材料的電性能

1、材 料 物 理 性 能授課教師 黃興民E-mail: Office number2章材料的電性能材料物理性能- 2 -基本概念基本概念金屬的電子導(dǎo)電金屬的電子導(dǎo)電離子類載流體導(dǎo)電離子類載流體導(dǎo)電半導(dǎo)體導(dǎo)電半導(dǎo)體導(dǎo)電本講綱要超導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理超導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理電性能測量及其應(yīng)用電性能測量及其應(yīng)用第2章材料的電性能材料物理性能- 3 -基本概念 電導(dǎo)率：電導(dǎo)率：表征材料中載流子載流子在電場作用電場作用下傳輸電荷的能力，即材料導(dǎo)電時，單位電場強(qiáng)度所具有的電流密度。EJEJJ電流密度電流密度E電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度載流子：載流子：電荷的載體（電子、空穴、正離子、負(fù)離子）。iieh遷移數(shù)：

2、遷移數(shù)：表征材料導(dǎo)電載流子輸運(yùn)種類對導(dǎo)電貢獻(xiàn)的參數(shù)。表征材料導(dǎo)電載流子輸運(yùn)種類對導(dǎo)電貢獻(xiàn)的參數(shù)。Txxt離子導(dǎo)體混合導(dǎo)體第2章材料的電性能材料物理性能- 4 -RSL基本概念 )(cmLRSSLRL電阻元件長度電阻元件長度S電阻元件截面積電阻元件截面積電阻率：電阻率：表征材料導(dǎo)電性能的重要參數(shù)，與材料本質(zhì)有關(guān)。)(111cmRSL電導(dǎo)率電導(dǎo)率第2章材料的電性能材料物理性能- 5 -基本概念 108106104102110-210-610-810-1010-1210-1810-14鈉鈣玻璃錫鋁鉍銀銅金鍺硅反式聚炔硼10-4順式聚炔熔結(jié)石英聚氯乙烯白磷10-16聚乙烯硫聚四氟乙烯導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體(

3、電介質(zhì))材料電導(dǎo)率排序第2章材料的電性能材料物理性能- 6 -金屬電子導(dǎo)電FFefmlen2金屬導(dǎo)電機(jī)制nef 單位體積內(nèi)實(shí)際參加傳導(dǎo)過程的電子數(shù)目；m 電子的有效質(zhì)量，考慮到晶體點(diǎn)陣對電場作用的結(jié)果；只有費(fèi)米面附近能級的電子才能對導(dǎo)電做出貢獻(xiàn)；FlFmlne2經(jīng)典自由電子理論能帶理論第2章材料的電性能材料物理性能- 7 -金屬電子導(dǎo)電電子波通過一個理想晶體理想晶體點(diǎn)陣時(0K),不受到散射。理想情況理想情況: :實(shí)際情況：實(shí)際情況：溫度不為0K非理想晶體離子運(yùn)動（熱振動）異類原子、位錯、點(diǎn)缺陷等理想晶體點(diǎn)陣周期性被破壞電子波發(fā)生散射電子波發(fā)生散射Fl第2章材料的電性能材料物理性能- 8 -金

4、屬電子導(dǎo)電馬西森定律馬西森定律221enmlenmefFFefF散射系數(shù)T)(TL雜質(zhì)濃度T與溫度有關(guān)與雜質(zhì)濃度、點(diǎn)缺陷、位錯有關(guān)第2章材料的電性能材料物理性能- 9 -電阻率的影響因素 溫度 壓力 雜質(zhì)、缺陷 冷壓力加工 固溶體中溶質(zhì))1 (0Tt)1 (0ppM位錯空位0第2章材料的電性能材料物理性能- 10 -0T/K溫度與電阻率1理想金屬晶體2含有雜質(zhì)金屬3含有晶體缺陷123)(T)(0T)(0T低溫下低溫下雜質(zhì)、晶體缺陷對金屬電阻率的影響第2章材料的電性能材料物理性能- 11 -溫度與電阻率32T/K金屬電阻溫度曲線01123T聲電5T聲電T2/3DTD2T電電T2K第2章材料的電性

5、能材料物理性能- 12 -溫度與電阻率Sb,Na,K銻、鉀、鈉熔化時電阻率變化曲線2001201600804024201612840100300500700900 11004080120160200SbNaKSbNaK第2章材料的電性能材料物理性能- 13 -dTdRTTCTC鐵磁體順磁體鐵磁體順磁體T磁性轉(zhuǎn)變對鐵磁性金屬電阻的影響2sM溫度與電阻率第2章材料的電性能材料物理性能- 14 -1003005000302010dTd0.150.100.05TCT/金屬鎳的電阻率隨溫度變化曲線溫度與電阻率第2章材料的電性能材料物理性能- 15 -壓力與電阻率壓力壓力p電阻率電阻率020406080p

6、10-8/Pa0RR0.81.0PtVRhTaNb靜壓壓力對金屬導(dǎo)電性的影響靜壓壓力對金屬導(dǎo)電性的影響0.9第2章材料的電性能材料物理性能- 16 -原子間距原子間距原子的可動性原子的可動性原子的熱振動原子的熱振動AB原子間距原子間距能帶交疊更多并傾于向高能區(qū)擴(kuò)展能帶交疊更多并傾于向高能區(qū)擴(kuò)展 EF 可使許多物質(zhì)由半導(dǎo)體或絕緣體半導(dǎo)體或絕緣體變成導(dǎo)體導(dǎo)體甚至超導(dǎo)體超導(dǎo)體見表2.3壓力與電阻率p第2章材料的電性能材料物理性能- 17 -00正常金屬正常金屬反常金屬反常金屬)1 (0pp壓力與電阻率鐵、鈷、鎳、鈀、鉑、銥、銀、銅、金、鋯、鉿、鉬、鎢、鎂等見表2.2大部分堿金屬和稀土金屬，還有鈣、鍶

7、、銻、鉍等。第2章材料的電性能材料物理性能- 18 -冷加工與電阻率冷加工引起金屬電阻率增加，與晶格畸變晶格畸變有關(guān)。晶格畸變的作用類似原子熱振動原子熱振動，增加電子散射幾率；晶格畸變引起原子間鍵合的改變，導(dǎo)致原子間距原子間距的改變。如圖2.7所示，變形量越大，變形后金屬電阻的增量就越大。)%/(RR1000ll變形量AgCuFe第2章材料的電性能材料物理性能- 19 -冷加工與電阻率由馬西森定律，冷加工金屬的電阻率由馬西森定律，冷加工金屬的電阻率M剩余電阻率與溫度有關(guān)的退火金屬電阻率位錯空位對范性變形對范性變形空位散射見圖2.8位錯處散射低溫退火促使空位擴(kuò)散以消除低溫退火促使空位擴(kuò)散以消除較

8、高溫度退火，保較高溫度退火，保留至再結(jié)晶溫度留至再結(jié)晶溫度第2章材料的電性能材料物理性能- 20 -缺陷與電阻率空位、間隙原子以及它們的組合、位錯等晶體缺陷導(dǎo)致金屬電阻率增加。如表2.4、表2.5和圖2.9所示。高溫淬火和急冷產(chǎn)生大量缺陷，引發(fā)附加電阻率。kTEAe/AB研究電阻率隨晶體缺陷的變化，可以評估單晶體的結(jié)構(gòu)完整性。反過來，根據(jù)晶體缺陷影響電阻率的規(guī)律，可開發(fā)具有特定電阻值的金屬元件。第2章材料的電性能材料物理性能- 21 -固溶體的電阻率溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度畸變畸變?nèi)鐖D2.11和圖2.12由馬西森定律，低濃度固溶體電阻率表達(dá)式由馬西森定律，低濃度固溶體電阻率表達(dá)式固溶體溶劑組元的電阻率

9、固溶體溶劑組元的電阻率C00剩余電阻率剩余電阻率雜質(zhì)原子含量雜質(zhì)原子含量1%原子雜質(zhì)引原子雜質(zhì)引起的附加電阻率起的附加電阻率第2章材料的電性能材料物理性能- 22 -固溶體的電阻率Pd連續(xù)固溶體中合金成分距組元越遠(yuǎn)，電阻率也越高，在二元合金中最大電阻率常在50原子濃度處，而且可能比組元電阻率高幾倍。鐵磁性及強(qiáng)順磁性金屬組成的固溶體情況有異常，它的電阻率一般不在50原子處。第2章材料的電性能材料物理性能- 23 -固溶體的電阻率馬西森定律固溶體電阻率修正公式：馬西森定律固溶體電阻率修正公式：0偏離值偏離值,與溫度和溶質(zhì)濃度有關(guān),溶質(zhì)濃度越大,偏離愈嚴(yán)重實(shí)驗(yàn)表明，除過渡族金屬外除過渡族金屬外，在同

10、一溶劑中溶入1%原子溶質(zhì)金屬所引起的電阻率的增加，由溶劑和溶質(zhì)金屬的價數(shù)而定。諾伯里諾伯里- -林德法則林德法則2)( Zba低濃度合金溶劑和溶質(zhì)間的價數(shù)差低濃度合金溶劑和溶質(zhì)間的價數(shù)差見圖2.13第2章材料的電性能材料物理性能- 24 -有序固溶體的有序固溶體的 無序固溶體的無序固溶體的有序固溶體的電阻率固溶體有序化后，合金組元化學(xué)作用加強(qiáng)，電子結(jié)合比無序狀態(tài)更強(qiáng)。導(dǎo)電電子數(shù)減少，合金剩余電阻率增加。一方面一方面另一方面另一方面晶體離子勢場在有序化時更為對稱，大大降低了電子散射幾率。有序合金的剩余電阻率減小。綜合結(jié)果第2章材料的電性能材料物理性能- 25 -CuAu合金電阻率曲線CAu/(原

11、子%)151050255075100Cu3AuCuAu1淬火2退火有序固溶體的電阻率第2章材料的電性能材料物理性能- 26 -有序固溶體的電阻率T/Cu3Au合金有序化對電阻率影響121無序（淬火態(tài)）無序（淬火態(tài)）2有序（退火態(tài)）有序（退火態(tài)）有序合金Cu3Au的電阻率比無序合金的電阻率低很多有序無序轉(zhuǎn)變溫度第2章材料的電性能材料物理性能- 27 -不均勻固溶體(K狀態(tài))的電阻率K 狀態(tài)：狀態(tài)：固溶體中，原子間距大小顯著的波動，組元原子在晶體中不均勻分布。高溫淬火合金回火回火過程中出現(xiàn)的電阻升高電阻升高，冷加工冷加工時電阻又反而下降的反常升降行為。K狀態(tài)電阻狀態(tài)電阻反常行為反常行為(a)完全無

12、序(b)偏聚(c)短程有序固溶體點(diǎn)陣中只形成原子的聚集原子的聚集，成分不同于固溶體的平均成分。第2章材料的電性能材料物理性能- 28 -不均勻固溶體(K狀態(tài))的電阻率28046200T/4006008001000冷卻冷卻加熱加熱80Ni20Cr合金加熱、冷卻電阻率變化曲線（原始態(tài)：高溫淬火）第2章材料的電性能材料物理性能- 29 -不均勻固溶體(K狀態(tài))的電阻率1.061.020.980.940.900.860204060(%)80Ni20Cr合金電阻率同冷加工變形的關(guān)系121800水淬+400回火2形變+400回火第2章材料的電性能材料物理性能- 30 -不均勻固溶體(K狀態(tài))的電阻率A.

13、回火過程中形成不均勻固溶體（1 000個原子）原子聚集區(qū)域幾何尺寸大致與同一數(shù)量級明顯增加電子散射幾率，提高電阻率原子的聚集原子的聚集B. 冷加工促使固溶體不均勻組織的，并獲得普通無序的固溶體?；鼗饻囟瘸^回火溫度超過550550原子聚集消散，回復(fù)成均勻固溶體；原子聚集消散，回復(fù)成均勻固溶體；第2章材料的電性能材料物理性能- 31 -離子類載流子導(dǎo)電本征導(dǎo)電本征導(dǎo)電（離子導(dǎo)電、空位導(dǎo)電）晶體點(diǎn)陣的基本離子基本離子受熱振動而脫離晶格，在外電場作用下，自由離子自由離子和其留下的空位空位作相互反方向的定向運(yùn)動產(chǎn)生本征導(dǎo)電。雜質(zhì)導(dǎo)電雜質(zhì)導(dǎo)電雜質(zhì)離子雜質(zhì)離子受熱振動脫離晶格，在電場作用下作定向運(yùn)動。本征

14、導(dǎo)電本征導(dǎo)電高溫 晶格與離子的聯(lián)系低溫雜質(zhì)導(dǎo)電雜質(zhì)導(dǎo)電第2章材料的電性能材料物理性能- 32 -離子類載流子導(dǎo)電VbV(a)(b)無電場有電場FbzeEbV2121F為作用在離子價為z的離子上的電場力第2章材料的電性能材料物理性能- 33 -離子類載流子導(dǎo)電kTVhkTPexpkTFbPP2exp21kTFbPP2exp21無電場時，無電場時，越過位壘V的幾率有電場時有電場時向右運(yùn)動的幾率向左運(yùn)動的幾率平均漂移速度平均漂移速度)2exp()2exp(21)(kTFbkTFbbPPPb第2章材料的電性能材料物理性能- 34 -離子類載流子導(dǎo)電電場強(qiáng)度足夠低kTFb2kTFbbPshkTFbkTF

15、bbPPPb2)2exp()2exp(21)(當(dāng)電場足夠強(qiáng)大kTbF2exp常數(shù)電阻率取自然對數(shù)RTGbeznhdccmexp2222RTGbeznhdc2222lnlnkTPFb22第2章材料的電性能材料物理性能- 35 -離子類載流子導(dǎo)電電導(dǎo)RTGhbezndc2lnln222TB0lnln簡化得如果材料中存在多種載流子，其總電導(dǎo)率如果材料中存在多種載流子，其總電導(dǎo)率)exp(TBAiii電阻率TBA log如圖2.21 離子玻璃的電阻率第2章材料的電性能材料物理性能- 36 -離子類載流子導(dǎo)電離子導(dǎo)電是離子在電場作用下的現(xiàn)象。擴(kuò)散暢，離子擴(kuò)散系數(shù)越高，導(dǎo)電率也越高。能斯特能斯特- -愛因

16、斯坦愛因斯坦（Nernst-Einstein）方程方程（推導(dǎo)略）（推導(dǎo)略）描述離子和之間的聯(lián)系。kTnqD2擴(kuò)散系數(shù)離子荷電量載流子單位體積濃度nqBkTkTqD離子遷移率離子絕對遷移率另一方面另一方面第2章材料的電性能材料物理性能- 37 -離子導(dǎo)電的影響因素溫度的影響溫度的影響溫度溫度離子離子加劇加劇TB0lnln時的電導(dǎo)率。）趨于溫度（T0B B與材料有關(guān)的常數(shù)與材料有關(guān)的常數(shù)1TA211低溫區(qū)的雜質(zhì)導(dǎo)電2高溫區(qū)的本征導(dǎo)電第2章材料的電性能材料物理性能- 38 -離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)的影響離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)的影響離子導(dǎo)電的影響因素材料熔點(diǎn)高材料熔點(diǎn)高離子間結(jié)合力大離子間結(jié)合力大離子活性離子

17、活性導(dǎo)電激活能導(dǎo)電激活能離子半徑大離子半徑大離子間結(jié)合力離子間結(jié)合力離子活性離子活性離子價數(shù)離子價數(shù)離子鍵力離子鍵力離子活性離子活性晶體間隙大晶體間隙大離子移動自由程離子移動自由程第2章材料的電性能材料物理性能- 39 -離子導(dǎo)電的影響因素空位、間隙原子或摻雜原子（使空位產(chǎn)生）均可參與導(dǎo)電空位、間隙原子或摻雜原子（使空位產(chǎn)生）均可參與導(dǎo)電缺缺 陷陷當(dāng)晶體中離子擴(kuò)散方向與外電場力時，離子的愈大，導(dǎo)電性愈好。濃度梯度濃度梯度dxdvdxdnDqJ第2章材料的電性能材料物理性能- 40 -快離子導(dǎo)體具有離子導(dǎo)電的固體物質(zhì)。具有離子導(dǎo)電的固體物質(zhì)。電導(dǎo)率較高的固體電解質(zhì)。電導(dǎo)率較高的固體電解質(zhì)。(1)

18、銀和銅的鹵族和硫族化合物。 金屬原子在這些化合物鍵合鍵合位置相對隨意。位置相對隨意。(2)具有-氧化鋁結(jié)構(gòu)的高遷移率高遷移率的單價陽離子氧化物。(3)具有氟化鈣（CaF2)結(jié)構(gòu)的高濃度缺陷高濃度缺陷氧化物。見圖2.25和表2.8第2章材料的電性能材料物理性能- 41 -快離子導(dǎo)體的特征決定其導(dǎo)電的的特征決定其導(dǎo)電的和和的大小的大小。共同特征共同特征(1)晶體結(jié)構(gòu)的主體是由一類占有的離子構(gòu)成。(2)具有大量的，這些空位數(shù)量遠(yuǎn)高于可移動的離子數(shù)。因此，在無序的晶格里總是存在的空位。(3)亞晶格點(diǎn)陣之間具有近乎相等的能量和較低的激活能。(4)在點(diǎn)陣間總是存在著，以至于沿著可以平移。第2章材料的電性能

19、材料物理性能- 42 -立方穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)氧敏元件氧敏元件監(jiān)控汽車的排氣成分O2-空位基體陽離子(Zr4+)摻雜陽離子(2+&3+)鉑導(dǎo)線外電極)ln(421ppFRTE CSZ管內(nèi)電極參考氧分壓 p2待測氧分壓p1第2章材料的電性能材料物理性能- 43 -半導(dǎo)體的電學(xué)性能半導(dǎo)體的電學(xué)性能當(dāng)檢視單質(zhì)和化合物半導(dǎo)體的電學(xué) 性能時，元素周期表中A族的碳(C)，硅(Si)，鍺(Ge)，錫(Sn)，鉛(Pb)格外引人注目。隨著原子量的增加，A族各元素的從金剛石的6eV到灰錫(-Sn)的0.08eV依次。常溫下的白錫(-Sn)已是金屬，最后一個元素則純粹是金屬金屬。第2章材料的電性能材料物理性

20、能- 44 -，若A、B位置由不同的原子占據(jù)，得到閃鋅礦結(jié)構(gòu)純凈碳的金剛石結(jié)構(gòu)在室溫是典型的，其禁帶寬E=6eV。石墨是由一系列類似于苯環(huán)的六角網(wǎng)格晶面組成的層狀結(jié)構(gòu)，介于。金剛石結(jié)構(gòu)中每個原子最外層四個電子分別分配給四個最近鄰C原子。這四個最近鄰C原子處于以該原子為中心的正四面體角上，與其形成共價鍵。石墨的層狀結(jié)構(gòu)金剛石和石墨的導(dǎo)電性金剛石和石墨的導(dǎo)電性第2章材料的電性能材料物理性能- 45 -單質(zhì)和是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料。鍺在所有固體中是能夠獲得最純樣品并研究得最多的半導(dǎo)體材料。在最純的鍺樣品里雜質(zhì)的含量只有。硅可以達(dá)到的純度比鍺大約低一個數(shù)量級，但仍然比任何其他物質(zhì)都純。具有廣闊應(yīng)

21、用前景的達(dá)數(shù)十種之多，其中V族，族，族和更得到優(yōu)先發(fā)展。這些材料原子間的結(jié)合以共價鍵為主，其各項性能參數(shù)比起族單質(zhì)半導(dǎo)體有更大的選擇余地。半導(dǎo)體的種類半導(dǎo)體的種類第2章材料的電性能材料物理性能- 46 -本征半導(dǎo)體無摻雜無摻雜的純半導(dǎo)體的純半導(dǎo)體 依靠依靠熱激發(fā)熱激發(fā)或或光子激發(fā)光子激發(fā)使價帶電子越過禁帶，變成自由電子進(jìn)使價帶電子越過禁帶，變成自由電子進(jìn)入導(dǎo)帶導(dǎo)電。入導(dǎo)帶導(dǎo)電。 表 2.9 本征半導(dǎo)體室溫下的禁帶寬度EgSi的Eg=1.12ev指純凈的無結(jié)構(gòu)缺陷無結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶。Ge的Eg=0.66ev第2章材料的電性能材料物理性能- 47 -(a) A位置鍵合破壞產(chǎn)生一個和一個本征Si

22、基本鍵合示意圖(b) B位置鍵合斷裂發(fā)生和 第2章材料的電性能材料物理性能- 48 -本征載流子的濃度本征載流子的濃度濃度表達(dá)式為濃度表達(dá)式為T為絕對溫度；)2exp(2/31KTETKpngii式中:ni, pi分別為自由電子和空穴的濃度；K1為常數(shù)，其數(shù)值為4.821015 K-3/2 ；k為玻爾茲曼常數(shù); Eg為禁帶寬度。隨著T增加，ni, pi顯著增大。T=300K，硅的Eg =1.1 eV，ni=pi=1.51010cm-3;在室溫條件下，本征半導(dǎo)體中，它們有一定導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力但很微弱微弱。鍺的Eg=0.72 eV, ni=pi=2.41013cm-3。第2章材料的電性能材料物理性

23、能- 49 -本征半導(dǎo)體的遷移率本征半導(dǎo)體的遷移率本征半導(dǎo)體受熱后，載流子不斷發(fā)生熱運(yùn)動，在各個方向上各個方向上的數(shù)量和速度都是均布均布的，不會引起宏觀的遷移，也不會產(chǎn)生電流。但在外電場的作用下，載流子就會有定向的漂移運(yùn)動定向的漂移運(yùn)動，產(chǎn)生電流產(chǎn)生電流。在漂移過程中，載流子不斷地互相碰撞，使得大量載流子定向漂移運(yùn)動的平均速度平均速度為一個恒定值，并與電場強(qiáng)度E成正比。自由電子自由電子和空穴空穴的分別為：EvnnEvpp式中，比例常數(shù) 和分別表示在單位場強(qiáng)(V/cm)下自由電子和空穴的平均漂移速度，稱為。自由電子的，故它的遷移率 較大；空穴的漂移實(shí)質(zhì)是價電子依次填補(bǔ)共價鍵上空位的結(jié)果，這種運(yùn)動

24、內(nèi)，所以空穴的，遷移率 也小。第2章材料的電性能材料物理性能- 50 -本征半導(dǎo)體的遷移率本征半導(dǎo)體的遷移率室溫下室溫下)/(19002sVcmp)/(39002sVcmn本征鍺單晶中:本征硅單晶中:)/(5002sVcmp)/(14002sVcmn硅遷移率遷移率比鍺小是因其載流子濃度載流子濃度ni小。若本征半導(dǎo)體中有電場，其電場強(qiáng)度為E，空穴將沿E方向作定向漂移運(yùn)動，產(chǎn)生；自由電子將逆電場方向作定向漂移運(yùn)動，產(chǎn)生?？傠娏鲬?yīng)是兩者之和，故總電流密度j為：EqnEqnvqpvqnjjjppiipinipn式中，jn ,jp 分別為自由電子和空穴的電流密度；q 為電子電荷量的絕對值。第2章材料的電

25、性能材料物理性能- 51 -本征半導(dǎo)體的電阻率本征半導(dǎo)體的電阻率)(1ppiippiiinnqEqnEqnEjE300K (室溫)時m7107 . 4m31014. 2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)本征激發(fā)成對激發(fā)成對地產(chǎn)生自由電子和空穴，所以自由電子自由電子濃度與空穴空穴濃度相等，都是等于本征載流子的濃度ni。(2)禁帶寬度Eg越大，載流子濃度ni越小。(3)升高時載流子濃度 增大。(4)與相比是極小的，所以本征半導(dǎo)體的很。)2exp(2/31KTETKpngii第2章材料的電性能材料物理性能- 52 -雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能摻入五價五價元素() 余下了一個

26、價電子價電子摻入元素()大大增加了晶體中空穴空穴濃度第2章材料的電性能材料物理性能- 53 -n型半導(dǎo)體機(jī)理：摻入雜質(zhì)后，產(chǎn)生具有機(jī)理：摻入雜質(zhì)后，產(chǎn)生具有施主能級施主能級能量的多余電子，在能量的多余電子，在激活下激活下躍入導(dǎo)帶躍入導(dǎo)帶導(dǎo)電。導(dǎo)電。在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素的雜質(zhì)(磷，砷，銻)就可以使晶體中的極大地增加。由于能提供多余價電子，因此把這種稱為，ED 稱為施主能級，稱為施主施主電離能電離能。導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶ECEDEiEVDonor ionsEC-EDEg鍺中摻磷：0.012eV硅中摻銻：0.039 eV硅中摻砷：0.049 eV在常溫下，每個摻入的五價元素原子的多余價電子都具有大

27、于(EC-ED)的能量,可以進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子,因而導(dǎo)帶中的自由電自由電子數(shù)子數(shù)比本征半導(dǎo)體顯著地增多增多。見圖2.32第2章材料的電性能材料物理性能- 54 -在n型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大(1.51014cm-3)，故自由電子自由電子稱為，簡稱。n型半導(dǎo)體由于自由電子的濃度大，故空穴被復(fù)合掉空穴被復(fù)合掉的數(shù)量也增多，所以n型半導(dǎo)體中空穴的濃度(1.5106cm-3)反而比本征半導(dǎo)體中的空穴濃度小，故把n型半導(dǎo)體中的空穴空穴稱為少數(shù)載流子少數(shù)載流子，簡稱。在電場作用下，n型半導(dǎo)體中的電流電流主要由多多自由電子自由電子產(chǎn)生，也就是說，它是以電子導(dǎo)電為主，故n型半導(dǎo)體又稱為，施主雜質(zhì)也稱。第

28、2章材料的電性能材料物理性能- 55 -n型半導(dǎo)體的電流密度nno為n型半導(dǎo)體自由電子的濃度EqnjJnnonn 電子遷移率n型半導(dǎo)體的電阻率nDnnonqNqn11ND 為n型半導(dǎo)體的摻雜濃度。如在n型硅半導(dǎo)體中，設(shè)ND =1.51014cm-3，當(dāng)n =1400 cm2(Vs)時n =30cm，相比本征硅半導(dǎo)體，=2.1410-3m，導(dǎo)電能力增強(qiáng)。(=2.14105 cm)第2章材料的電性能材料物理性能- 56 -P型半導(dǎo)體 機(jī)理：摻入雜質(zhì)后，產(chǎn)生機(jī)理：摻入雜質(zhì)后，產(chǎn)生空穴空穴，空穴在，空穴在電子的過程中電子的過程中產(chǎn)生產(chǎn)生飄移飄移而導(dǎo)電。而導(dǎo)電。摻入的雜質(zhì)元素(硼，鋁，鎵，銦)，就可以使

29、晶體中大大增加。因?yàn)槿齼r元素的原子只有，當(dāng)它晶格中的一個四價元素原子，并與周圍的四個硅(或鍺)原子組成四個共價鍵時，必然一個價電子，形成一個置。第2章材料的電性能材料物理性能- 57 -見圖2.33P型半導(dǎo)體導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶ECEiEVAcceptor ionsEA-EVEgEA因能接受價電子，把三價元素稱為，EA 稱為受主能級，(EA-EV ) 稱為受主電離能受主電離能。三價元素形成的允許價電子占有的能級EA 非?？拷?，即(EA-Ev)遠(yuǎn)小小于。硅中摻鎵:0.065eV硅中摻銦: 0.16eV鍺中摻硼或鋁:0.01eV在常溫下，處于價帶中的價電子都可以進(jìn)入EA能級。所以每一個 三價雜質(zhì)元素的

30、原子都能，而在價帶中產(chǎn)生一個。第2章材料的電性能材料物理性能- 58 -在p型半導(dǎo)體中，因受主雜質(zhì)能接受價電子產(chǎn)生空穴，使空穴濃度大大提高，為多數(shù)多數(shù)載流子，電子是載流子。n型半導(dǎo)體的電阻率EqnjJppopnpo 為p型半導(dǎo)體的空穴濃度p型半導(dǎo)體的電阻率p型半導(dǎo)體的電流密度pAppopqNqp11NA為受主雜質(zhì)濃度在電場的作用下，p型半導(dǎo)體中的電流主要由多數(shù)載流子空穴產(chǎn)生，即它是以空穴導(dǎo)電為主，故p型半導(dǎo)體又稱，受主雜質(zhì)又稱。第2章材料的電性能材料物理性能- 59 -雜質(zhì)半導(dǎo)體的特性雜質(zhì)半導(dǎo)體的特性(1)摻雜濃度與原子密度相比雖很微小，但是卻能使載流載流子濃度子濃度極大地，因而導(dǎo)電能力也顯著

31、地增強(qiáng)。摻雜濃度愈大，其導(dǎo)電能力也愈強(qiáng)。(2)摻雜只是使載流子的濃度增加，因此雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多子導(dǎo)電多子導(dǎo)電。當(dāng)摻入五價元素(施主雜質(zhì))時，主要靠自由電子自由電子導(dǎo)電；當(dāng)摻入三價元素(受主雜質(zhì))時，主要靠導(dǎo)電。第2章材料的電性能材料物理性能- 60 -點(diǎn)陣振點(diǎn)陣振動的動的聲聲子子散射散射由于點(diǎn)陣振動使發(fā)生變化而周期排列，引起的空間起伏，從而使載流子的勢能勢能隨空間變化，導(dǎo)致載流子的散射載流子的散射。溫度越高溫度越高振動越激烈，對載流子的散射越強(qiáng)，遷移率遷移率下降。由于隨溫度升高載流子熱運(yùn)動速度載流子熱運(yùn)動速度加大，電離雜質(zhì)的散射作用散射作用也就相應(yīng)減弱，導(dǎo)致遷移率增加遷移率增加。(1)在，施

32、主雜質(zhì)施主雜質(zhì)并未全部電離。隨著溫度的升高，電離施主增多使導(dǎo)帶電子濃度導(dǎo)帶電子濃度增加。與此同時，在該溫度區(qū)內(nèi)點(diǎn)陣振動尚較微弱，散射的主要機(jī)制主要機(jī)制為雜質(zhì)電離雜質(zhì)電離，因而載流子的遷移率遷移率隨溫度的上升而增加增加，使電阻率下降電阻率下降。第2章材料的電性能材料物理性能- 61 -(2)當(dāng)升高到一定溫度后,，稱為飽和區(qū)飽和區(qū)。由于本征激發(fā)尚未開始，載流子濃度載流子濃度基本上保持恒定恒定。這時點(diǎn)陣振動的已起主要作用而使遷移率下降遷移率下降，因而導(dǎo)致電電阻率阻率隨溫度的升高而。(3)溫度進(jìn)一步升高，進(jìn)入本征區(qū)本征區(qū)，由于本征激發(fā)，載流子載流子隨溫度而顯顯著增加著增加的作用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過聲子散射的作用

33、，故又使重新下降下降。對n型半導(dǎo)體電阻率logT低溫低溫區(qū)區(qū)飽和飽和區(qū)區(qū)本征本征區(qū)區(qū)第2章材料的電性能材料物理性能- 62 -超導(dǎo)電性First observation of “” by Onnes (1911)OnnesResistance of Mercury falls suddenly below measurement accuracy at very low temperature.Resistivity of Cu as a function of TemperatureHigh purity copper has larger RRR.第2章材料的電性能材料物理性能- 63 -

34、完全導(dǎo)電性完全導(dǎo)電性完全抗磁性完全抗磁性通量通量(flux)量子化量子化例如，在室溫下把超導(dǎo)體做成圓環(huán)放在磁場中，并冷卻到使其轉(zhuǎn)入。這時把原來的外磁場突然去掉，則通過超導(dǎo)體中的感生電流，由于沒有電阻而將長久的存在，成為不衰不衰減電流減電流。據(jù)報道，用Nb0.75Zr0.25合金導(dǎo)線制成的超導(dǎo)螺管磁體，估計其超導(dǎo)電流衰減時間不小于10萬年萬年。處于超導(dǎo)態(tài)的材料，不管其經(jīng)歷如何，。這就是所謂的邁斯納(Meissner)效應(yīng)，說明超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體是一抗磁體，此時超導(dǎo)體具有和的功能。當(dāng)用超導(dǎo)體做成圓球并使之處于正常態(tài)時，磁通通過超導(dǎo)體。當(dāng)球處于超導(dǎo)態(tài)時，磁通被排斥到球外，。Meissner第2章材料的電

35、性能材料物理性能- 64 -轉(zhuǎn)變溫度愈接近室溫接近室溫其實(shí)用價值實(shí)用價值愈高。目前超導(dǎo)材料轉(zhuǎn)變溫度最高的是金屬氧化物，但也只有140K左右，金屬間化合物最高的是Nb3Ge，只有23.2K。臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc 當(dāng)溫度TTc時，將磁場作用于超導(dǎo)體，若磁場強(qiáng)度大于Hc時，磁力線磁力線將穿入穿入超導(dǎo)體，即磁場破壞破壞了超導(dǎo)態(tài)，使超導(dǎo)體回到了正常態(tài)常態(tài)，此時的磁場強(qiáng)度稱為臨界磁場強(qiáng)度Hc。臨界磁場強(qiáng)度Hc除磁場影響超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度外，通過的電流密度也會對超導(dǎo)態(tài)起影響作用。當(dāng)電流超過臨界臨界電流密度時，超導(dǎo)體回到正常態(tài)常態(tài)，它們是相互相互依存依存和相互相互影響影響的。臨界電流密度第2章材料的電性能材料物理性能-

36、 65 -大多數(shù)純金屬(除V、Nb、Ta外)超導(dǎo)體，在超導(dǎo)態(tài)下磁通從超導(dǎo)體中被全部逐出，顯示完全的抗磁性。在鈮、釩及其合金中，允許部分磁通透部分磁通透入入，仍保留超導(dǎo)保留超導(dǎo)電性。Hc2值可以是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變熱力學(xué)計算值Hc的100倍或更高。零電阻的超導(dǎo)電流可以在環(huán)繞磁通線圈的超導(dǎo)區(qū)中流動，在仍有超導(dǎo)超導(dǎo)電性，故第二類超導(dǎo)體在建造方面有重要的實(shí)際意義實(shí)際意義。第2章材料的電性能材料物理性能- 66 -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)的BCS理論由巴丁(Bardeen)、庫柏(Cooper)和施瑞弗(Sehriffer)三人在1957年揭示。1972年Nobel獎超導(dǎo)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于在超導(dǎo)

37、態(tài)超導(dǎo)態(tài)時，電子之間電子之間存在著特殊的吸引力特殊的吸引力，而不是正常態(tài)時電子之間的靜電斥力正常態(tài)時電子之間的靜電斥力。這種吸引力使電子雙雙結(jié)成庫柏電子對庫柏電子對，它是超導(dǎo)態(tài)電子與晶格點(diǎn)陣間晶格點(diǎn)陣間相互作用產(chǎn)生的結(jié)果。第2章材料的電性能材料物理性能- 67 -這些在材料中規(guī)則地運(yùn)動時，如果碰到物理物理缺陷缺陷、化學(xué)化學(xué)缺陷缺陷或熱熱缺陷缺陷，而這種缺陷所給予電子的能量變化又使“電子對”，則此“電子對”將不損耗能量不損耗能量，即在缺陷處電子不發(fā)生散射不發(fā)生散射而無阻礙無阻礙地通過。超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)當(dāng)溫度溫度或外磁場外磁場強(qiáng)度增加時，電子對獲得能量電子對獲得能量，當(dāng)溫度或外

38、磁場強(qiáng)度增加到臨界值臨界值時，電子對全部被拆開拆開成正常態(tài)電子常態(tài)電子，于是材料即由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。溫度越低，超導(dǎo)體就越穩(wěn)定。這就是超導(dǎo)體中存在臨界溫度臨界溫度Tc的原因。第2章材料的電性能材料物理性能- 68 -超導(dǎo)應(yīng)用舉例超導(dǎo)應(yīng)用舉例日本超導(dǎo)磁懸浮列車(581km/h)Principle of magnetic levitation第2章材料的電性能材料物理性能- 69 -Superconducting Magnetic Energy Storage超導(dǎo)應(yīng)用舉例超導(dǎo)應(yīng)用舉例SMES Energy Stored Within a Magnet-Real and Reactive Powe

39、r第2章材料的電性能材料物理性能- 70 -電性能測量及其應(yīng)用 Rx待測電阻待測電阻 RN標(biāo)準(zhǔn)電阻（高精度電阻）標(biāo)準(zhǔn)電阻（高精度電阻）R1.R3，R2.R4同步可調(diào)電阻同步可調(diào)電阻第2章材料的電性能材料物理性能- 71 -電性能測量及其應(yīng)用 合上合上K開關(guān)后，調(diào)開關(guān)后，調(diào)R1.R3，R2.R4使使VBD=0這時下列關(guān)系成立：這時下列關(guān)系成立：11323RIRIRxI21423RIRIRINrIIRRI)()(23432)(432143121RRRRrRRrRRRRRNx第2章材料的電性能材料物理性能- 72 -電性能測量及其應(yīng)用 04321RRRR)(432143121RRRRrRRrRRRR

40、RNxR1.R3，R2.R4二組電阻采用同步調(diào)節(jié)，組電阻采用同步調(diào)節(jié)，始終使始終使R1=R3，R2=R4NxRRRR21測量小電阻（10-110-6）0.2%0.3%精確度，測量大小10-410-3左右金屬電阻。第2章材料的電性能材料物理性能- 73 -電阻分析的應(yīng)用電阻分析的應(yīng)用 電阻率是對、和的性能，能靈敏地反映材料內(nèi)部的微弱變化。因此常用測量電阻率的變化來研究材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化，稱為。 由于很容易很容易對材料的許多物理過程進(jìn)行電阻電阻的跟蹤跟蹤測量,電阻分析法在材料科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用廣泛應(yīng)用。測定固溶體的溶解度曲線研究合金的時效合金的不均勻固溶體的形成以及有序-無

41、序轉(zhuǎn)變等確定稀土元素在鎂合金中的溶解極限研究疲勞和裂紋擴(kuò)展研究馬氏體相變第2章材料的電性能材料物理性能- 74 -電阻分析法測溶解度曲線電阻分析法測溶解度曲線(1)配五種五種不同Mn%的合金Mg-Mn合金A、B、C、D 、E。(2)加熱合金A、B、C、D 、E至630并保溫后快冷(淬火)至室溫。 (3)在室溫下測出A、B、C、D, E五五合金的電阻率。(4)繪出電阻率Mn%關(guān)系曲線，曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)E所對應(yīng)的Mn%即為630上E點(diǎn)的Mn%（a%）。(5)再用同樣的方法作出600、550、500、450下的分界點(diǎn)分界點(diǎn)，并連連接各點(diǎn)點(diǎn)，該連線即為溶解度曲溶解度曲線線。 第2章材料的電性能材料物理性能- 75 -1200,24hr均勻化處理后，從850 淬火淬火至液氮(-196 )得到馬氏體馬氏體電阻率與時效時間的關(guān)系電阻率與時效時間的關(guān)系(a)Fe-Ni18%-C0.11%板條狀馬氏體研究合金時效研究合金時效(b) Fe-Ni21%-C0.4%片狀馬氏體第2章材料的電性能材料物理性能- 76 -電電阻阻率率時間（或溫度時間（或溫度)區(qū)區(qū)區(qū)（馬氏體時效）（馬氏體回火）0研究合金時效和回火研究合金時效和回火III區(qū)電阻率繼續(xù)緩慢地，直至達(dá)到時穩(wěn)定穩(wěn)定值。I區(qū)出現(xiàn)電阻率初始下降初始下降；II區(qū)電阻率先增后減先增后減，出現(xiàn)峰值峰值；第2章材料的電性能