自由）本征激發(fā)成對產(chǎn)生自由電子和空穴，所自由電子濃度與空穴濃度相等，都是等于本征載流子的電子濃度與空穴濃度相等，都是等于本征載流子的濃度濃度 ni （2）ni 和和 Eg 有近似反比關(guān)系，硅比鍺有

31、近似反比關(guān)系，硅比鍺 Eg 大，故硅大，故硅比鍺的比鍺的 ni 小小（3）ni 與溫度近似正比，故溫度升高時與溫度近似正比，故溫度升高時 ni 就增大就增大（4）ni 與原子密度相比是極小的，所以本征半導(dǎo)與原子密度相比是極小的，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很微弱體的導(dǎo)電能力很微弱2.8.4 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 通常制造半導(dǎo)體器件的材料是雜質(zhì)半導(dǎo)體。在通常制造半導(dǎo)體器件的材料是雜質(zhì)半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中人為地?fù)饺胛鍍r元素和三價元素，分別本征半導(dǎo)體中人為地?fù)饺胛鍍r元素和三價元素，分別獲得獲得N （電子）型（電子）型和和P（空穴）型（空穴）型雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體。1. N型半導(dǎo)體

32、型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素獲得在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素獲得電子型電子型雜質(zhì)半雜質(zhì)半導(dǎo)體。導(dǎo)體。 由于的摻入五價元素中的四個價電子與周圍的由于的摻入五價元素中的四個價電子與周圍的原子形成共價鍵，余下一個價電子的能級非常接近導(dǎo)原子形成共價鍵，余下一個價電子的能級非常接近導(dǎo)帶能量，使得其在常溫下進入導(dǎo)帶成為自由電子，因帶能量，使得其在常溫下進入導(dǎo)帶成為自由電子，因此摻雜后的半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的自由電子顯著增多。把這此摻雜后的半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的自由電子顯著增多。把這個五價元素稱為施主雜質(zhì)。電子是多數(shù)載流子。個五價元素稱為施主雜質(zhì)。電子是多數(shù)載流子。2. P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入三價元素

33、獲得在本征半導(dǎo)體中摻入三價元素獲得電子空穴型電子空穴型雜雜質(zhì)半導(dǎo)體。質(zhì)半導(dǎo)體。 由于的摻入三價元素中的三個價電子與周圍的由于的摻入三價元素中的三個價電子與周圍的原子形成共價鍵時，缺少一個價電子，形成一個空位原子形成共價鍵時，缺少一個價電子，形成一個空位置（空穴）。因此摻雜后的半導(dǎo)體價帶中的空穴電子置（空穴）。因此摻雜后的半導(dǎo)體價帶中的空穴電子顯著增多。把這個三價元素稱為受主雜質(zhì)?？昭ㄊ嵌囡@著增多。把這個三價元素稱為受主雜質(zhì)?？昭ㄊ嵌鄶?shù)載流子。數(shù)載流子。摻雜半導(dǎo)體與本征半導(dǎo)體相比具有的特征：摻雜半導(dǎo)體與本征半導(dǎo)體相比具有的特征：（1）摻雜濃度雖然很微小，但卻能使載流子濃度得）摻雜濃度雖然很微小，

34、但卻能使載流子濃度得到極大提高，導(dǎo)電能力顯著增強。到極大提高，導(dǎo)電能力顯著增強。（2）摻雜只是使一種載流子的濃度增加，雜質(zhì)半導(dǎo)）摻雜只是使一種載流子的濃度增加，雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多子（多數(shù)載流子）導(dǎo)電。分別主要靠自由體主要靠多子（多數(shù)載流子）導(dǎo)電。分別主要靠自由電子導(dǎo)電或空穴導(dǎo)電。電子導(dǎo)電或空穴導(dǎo)電。2.8.5 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性1. PN結(jié)制造工藝的實質(zhì)結(jié)制造工藝的實質(zhì) PN結(jié)是指同一塊半導(dǎo)體單晶中，在結(jié)是指同一塊半導(dǎo)體單晶中，在P型摻雜區(qū)與型摻雜區(qū)與N型摻雜區(qū)交界面附近形成的特殊區(qū)域。是構(gòu)成半導(dǎo)體型摻雜區(qū)交界面附近形成的特殊區(qū)域。是構(gòu)成半導(dǎo)體電子器件的基本單元。電子器件的基本單

35、元。 P型摻雜與型摻雜與N型摻型摻雜之間通過擴散實現(xiàn)雜之間通過擴散實現(xiàn)的的雜質(zhì)互補。的的雜質(zhì)互補。2. PN結(jié)阻擋層的形成過程結(jié)阻擋層的形成過程（1）載流子的濃度差引起的載流子的擴散運動）載流子的濃度差引起的載流子的擴散運動（2）擴散運動形成空間電荷區(qū)（阻擋層）擴散運動形成空間電荷區(qū)（阻擋層）（3）內(nèi)電場是擴散與漂移達到動態(tài)平衡）內(nèi)電場是擴散與漂移達到動態(tài)平衡3. PN結(jié)的特性結(jié)的特性 單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦裕?）外加正向電壓的情況）外加正向電壓的情況 由于外部正向電壓與內(nèi)由于外部正向電壓與內(nèi)電場電位差方向相反，阻擋電場電位差方向相反，阻擋層變窄、消失，內(nèi)電場減小、層變窄、消失，內(nèi)電場減小、消失

36、，電阻減小。消失，電阻減小。（2）外加反向電壓的情況）外加反向電壓的情況 由于外部反向電壓與內(nèi)由于外部反向電壓與內(nèi)電場電位差方向相同，阻擋電場電位差方向相同，阻擋層增大，內(nèi)電場增大，電阻層增大，內(nèi)電場增大，電阻急劇增大。急劇增大。l絕緣體的電子能帶結(jié)構(gòu)是完全被電子充滿的價帶與完全空的導(dǎo)帶之間被一個較寬的禁帶（一般為510eV）所隔開，在常溫下幾乎很少有電子可能被激發(fā)越過禁帶，因此電導(dǎo)率很低。l絕大多數(shù)陶瓷材料和高聚物材料都屬于絕緣體l絕緣體作為材料使用可以分為絕緣材料和介電材料兩類。l電容器介電材料l壓電材料等l主要功能是實現(xiàn)電絕緣，如高壓絕緣電瓶所用的氧化鋁陶瓷等。l好的介電材料一定是好的絕

37、緣材料，但是反之則不一定成立。l描述絕緣材料和介電材料的主要性能指標(biāo)有體積電阻率、表面電阻率、介電常數(shù)、介電損耗和介電強度等。l導(dǎo)體、半導(dǎo)體在電場作用下都會產(chǎn)生電荷的自由運動，而絕緣體在有限電場的作用下幾乎沒有自由電荷的遷移。l人們常用介電性來描述絕緣體材料的這種效應(yīng)，故也把絕緣體稱為電介質(zhì)。l介電性的一個重要標(biāo)志是材料能夠產(chǎn)生極化現(xiàn)象，材料的介電系數(shù)是綜合反應(yīng)介質(zhì)內(nèi)部電極化行為的一個重要的宏觀物理量。l屬于介電性的有壓電性、電致伸縮性和鐵電性。l電介質(zhì)的極化包括：電子極化、原子（離子)極化、取向極化。l電子極化是指在外電場作用下每個原子中價電子云相對于原子核位移。l原子極化是指外電場引起的原

38、子核之間的相對位移。l這兩類極化有稱為為變形極化或者誘導(dǎo)極化，由此引起的偶極矩稱為誘導(dǎo)偶極矩。超導(dǎo)體的特性超導(dǎo)體的特性1、完全導(dǎo)電性、完全導(dǎo)電性 有報導(dǎo)說用有報導(dǎo)說用Nb0.75Zr0.25合金超導(dǎo)導(dǎo)線制成的超導(dǎo)螺線管，估計其超導(dǎo)合金超導(dǎo)導(dǎo)線制成的超導(dǎo)螺線管，估計其超導(dǎo)電流衰減時間不小于電流衰減時間不小于10萬年。萬年。 超導(dǎo)體沒有電阻，因而是等電位的，其中沒有電場。超導(dǎo)體沒有電阻，因而是等電位的，其中沒有電場。2、完全的抗磁性邁斯鈉效應(yīng)、完全的抗磁性邁斯鈉效應(yīng) 試樣表面產(chǎn)生感應(yīng)磁場，抵消外磁場。試樣表面產(chǎn)生感應(yīng)磁場，抵消外磁場。評價超導(dǎo)材料的性能指標(biāo)：評價超導(dǎo)材料的性能指標(biāo)：1、臨界轉(zhuǎn)變溫度

39、、臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc2、臨界磁場強度、臨界磁場強度Hc(T)兩類超導(dǎo)體兩類超導(dǎo)體21)0()(cccTTHTH超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)超導(dǎo)態(tài)時，電子與晶格點陣相互作用，使電超導(dǎo)態(tài)時，電子與晶格點陣相互作用，使電子克服靜電斥力而相互吸引，組成電子對子克服靜電斥力而相互吸引，組成電子對庫柏電子對，通過晶格的阻力為零。庫柏電子對，通過晶格的阻力為零。超導(dǎo)態(tài)電子結(jié)成庫柏對時能量比正常態(tài)的兩超導(dǎo)態(tài)電子結(jié)成庫柏對時能量比正常態(tài)的兩個電子的能量低。溫度和磁場破壞庫柏對的個電子的能量低。溫度和磁場破壞庫柏對的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。溫度越低，超導(dǎo)體越穩(wěn)定。溫度越低，超導(dǎo)體越穩(wěn)定。l賽貝克效應(yīng)（材料不同，組成閉合回路，兩接頭存在溫差）賽貝克效應(yīng)（材料不同，組成閉合回路，兩接頭存在溫差）l熱電勢率熱電勢率dTd12 )(2112TT 溫差電位溫差電位熱端高能電子向冷端擴