材料物理第五章導(dǎo)電物理概念和結(jié)構(gòu)

1、材料物理第五章導(dǎo)電物理概念和結(jié)構(gòu)為什么要研究材料的導(dǎo)電性？ 導(dǎo)電性能對(duì)于材料來說也是非常重要的，導(dǎo)電材料、電阻材料、電熱材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料和絕緣材料都是以材料的導(dǎo)電性能為基礎(chǔ)的。長距離傳輸電力的金屬導(dǎo)線要有很高的導(dǎo)電性，以減少由于電線發(fā)熱造成的電力損失。陶瓷和高分子絕緣材料必須不導(dǎo)電，以防止產(chǎn)生短路或電弧。作為太陽能電池的半導(dǎo)體對(duì)其導(dǎo)電性能要求更高，以追求盡可能高的太陽能利用效率。材料物理2電阻與導(dǎo)電的基本概念當(dāng)在材料的兩端施加電壓U時(shí)，材料中有電流通過，這種現(xiàn)象稱為導(dǎo)電現(xiàn)象。由歐姆定律可知材料的電阻大小為用電阻的大小可以評(píng)價(jià)材料的導(dǎo)電性能，其值不僅與材料的性能有關(guān)，還與材料的尺寸有關(guān)

2、式中，L為材料長度，S為材料截面積，（電阻率）為與材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。 只與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，與導(dǎo)體的尺寸無關(guān)，所以通常用來表示材料的導(dǎo)電性能。另外，還常用電導(dǎo)率來表示導(dǎo)電性能材料物理3電阻與導(dǎo)電的基本概念工程中有時(shí)也會(huì)用電導(dǎo)率（IACS%）來表征材料的導(dǎo)電性能，把國際標(biāo)準(zhǔn)軟銅（在室溫20 下電阻率為 m）的電導(dǎo)率作為100%，其他導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與之相比的百分?jǐn)?shù)即為該導(dǎo)體材料的相對(duì)電導(dǎo)率。例如Fe的IACS%為17%，Al的IACS%為65%。材料物理4電阻與導(dǎo)電的基本概念根據(jù)導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。導(dǎo)體：電阻率在10-810-4m范圍內(nèi)。半導(dǎo)體:電阻率在10-4108

3、m范圍內(nèi)。絕緣體:電阻率108m。超導(dǎo)體：電阻率10-27 m。材料物理5部分材料的電導(dǎo)率材料電子結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率（-1cm-1）堿金屬Na1s22s22p63s12.13105堿土金屬 Mg1s22s22p63s22.25105A族金屬Al1s22s22p63s23p13.77105過渡族金屬Fe.3d64s21.00105高分子材料聚乙烯10-15陶瓷材料Al2O310-14材料物理6材料的導(dǎo)電機(jī)理能夠攜帶電荷的粒子稱為載流子。 在金屬、半導(dǎo)體和絕緣體中攜帶電荷的載流子是電子。在離子化合物中，攜帶電荷的載流子則是離子。控制材料的導(dǎo)電性能實(shí)際上就是控制材料中的載流子的數(shù)量和這些載流子的移動(dòng)速率。

4、材料物理7材料的導(dǎo)電機(jī)理對(duì)于金屬材料來說，載流子的移動(dòng)速率特別重要。 對(duì)于半導(dǎo)體材料來說，載流子的數(shù)量更為重要。 載流子的移動(dòng)速率取決于原子之間的結(jié)合鍵、晶體點(diǎn)陣的完整性、微結(jié)構(gòu)以及離子化合物中的擴(kuò)散速率。 材料物理8導(dǎo)電性理論發(fā)展的三個(gè)階段材料物理9經(jīng)典自由電子理論1.量子自由電子理論2.能帶理論3.經(jīng)典自由電子理論金屬是由原子點(diǎn)陣組成的，價(jià)電子是完全自由的，可以在整個(gè)金屬中自由運(yùn)動(dòng)。就像氣體充滿整個(gè)容器一樣，自由電子的運(yùn)動(dòng)遵守經(jīng)典力學(xué)氣體分子運(yùn)動(dòng)論。自由電子沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的概率相同，因而不產(chǎn)生電流。在外電場作用下自由電子將沿電場的反方向運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。電子在定向運(yùn)動(dòng)的過程中，不斷會(huì)與原

5、子發(fā)生碰撞妨礙電子的繼續(xù)加速，形成電阻。經(jīng)典自由電子理論忽略了電子之間的排斥作用和正離子點(diǎn)陣周期場的作用。材料物理10經(jīng)典自由電子理論的應(yīng)用材料物理11成功可以推導(dǎo)出歐姆定律、焦?fàn)?楞次定律等 難點(diǎn)一價(jià)金屬和二價(jià)金屬的導(dǎo)電問題電子比熱 問題的根源在于經(jīng)典電子理論是立足于牛頓力學(xué)的。對(duì)于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)需要用量子力學(xué)的概念來解決。一價(jià)金屬和二價(jià)金屬的導(dǎo)電問題 按照自由電子的概念，二價(jià)金屬的價(jià)電子比一價(jià)金屬多，似乎二價(jià)金屬的導(dǎo)電性比一價(jià)金屬好很多。但是實(shí)際情況并不是這樣。 材料物理12材料電子結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率（-1cm-1）堿金屬Na1s22s22p63s12.13105堿土金屬 Mg1s22s22p63

6、s22.25105電子比熱問題 按照經(jīng)典自由電子論，金屬中價(jià)電子如同氣體分子一樣，在溫度T下每1個(gè)電子的平均能量為 (kB為玻耳茲曼常數(shù))。 對(duì)于一價(jià)金屬來說，每1mol電子氣的能量 式中NA為阿佛加德羅常數(shù)，NA=6.0221023mol-1,R為氣體常數(shù)。 1mol電子氣的熱容 這一結(jié)果比試驗(yàn)測得的熱容約大100倍。 材料物理13量子自由電子理論材料物理14金屬離子所形成的勢場各處都是均勻的。 價(jià)電子是共有化的，它們不束縛于某個(gè)原子上，可以在整個(gè)金屬內(nèi)自由地運(yùn)動(dòng)，電子之間沒有相互作用。電子運(yùn)動(dòng)服從量子力學(xué)原理：電子的能量不是連續(xù)分布的，而是分立的不連續(xù)的。量子自由電子理論和經(jīng)典電子理論的主

7、要區(qū)別。電子比熱問題的解決由于電子的能級(jí)是分立的不連續(xù)的，只有那些處于較高能級(jí)的電子才能夠跳到?jīng)]有別的電子占據(jù)的更高能級(jí)上去，那些處于低能級(jí)的電子不能跳到較高能級(jí)去，因?yàn)槟切┹^高能級(jí)已經(jīng)有別的電子占據(jù)著。熱激發(fā)的電子的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于總的價(jià)電子數(shù)，所以用量子自由電子論推導(dǎo)出的比熱可以解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)典自由電子論認(rèn)為所有電子都有可能被熱激發(fā)，因而計(jì)算出的熱容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)值。材料物理15材料物理16量子自由電子理論這一理論認(rèn)為，電子具有波粒二象性，運(yùn)動(dòng)著的電子作為物質(zhì)波，其頻率和波長與電子的運(yùn)動(dòng)速率或動(dòng)量之間的關(guān)系為其中，m為電子質(zhì)量，v為電子速度，為波長，p為電子動(dòng)量，h為普朗克常數(shù)。材料物理17

8、量子自由電子理論在一價(jià)金屬中，自由電子的動(dòng)能代入上式得式中， 為常數(shù)， ，稱為波數(shù)頻率，是表征金屬中自由電子可能具有的能量狀態(tài)的參數(shù)。材料物理18量子自由電子理論E-K關(guān)系曲線為拋物線，圖中的“+”和“-”表示自由電子運(yùn)動(dòng)的方向。電子的波數(shù)越大，則能量越高。材料物理19量子自由電子論的問題在于認(rèn)為勢場是均勻的，因此還是不能很好地解釋諸如鐵磁性、相結(jié)構(gòu)以及結(jié)合力等一些問題。 量子自由電子理論量子自由電子理論還可以解釋納米材料的尺寸效應(yīng)：普通金屬材料具有良好的導(dǎo)電性，而納米金屬顆粒在低溫下顯示電絕緣性（不導(dǎo)電），這是因?yàn)槠胀ń饘僦邢噜從芗?jí)直接的能量差很小，電子很容易就被激發(fā)到高能級(jí)，但當(dāng)金屬尺寸降

9、至納米量級(jí)時(shí)，相鄰能級(jí)之間的差要增大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)溫度較低時(shí)，電子很難被激發(fā)至高能級(jí)，所以不導(dǎo)電。能帶理論 能帶理論是在量子自由電子論的基礎(chǔ)上，考慮了離子所造成的周期性勢場的存在，從而導(dǎo)出了電子在金屬中的分布特點(diǎn)，并建立了禁帶的概念。 材料物理20量子自由電子理論能帶理論經(jīng)典自由電子理論連續(xù)能量分布的價(jià)電子在均勻勢場中的運(yùn)動(dòng)不連續(xù)能量分布的價(jià)電子在均勻勢場中的運(yùn)動(dòng)不連續(xù)能量分布的價(jià)電子在周期性勢場中的運(yùn)動(dòng)Contents材料物理21材料的導(dǎo)電性能1金屬導(dǎo)電性2半導(dǎo)體物理34超導(dǎo)物理能帶結(jié)構(gòu) 根據(jù)原子結(jié)構(gòu)理論，每個(gè)電子都占有一個(gè)分立的能級(jí)。泡利（Pauli）不相容原理指出，每個(gè)能級(jí)只能容納2個(gè)電

10、子。 材料物理22能帶結(jié)構(gòu) 固體中若有N個(gè)原子,由于各原子間的相互作用,對(duì)應(yīng)于原來孤立原子的每一個(gè)能級(jí),變成了N條靠得很近的能級(jí),稱為能帶。能帶的寬度記作E 。材料物理23一般規(guī)律：越是外層電子，能帶越寬，E越大。點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，E越大。兩個(gè)能帶有可能重疊。 滿帶：電子總是優(yōu)先填滿的能量較低的能級(jí)，在能帶結(jié)構(gòu)中，如果一個(gè)能帶中的各能級(jí)都被電子填滿，這樣的能帶稱為滿帶。材料物理24有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞： 價(jià)帶：由價(jià)電子能級(jí)分裂而形成的能帶稱為價(jià)帶，通常情況下，價(jià)帶為能量最高的能帶。價(jià)帶可能被電子填滿，稱為滿帶，也可能未被電子填滿，形成非滿帶。材料物理25有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名

11、詞： 空帶：由各個(gè)原子的激發(fā)能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶，在未被激發(fā)的情況下，沒有電子填入，這樣的能帶稱為空帶。材料物理26有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞： 導(dǎo)帶：當(dāng)一些被充滿的價(jià)帶頂部的電子受到激發(fā)而進(jìn)入導(dǎo)帶，此時(shí)，價(jià)帶和空帶均表現(xiàn)為非滿帶，在外加電場的作用下形成電流，這個(gè)的空帶又稱為導(dǎo)帶。 未被填滿的能帶均為價(jià)帶，在未被激發(fā)時(shí)，價(jià)電子處于價(jià)帶的底部，受到激發(fā)后電子會(huì)躍遷到價(jià)帶的頂部，在外加電場的作用下形成電流，這樣不滿的價(jià)帶，也稱為導(dǎo)帶。材料物理27有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞： 禁帶：有些固體在價(jià)帶和空帶之間存在著一段能量間隔，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)永遠(yuǎn)不可能有電子，這個(gè)能量區(qū)域稱為禁帶或帶隙。材料物理28有關(guān)

12、能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞：材料物理29圖鈉的能帶結(jié)構(gòu) 能帶中電子隨溫度升高而進(jìn)行能級(jí)躍遷（a）絕對(duì)零度時(shí),所有外層電子占據(jù)低的能級(jí);（b）溫度升高,部分電子被激發(fā)到原未被填充的能級(jí) 材料物理30材料的導(dǎo)電性能不同,是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同材料物理31導(dǎo)體有2種情況1.價(jià)電子所在能帶為非滿帶2.價(jià)電子所在能帶為滿帶，但能帶有重疊（例如：鎂）兩個(gè)相鄰能帶可能重疊（交疊），此時(shí)禁帶消失了，能帶交疊的程度與原子間距有關(guān)，原子間距越小，交疊程度越大。材料物理32能帶重疊材料物理33圖鎂的能帶結(jié)構(gòu) 絕緣體：滿帶與空帶之間有一個(gè)較寬的禁帶(Eg約36eV),共有化電子很難從低能級(jí)(滿帶)躍遷到高能級(jí)(空帶)

13、上去。 半導(dǎo)體：滿帶與空帶之間也是禁帶,但是禁帶很窄(Eg約2eV)。材料物理34導(dǎo)電性材料的應(yīng)用導(dǎo)電材料：以傳送電流為主要目的的材料。要求有高的導(dǎo)電率，高的力學(xué)性能，良好的抗腐蝕性能，良好的工藝性能，價(jià)格便宜。電力工業(yè)這樣的強(qiáng)電應(yīng)用的導(dǎo)電材料主要有銅、鋁及其合金。 電阻材料：包括精密電阻材料和電阻敏感材料。精密電阻材料的以銅鎳合金為代表，要有恒定的高電阻率，電阻的溫度系數(shù)小。電阻敏感材料只通過電阻變化來獲取系統(tǒng)中所需信息的元器件材料，如熱敏電阻，光敏電阻等。 電熱材料：使用溫度非常高。使用溫度為9001350的電熱合金，常用鎳鉻合金。使用溫度更高時(shí)，一般的電熱合金都會(huì)發(fā)生熔化，或發(fā)生氧化。此

14、時(shí)需要采用陶瓷電熱材料。材料物理35其他材料的導(dǎo)電性能離子材料中的導(dǎo)電性往往需要通過離子的遷移來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@類材料中的禁帶寬度較大，電子難以躍遷到導(dǎo)帶。所以大多數(shù)的離子材料是絕緣體。如果在離子材料中引入雜質(zhì)或空位，能夠促進(jìn)離子的擴(kuò)散，改善材料的導(dǎo)電性。高溫也能促進(jìn)離子擴(kuò)散，進(jìn)而改善導(dǎo)電性。高分子材料中的電子都是共價(jià)鍵結(jié)合的，所以高分子材料的禁帶寬度都非常大，電導(dǎo)率也非常低。因此高分子材料常用作絕緣體。有時(shí)，低電導(dǎo)率也會(huì)對(duì)材料造成損害。解決這些問題的方法有兩種，一是在高分子材料中引入添加劑，改善材料的導(dǎo)電性，二是開發(fā)本身就具有導(dǎo)電性的高分子材料。 材料物理36Contents材料物理37材料的導(dǎo)

15、電性能1金屬導(dǎo)電性2半導(dǎo)體物理34超導(dǎo)物理金屬導(dǎo)電機(jī)制材料物理38 n ：單位體積內(nèi)參與導(dǎo)電的電子數(shù) ：兩次碰撞的時(shí)間間隔 :電子的平均自由程 :實(shí)際參與導(dǎo)電電子的平均速度電導(dǎo)率或電阻率材料物理39量子自由電子理論表明：只有位于最高能級(jí)上為數(shù)不多的價(jià)電子才能夠被外電場加速從而具有附加速度（或能量）。所以我們可以得到以下結(jié)論：1. 應(yīng)當(dāng)比總的電子平均速度大得多2.因?yàn)榻饘偃埸c(diǎn)以下費(fèi)米分布隨溫度變化很小，即 實(shí)際上與溫度的變化無關(guān)。 可見，電導(dǎo)率(或電阻率)與溫度的關(guān)系決定于 的改變。這是因?yàn)樗衅渌慷寂c溫度無關(guān)。金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制材料物理40 定義 ，稱為散射系數(shù)。量子力學(xué)可以證明，當(dāng)電

16、子波在絕對(duì)零度下通過一個(gè)完整的晶體點(diǎn)陣時(shí)，將不受到散射而無阻礙地傳播，這時(shí) 電阻率0，而， 和 應(yīng)為無窮大。只有在晶體點(diǎn)陣的完整性遭到破壞的地方電子波才受到散射，因而產(chǎn)生電阻。由溫度引起點(diǎn)陣離子的振動(dòng)、點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的存在都會(huì)使理想晶體的周期性遭到破壞，從而產(chǎn)生各自的附加電阻。所以在絕對(duì)零度下的電阻率可以表示晶體點(diǎn)陣完整性被破壞的程度。材料物理41散射機(jī)制理想金屬的電阻對(duì)應(yīng)著兩種散射機(jī)制(聲子散射和電子散射)，可以看成為基本電阻。這個(gè)電阻在絕對(duì)零度時(shí)降為零。第三種機(jī)制(電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射)在有缺陷的晶體中可以觀察到，是絕對(duì)零度下金屬殘余電阻的實(shí)質(zhì)，這個(gè)電阻表示了金屬的純度和完整性。材料物理

17、42馬基申定則馬基申(Mathhissen)和沃格特(Vogt)早期根據(jù)對(duì)金屬固溶體中溶質(zhì)原子的濃度較小，以致可以略去它們之間的相互影響，把固溶體的電阻看成由金屬的基本電阻(T) 和殘余電阻 殘組成。這實(shí)際上表明，在一級(jí)近似下不同散射機(jī)制對(duì)電阻的貢獻(xiàn)可以加法求和。這一導(dǎo)電規(guī)律稱為馬基申定則。式中(T)為與溫度有關(guān)的金屬基本電阻，即溶劑金屬(純金屬)的電阻； 殘為決定于化學(xué)缺陷和物理缺陷而與溫度無關(guān)的殘余電阻。化學(xué)缺陷為偶然存在的雜質(zhì)原子以及人工加入的合金元素原子。物理缺陷系空位、間隙原子、位錯(cuò)以及它們的復(fù)合體。材料物理43馬基申定則從馬基申定則可以看出在高溫時(shí)金屬的電阻基本上決定于(T) ，而

18、在低溫時(shí)則決定于殘余電阻殘。既然殘余電阻是電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射引起的，那末殘的大小可以用來評(píng)定金屬的電學(xué)純度。與化學(xué)純度不同，電學(xué)純度考慮了點(diǎn)陣物理缺陷的影響。由于殘余電阻測量很麻煩，實(shí)際上往往采用相對(duì)電阻 的大小評(píng)定金屬的電學(xué)純度。許多完整的金屬單晶得到的相對(duì)電阻高達(dá)2l04。材料物理44金屬純度的表征在超低溫下電子平均自由程長度 同樣可以作為金屬純度直觀的物理特性。晶體越純、越完善，自由程長度越長、相對(duì)電阻值也越大。反之，金屬中雜質(zhì)越多，在連續(xù)散射之間電子自由程長度越短，相對(duì)電阻也越小。目前可以得到很純的金屬，在它們當(dāng)中4.2K時(shí)的電子平均自由程長度可達(dá)幾個(gè)mm。例如，相對(duì)電阻為710

19、6的超純鎢，其電子自由程長達(dá)12.5mm.材料物理45溫度對(duì)金屬電阻的影響低溫下金屬電阻與溫度的關(guān)系在絕對(duì)零度下化學(xué)上純凈又無缺陷的金屬，其電阻等于零。隨著溫度的升高，金屬電阻也在增加。如曲線1所示。如果在晶體中存在少量雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，電阻與溫度的關(guān)系發(fā)生變化，曲線2和3所示。在低溫下材料結(jié)構(gòu)對(duì)電阻的貢獻(xiàn)主要由 殘表示。缺陷的數(shù)量和類型決定了與缺陷有關(guān)的電阻。材料物理46溫度對(duì)金屬電阻的影響在2K以下金屬的電阻主要由“電子-電子”散射決定，但除了最低的溫度以外，在所有溫度下大多數(shù)金屬的電阻都決定于“電子-聲子”散射。即金屬的電阻取決于離子的熱運(yùn)動(dòng)。根據(jù)德拜理論，原子熱振動(dòng)的特征在兩個(gè)溫度區(qū)域存

20、在本質(zhì)的差別，劃分這兩個(gè)區(qū)域的溫度D稱為德拜溫度或特征溫度。在T D時(shí)電阻與溫度有不同的函數(shù)關(guān)系。材料物理47 實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于普通的非過渡族金屬，德拜溫度一般不超過500K。 當(dāng) 時(shí)，電阻和溫度成線性關(guān)系，即式中為電阻溫度系數(shù)。在低溫下金屬電阻取決于“電子-電子”散射。這時(shí)的電阻與溫度的平方成正比。大多數(shù)金屬在熔化成液態(tài)時(shí)，其電阻率會(huì)突然增大倍，這是由于原子排列的長程有序被破壞，反而加強(qiáng)了對(duì)電子的散射，引起電阻增加。但有些金屬是反常的。溫度對(duì)金屬電阻的影響材料物理48壓力對(duì)金屬電阻的影響由于壓力改變著系統(tǒng)的熱力學(xué)平衡條件，壓力對(duì)材料的性能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的影響。材料物理49壓力對(duì)金屬電阻的影響高的壓

21、力往往導(dǎo)致物質(zhì)的金屬化，引起導(dǎo)電類型的變化，而且有助于從絕緣體半導(dǎo)體金屬超導(dǎo)體的某種轉(zhuǎn)變。某些半導(dǎo)體和電介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)所要的臨界壓力材料物理50 與純金屬相比，金屬固溶體的形成總是伴隨著電阻的增大，即使是在低導(dǎo)電性溶劑中加人高導(dǎo)電性溶質(zhì)也是如此，但電阻隨成分平穩(wěn)地連續(xù)變化而不發(fā)生突變。在無限固溶體的情況下，當(dāng)組元A添加于組元B時(shí)電阻逐漸增大，到達(dá)極大值后減小到B組元的電阻值。這是因?yàn)樵影霃讲钏鸬木w點(diǎn)陣畸變使電子的散射增加，固溶體電阻總是大于純金屬電阻，且原子半徑差越大，固溶體電阻也越大。固溶體的導(dǎo)電性Contents材料物理51材料的導(dǎo)電性能1金屬導(dǎo)電性2半導(dǎo)體物理34超導(dǎo)物理本征半

22、導(dǎo)體材料物理52純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，如純硅和純鍺。這些半導(dǎo)體的禁帶Eg比較小，具有足夠熱能的電子能夠越過禁帶，從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶。被激發(fā)的電子原來能級(jí)上則留下一個(gè)空穴。如果另一個(gè)電子過來填充這個(gè)空穴，那么它原來的能級(jí)上又會(huì)出現(xiàn)一個(gè)空穴。所以空穴可以攜帶一個(gè)正電荷，空穴的移動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生電流。如果在半導(dǎo)體材料上加上電壓，導(dǎo)帶上的電子向正極移動(dòng)，價(jià)帶上的空穴則向負(fù)極移動(dòng)。材料物理53在本征半導(dǎo)體中，導(dǎo)電性能對(duì)溫度非常敏感。絕對(duì)零度時(shí)，所有的電子都處于價(jià)帶，導(dǎo)帶中的所有能級(jí)都是空的。當(dāng)溫度升高時(shí)，電子占據(jù)導(dǎo)帶能級(jí)的可能性也增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也隨之增加。在一般使用溫度下，本征載流子濃度隨溫度升高近

23、似按指數(shù)關(guān)系增加。半導(dǎo)體中的導(dǎo)電性與溫度的這種關(guān)系剛好與金屬相反。由于溫度會(huì)影響本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，所以很難嚴(yán)格控制本征半導(dǎo)體的性能。但是，如果在半導(dǎo)體材料中加入雜質(zhì)，可以得到非本征半導(dǎo)體。非本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要取決于添加的雜質(zhì)原子的數(shù)量，而在一定溫度范圍內(nèi)與溫度關(guān)系不大。 本征半導(dǎo)體材料物理54雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為非本征半導(dǎo)體，有N型和P型兩種。如果向本征半導(dǎo)體中添加像銻、砷、磷這樣的5價(jià)元素，那么銻、砷、磷中的4個(gè)價(jià)電子會(huì)參加本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)合。當(dāng)它頂替本征半導(dǎo)體晶格中一個(gè)4價(jià)元素原子時(shí)，還余下一個(gè)價(jià)電子，這個(gè)價(jià)電子有可能進(jìn)入導(dǎo)帶，參加導(dǎo)電。由于雜質(zhì)原子可

24、以提供電子，稱為施主。摻入了施主雜質(zhì)的非本征半導(dǎo)體以負(fù)電荷（電子）作為載流子，所以稱為N（negative，表示負(fù)電荷的意思）型半導(dǎo)體。材料物理55理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施主的富余價(jià)電子所處的能級(jí)Ed（施主能級(jí)）非?？拷鼘?dǎo)帶底（Ec為導(dǎo)帶能級(jí)），這個(gè)價(jià)電子并沒有被施主原子束縛得很緊，只要有一個(gè)很小的能量Ec -Ed就可以使這個(gè)電子進(jìn)入導(dǎo)帶。這個(gè)多余的價(jià)電子進(jìn)入導(dǎo)帶后，不會(huì)在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。例如：在鍺中摻磷Ec -Ed值為 在硅中摻砷Ec -Ed值為 在硅中摻銻Ec -Ed值為N型半導(dǎo)體材料物理56當(dāng)溫度從很低的溫度逐漸升高時(shí)，越來越多的施主電子得到能量Ec -Ed越過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，一般來說，

25、在常溫下，每個(gè)摻入的5價(jià)元素原子的價(jià)電子都具有大于Ec -Ed的能量，所以所有施主電子都進(jìn)入導(dǎo)帶，而本征半導(dǎo)體中的電子還沒有足夠的能量進(jìn)入導(dǎo)帶，因此導(dǎo)帶中的電子數(shù)目不變，電導(dǎo)率將維持一個(gè)常量。在更高的溫度下，才會(huì)出現(xiàn)本征半導(dǎo)體產(chǎn)生的導(dǎo)電性。N型半導(dǎo)體材料物理57如果向本征半導(dǎo)體中添加像鎵、銦、硼、鋁這樣的3價(jià)元素，因?yàn)闆]有足夠的電子參與共價(jià)鍵的結(jié)合，當(dāng)它頂替本征半導(dǎo)體晶格中的一個(gè)4價(jià)元素的原子時(shí)，必然缺少一個(gè)價(jià)電子，形成一個(gè)空位，如果相鄰的其他電子過來填充這個(gè)空穴，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的空穴。像這種能夠向本征半導(dǎo)體提供空穴作為載流子的雜質(zhì)元素稱為受主。摻入了受主雜質(zhì)的非本征半導(dǎo)體以正電荷（空穴）作為

26、載流子，所以稱為P（positive）型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體材料物理58理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3價(jià)元素形成的允許價(jià)電子占有的能級(jí)Ea與本征半導(dǎo)體的價(jià)帶能級(jí)Ev非常接近，價(jià)帶上的電子只要獲得能量Ea- Ev ，就可以躍遷上去填充受主的空穴而在價(jià)帶上產(chǎn)生空穴。價(jià)帶上的空穴可以移動(dòng)，傳導(dǎo)電流。例如：在鍺中摻硼、鋁的Ea-Ev值為 在硅中摻鎵的Ea-Ev值為 在硅中摻銦的Ea-Ev值為P型半導(dǎo)體材料物理59當(dāng)溫度從很低的溫度逐漸升高時(shí)，越來越多的受主空穴被價(jià)帶上的電子所填充，一般來說，在常溫下，處于價(jià)帶的價(jià)電子都具有大于Ea- Ev的能量，都可以進(jìn)入Ea能級(jí)，所以中的空穴全部被填充，而價(jià)帶中的電子還沒

27、有足夠的能量進(jìn)入導(dǎo)帶，因此價(jià)帶中的空穴數(shù)目不變，電導(dǎo)率將維持一個(gè)常量。在更高的溫度下，才會(huì)出現(xiàn)本征半導(dǎo)體產(chǎn)生的導(dǎo)電性。P型半導(dǎo)體材料物理60半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系 雜質(zhì)半導(dǎo)體材料物理61本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體的區(qū)別本征半導(dǎo)體中的電子載流子和空穴載流子的數(shù)量相等，而非本征半導(dǎo)體中的電子載流子和空穴載流子的數(shù)量是不相等的。 N型半導(dǎo)體中電子載流子多于空穴載流子，電子稱為多數(shù)載流子。P型半導(dǎo)體中空穴載流子多于電子載流子，空穴稱為多數(shù)載流子。由于少數(shù)載流子是由本征半導(dǎo)體中熱激發(fā)出來的，所以少數(shù)載流子對(duì)溫度非常敏感。材料物理62PN結(jié)在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一

28、邊形成P型半導(dǎo)體，那么在兩種半導(dǎo)體的交界面附近就形成了PN結(jié)。P區(qū)N區(qū)PN結(jié)內(nèi)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)N區(qū)的電子必然向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散到P區(qū)的電子與空穴復(fù)合而消失。同時(shí)P區(qū)的空穴也要向N區(qū)擴(kuò)散，與N區(qū)中的電子復(fù)合。這種由于濃度差而引起的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。材料物理63P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)負(fù)離子空穴正離子電子U內(nèi)，接觸電勢差內(nèi)電場平衡狀態(tài)下的PN結(jié)PN結(jié)材料物理64PN結(jié)的單向?qū)щ娦约诱螂妷篜區(qū)N區(qū)U內(nèi)-U外內(nèi)電場外電場耗盡層材料物理65P區(qū)N區(qū)U內(nèi)+U外內(nèi)電場外電場耗盡層加反向電壓PN結(jié)的單向?qū)щ娦圆牧衔锢?6PN結(jié)的特性PN結(jié)加正向電壓時(shí)，形成較大的正向電流；而在加反向電壓時(shí)，反向電流很小，這種特性稱為

29、單向?qū)щ娦?。PN結(jié)的整流效應(yīng) 材料物理67PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)的擊穿反向偏壓太大，通過PN結(jié)的絕緣區(qū)的漏電流的載流子將會(huì)被大大加速，從而激發(fā)出其他的載流子，導(dǎo)致在反向偏壓下也產(chǎn)生一個(gè)很大的電流。這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)半導(dǎo)體摻雜和PN結(jié)的結(jié)構(gòu)來改變PN結(jié)的反向許可電壓。材料物理68雙結(jié)晶體管n-p-n型晶體管電路及其結(jié)構(gòu) 材料物理69n-p-n型MOS場效應(yīng)管 場效應(yīng)晶體管光致發(fā)光效應(yīng)（熒光效應(yīng)） 發(fā)光二極管 電致發(fā)光效應(yīng) 激光二極管光伏特效應(yīng) 材料物理70半導(dǎo)體的物理效應(yīng)材料物理71光致發(fā)光效應(yīng)價(jià)帶的電子受到入射光子的激發(fā)后，會(huì)躍過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶。如果導(dǎo)帶上的這些被激發(fā)的電

30、子又躍遷回到價(jià)帶時(shí)，會(huì)以放出光子的形式來釋放能量，這就是光致發(fā)光效應(yīng)，也稱為熒光效應(yīng)。 熒光產(chǎn)生原理(a) 沒有禁帶的金屬;(b) 有禁帶的半導(dǎo)體 材料物理72在某些陶瓷和半導(dǎo)體中，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度不大不小，所以被激發(fā)的電子從導(dǎo)帶躍過禁帶回到價(jià)帶時(shí)釋放的光子波長剛好在可見光波段。這樣的材料稱為熒光材料。 日光燈燈管的內(nèi)壁涂有熒光物質(zhì)。管內(nèi)的汞蒸氣在電場作用下發(fā)出紫外線，這些紫外線轟擊在熒光物質(zhì)上使其發(fā)光。關(guān)掉電源后熒光物質(zhì)便不再發(fā)光。光致發(fā)光效應(yīng)材料物理73余輝效應(yīng)如果熒光材料中含有一些微量雜質(zhì)，且這些雜質(zhì)的能級(jí)位于禁帶內(nèi)，相當(dāng)于陷阱能級(jí)(Ed)，從價(jià)帶被激發(fā)的電子進(jìn)入導(dǎo)帶后，又會(huì)掉入

31、這些陷阱能級(jí)。因?yàn)檫@些被陷阱能級(jí)所捕獲的激發(fā)電子必須首先脫離陷阱能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶后才能躍遷回到價(jià)帶，所以它們被入射光子激發(fā)后，需要延遲一段時(shí)間才會(huì)發(fā)光，出現(xiàn)了所謂的余輝現(xiàn)象。 材料物理74余輝時(shí)間取決于這些陷阱能級(jí)與導(dǎo)帶之間的能級(jí)差，即陷阱能級(jí)深度。因?yàn)樵谝欢囟认?，處于較深的陷阱能級(jí)上的電子被熱重新激發(fā)到導(dǎo)帶的幾率較小，或者電子進(jìn)入導(dǎo)帶后又落入其他陷阱能級(jí)（發(fā)生多次捕獲），這些情況都使余輝時(shí)間變長，也就是使發(fā)光的衰減很慢。通過研究光致發(fā)光材料中陷阱能級(jí)的規(guī)律，可以制造出具有長余輝效應(yīng)的發(fā)光材料，余輝時(shí)間特別長的熒光材料可以用作夜光材料，可以將白天受的光儲(chǔ)存起來用于夜晚顯示。 余輝效應(yīng)材料物理75

32、夜光材料SrAl2O4Eu,Dy長余輝材料的發(fā)光原理 材料物理76發(fā)光二極管當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成PN結(jié)時(shí)，按照費(fèi)米能級(jí)的定義，電子將從費(fèi)米能級(jí)高的N區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)低的P區(qū)，直至兩邊的費(fèi)米能級(jí)相等時(shí)，PN結(jié)處于平衡狀態(tài)。在空間電荷區(qū)能帶發(fā)生彎曲，電子從勢能低的N區(qū)向勢能高的P區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須克服這一勢能“高坡”，這一勢能“高坡”通常稱為PN結(jié)的勢壘，空間電荷區(qū)也叫勢壘區(qū)。材料物理77發(fā)光二極管在正向偏壓的作用下，PN結(jié)勢壘降低，勢壘區(qū)內(nèi)建電場也相應(yīng)減弱，載流子也會(huì)在正向偏壓的作用下發(fā)生擴(kuò)散。n型半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子電子擴(kuò)散到p型半導(dǎo)體區(qū)，同時(shí)p型半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子空穴擴(kuò)散到n型半導(dǎo)體區(qū)。這些

33、注入到p區(qū)的載流子電子和注入到n區(qū)的載流子空穴都是非平衡的少數(shù)載流子。這些非平衡的少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光，這就是半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光的原理。 PN結(jié)注入發(fā)光材料物理78發(fā)光二極管導(dǎo)致發(fā)光的能級(jí)躍遷除了可以在導(dǎo)帶與價(jià)帶這樣的帶與帶之間（稱為本征躍遷）發(fā)生外，還可以在雜質(zhì)能級(jí)與帶之間、雜質(zhì)能級(jí)之間（稱為非本征躍遷）發(fā)生。導(dǎo)帶上的電子還會(huì)以熱量的形式釋放出一部分能量后掉入雜質(zhì)能級(jí)，然后再向價(jià)帶躍遷。這種躍遷稱為間接躍遷，其能量小于禁帶寬度。間接躍遷可以有4種類型。 材料發(fā)光與能級(jí)躍遷 材料物理79發(fā)光二級(jí)管的發(fā)光顏色與材料成分的關(guān)系 發(fā)光二極管如果將GaP和GaAs混合制成GaAs1-xP

34、x混晶，可以通過調(diào)節(jié)x的值來改變混晶體的能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)P的含量x大于后，直接躍遷就會(huì)變?yōu)殚g接躍遷。材料物理80發(fā)光二極管能級(jí)躍遷所產(chǎn)生的光子并不能夠全部傳到半導(dǎo)體材料的外部來。因?yàn)閺陌l(fā)光區(qū)發(fā)出的光子不僅在通過半導(dǎo)體材料時(shí)有可能被再吸收，而且在半導(dǎo)體的表面處很可能發(fā)生全發(fā)射而返回到半導(dǎo)體材料內(nèi)部。為了避免這種現(xiàn)象，可以將半導(dǎo)體材料表面制成球面，并使發(fā)光區(qū)域處于球心位置。 材料物理81激光二極管自發(fā)輻射受激輻射處于低能級(jí)的電子吸收一個(gè)入射光子后，從低能級(jí)被激發(fā)到高能級(jí)，這個(gè)過程稱為光吸收。當(dāng)電子從高能級(jí)躍遷回到低能級(jí)時(shí)，會(huì)輻射放出一個(gè)光子，這種輻射稱為自發(fā)輻射。 在受激輻射過程中，處于高能級(jí)的電子受

35、到入射光子的作用，躍遷到低能級(jí)，并輻射放出一個(gè)與入射光子在頻率、位相、傳播方向、偏振狀態(tài)等各方面完全相同的光子。但在此過程中，原來的入射光子并沒有被吸收。材料物理82激光二極管當(dāng)注入光子時(shí)，自發(fā)輻射與受激輻射這兩種過程究竟哪一種占主導(dǎo)地位，取決于處于高能級(jí)上和處于低能級(jí)上的電子數(shù)量之比。如果處于高能級(jí)上的電子數(shù)大于處于低能級(jí)上的電子數(shù)，受激輻射就會(huì)超過光吸收產(chǎn)生的自發(fā)輻射，就會(huì)導(dǎo)致激光的產(chǎn)生。材料物理83激光二極管對(duì)于高濃度摻雜的半導(dǎo)體PN結(jié)，由于雜質(zhì)濃度很高，n型區(qū)內(nèi)來自雜質(zhì)能級(jí)的載流子電子非常多，費(fèi)密能級(jí)位于導(dǎo)帶之中。另外，p型區(qū)的價(jià)帶中的載流子空穴也非常多，p型區(qū)的費(fèi)密能級(jí)位于價(jià)帶之中。

36、當(dāng)加上正向偏壓時(shí)，n區(qū)向p區(qū)注入載流子電子，而p區(qū)向n區(qū)注入載流子空穴。激光二極管為高濃度摻雜半導(dǎo)體，平衡時(shí)勢壘很高，所加正向電壓不足以使勢壘消失。這些載流子電子和載流子空穴聚集在PN結(jié)附近，形成所謂的激活區(qū)。 材料物理84激光二極管半導(dǎo)體激光產(chǎn)生原理 當(dāng)一個(gè)電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶并與價(jià)帶的空穴結(jié)合時(shí)，就放出一個(gè)光子1，由于此時(shí)在高能級(jí)的導(dǎo)帶上具有大量的電子，受到光子1的作用，導(dǎo)帶上的一個(gè)電子產(chǎn)生受激輻射，產(chǎn)生了一個(gè)與光子1完全相同的光子2.激光器的一端由全反射鏡面組成，從而能夠使光子反射回到半導(dǎo)體激活區(qū)中，以產(chǎn)生更多的受激輻射。另一端由半反射的鏡面組成，讓一部分光子射出半導(dǎo)體，產(chǎn)生激光光束。剩下的光子反射回半導(dǎo)體內(nèi)，產(chǎn)生更多的受激輻射。材料物理85光生伏特效應(yīng)當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射PN結(jié)時(shí)，由于內(nèi)電場的作用，半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢，如將PN結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流。這種由內(nèi)電場引起的光電效應(yīng)，稱為光生伏特效應(yīng)。是太陽能電池的