材料物理性能2(120)

第一章材料的電學(xué)性能主講：胡木林2016年09月《材料物理性能》材料的電學(xué)性能材料的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的電學(xué)性能絕緣體的電學(xué)性能超導(dǎo)電性導(dǎo)電性的測(cè)量引言一、載流子電流是電荷的定向運(yùn)動(dòng)，電荷的載體稱為載流子。載流子電子、空穴正離子、負(fù)離子、空位二、遷移數(shù)表征材料導(dǎo)電載流子種類對(duì)導(dǎo)電貢獻(xiàn)的參數(shù)，用tx表示。ti+、ti-、te-、th+離子遷移數(shù)ti>0.99的導(dǎo)體為離子導(dǎo)體；ti<0.99的導(dǎo)體為混合導(dǎo)體。某種載流子輸運(yùn)電荷的電導(dǎo)率各載流子輸運(yùn)電荷的總電導(dǎo)率某一種載流子輸運(yùn)電荷占全部電導(dǎo)率的分?jǐn)?shù)第一節(jié)材料的導(dǎo)電性一、電阻率和電導(dǎo)率歐姆定律：U=RIR表示導(dǎo)體的電阻，不僅與導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)，而且還與其長(zhǎng)度l及截面積S有關(guān)，其值R＝ρl/S，式中ρ

稱為電阻率或比電阻。電阻率只與材料特性有關(guān)，而與導(dǎo)體的幾何尺寸無關(guān)，因此評(píng)定材料導(dǎo)電性的基本參數(shù)是電阻率或電導(dǎo)率，電阻率的單位為Ω·m,Ω·cm,μΩ·cm。當(dāng)施加的電場(chǎng)產(chǎn)生電流時(shí)，電流密度J正比于電場(chǎng)強(qiáng)度E，其比例常數(shù)σ即為電導(dǎo)率：電阻率ρ的倒數(shù)σ即為電導(dǎo)率，即σ=1/ρ，電導(dǎo)率的單位為S/m或Ω-1·m-1。工程上用相對(duì)電導(dǎo)率IACS%=σ/σCu%表征導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟純銅電導(dǎo)率導(dǎo)體：ρ<10-3Ω·cm；絕緣體：ρ>108Ω·cm；半導(dǎo)體：ρ

值介于10-3～108

Ω·cm之間。二、金屬導(dǎo)電理論二、金屬導(dǎo)電理論經(jīng)典自由電子論1900年特魯?shù)?洛倫茲1.經(jīng)典自由電子理論（量子理論發(fā)展前）霍耳效應(yīng)當(dāng)金屬導(dǎo)體處于與電流方向相垂直的磁場(chǎng)內(nèi)時(shí)，則在模跨樣品的兩面產(chǎn)生一個(gè)與電流和磁場(chǎng)都垂直的電場(chǎng)，此現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。

表征霍耳場(chǎng)的物理參數(shù)：霍耳系數(shù)又因可得由式可見，霍爾系數(shù)只與金屬中的自由電子密度有關(guān)?；魻栃?yīng)證明了金屬中存在自由電子，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果對(duì)典型金屬相一致。電導(dǎo)率：經(jīng)典電子論的局限性

經(jīng)典電子論模型成功地說明了歐姆定律，導(dǎo)電與導(dǎo)熱的關(guān)系。但在說明以下問題遇到困難：實(shí)際測(cè)量的電子自由程比經(jīng)典理論估計(jì)值大許多；電子比熱容測(cè)量值只是經(jīng)典理論值的百分之一；霍爾系數(shù)按經(jīng)典自由電子理論只能為負(fù)，但在某些金屬中發(fā)現(xiàn)有正值；無法解釋半導(dǎo)體，絕緣體導(dǎo)電性與金屬的巨大差異。這些都表明經(jīng)典電子論的不完善，其主要原因在于它機(jī)械地搬用經(jīng)典力學(xué)去處理微觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，因而不能正確反映微觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2.量子自由電子理論量子理論的一些法則

電子具有波、粒兩相性，運(yùn)動(dòng)著的電子作為物質(zhì)波，在一價(jià)金屬中，自由電子的動(dòng)能E等mv2/2.有電場(chǎng)時(shí)的E-K曲線量子自由電子理論的電阻率表達(dá)式lF為費(fèi)米面附近電子平均自由程；vF為費(fèi)米面附近電子平均運(yùn)動(dòng)速度。3.能帶理論由于周期勢(shì)場(chǎng)的存在，自由電子的能級(jí)發(fā)生分裂，出現(xiàn)允帶和禁帶。周期場(chǎng)中電子運(yùn)動(dòng)的E-K曲線及能帶電阻率nef為單位體積內(nèi)實(shí)際參與傳導(dǎo)過程的電子數(shù)，稱為有效自由電子數(shù)。不同材料nef不同。一價(jià)金屬的nef比二、三價(jià)金屬多，因此它們的導(dǎo)電性較好。m*表示電子的有效質(zhì)量，它是考慮晶體點(diǎn)陣對(duì)電場(chǎng)作用的結(jié)果。μ為散射系數(shù)，μ＝1/l當(dāng)電子波通過理想晶體點(diǎn)陣(0K)時(shí),不受散射；只有晶體在點(diǎn)陣完整性遭到破壞的地方，電子波受到散射，這就是金屬產(chǎn)生電阻的根本原因。若金屬中含有少量雜質(zhì)，雜質(zhì)原子使金屬正常的結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，對(duì)電子波引起額外散射。此時(shí)散射系數(shù)與溫度成正比與雜質(zhì)濃度成正比與溫度無關(guān)此時(shí)，總電阻包括金屬的基本電阻和溶質(zhì)濃度引起的電阻。電阻率遵循馬西森定律：當(dāng)處于高溫時(shí)，金屬電阻主要由ρ(T)主導(dǎo)；在低溫時(shí)，ρ′是主要的。在極低溫度下（4.2K)測(cè)得的金屬電阻率稱為金屬剩余電阻率，可作為衡量金屬純度的重要指標(biāo)。ρ(T)與溫度有關(guān)的電阻率ρ′與雜質(zhì)濃度、點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)有關(guān)電子類載流子導(dǎo)電——金屬導(dǎo)電性

主要以電子、空穴作為載流子導(dǎo)電的材料，可以是金屬或半導(dǎo)體。導(dǎo)電機(jī)制 由經(jīng)典自由電子理論得到：

由能帶理論得到：為考慮晶體點(diǎn)陣對(duì)電場(chǎng)作用后電子的有效質(zhì)量為Fermi面附近電子的平均自由程《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能

當(dāng)電子波通過完整晶體點(diǎn)陣時(shí)(0K)，將不受散射，電阻為0；為無窮大；在晶體點(diǎn)陣完整性遭到破壞的地方，電子才受到散射，形成金屬的電阻?？啥x為散射系數(shù)，記為因此電阻率為與溫度成正比；雜質(zhì)原子使晶體點(diǎn)陣的周期性破壞，增加散射系數(shù)的值；《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能

散射系數(shù)可分成兩部分：因此，電阻率記為此即為Matthiessen定律?；倦娮?；金屬剩余電阻。根據(jù)Matthiessen定律可以測(cè)定金屬晶體的純度——電學(xué)純度。指標(biāo)為：《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能電阻率與溫度的關(guān)系

理想金屬在0K時(shí)電阻為0，當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻隨溫度單調(diào)增加；當(dāng)有雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷時(shí)，電阻與溫度的關(guān)系曲線發(fā)生變化。

金屬的電阻率隨溫度升高而增大。在不同溫度區(qū)間，電子散射的機(jī)制不同，因此電阻與溫度的關(guān)系不同。在低溫下，“電子－電子”散射對(duì)電阻的貢獻(xiàn)較為顯著；所有溫度條件下，大多數(shù)金屬的電阻都取決于“電子－聲子”散射?！恫牧衔锢硇阅堋贰牧系碾妼W(xué)性能

原子熱振動(dòng)在兩個(gè)溫度區(qū)域（以德拜溫度為臨界點(diǎn)）存在本質(zhì)差別。其電阻與溫度變化規(guī)律如下：根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)，溫度T時(shí)的電阻率可以展開為：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)，線性關(guān)系足夠正確：《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能式中，

為電阻溫度系數(shù)真電阻溫度系數(shù)則為：金屬熔化時(shí)電阻發(fā)生顯著變化：《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變時(shí)，電阻率也表現(xiàn)顯著變化：《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能電阻率與壓力的關(guān)系在流體靜壓力壓縮時(shí)，金屬原子間距縮小，內(nèi)部缺陷形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)、費(fèi)密能和能帶結(jié)構(gòu)都將發(fā)生變化，因而影響金屬的導(dǎo)電性能。在流體靜壓下，金屬的電阻率計(jì)算：按壓力對(duì)金屬導(dǎo)電性的影響，金屬分為：正常金屬：隨壓力增大，電阻率下降；反常金屬：隨壓力增大，電阻率上升； 大多為堿金屬和稀土金屬《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能高的可以使很多物質(zhì)由半導(dǎo)體、絕緣體變?yōu)榻饘伲骸恫牧衔锢硇阅堋贰牧系碾妼W(xué)性能冷加工和缺陷對(duì)電阻率的影響冷加工引起晶格畸變，增加電子散射幾率，導(dǎo)致金屬電阻率增加。冷加工金屬的電阻率可由Matthisessen定律表達(dá)：冷加工金屬退火后，電阻率可恢復(fù)《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能冷加工和缺陷對(duì)電阻率的影響冷加工引起晶格畸變，增加電子散射幾率，導(dǎo)致金屬電阻率增加。冷加工金屬的電阻率可由Matthisessen定律表達(dá)：冷加工金屬退火后，電阻率可恢復(fù)《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能電阻率的尺寸效應(yīng)導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制，

為Fermi面附近電子的平均自由程《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能電阻率的各向異性 對(duì)稱性高的金屬的電阻表現(xiàn)為各向同性；對(duì)稱性差的晶體，其導(dǎo)電性表現(xiàn)為各向異性?！恫牧衔锢硇阅堋贰牧系碾妼W(xué)性能固溶體的電阻率一般來說，固溶體形成時(shí)，晶格勢(shì)場(chǎng)的周期性被破壞，合金的導(dǎo)電性能降低。在連續(xù)固溶體中合金成分距組元越遠(yuǎn)，電阻率越高。鐵磁性及強(qiáng)順磁性金屬固溶體的電阻率變化有異常。低濃度固溶體電阻率也可由Matthiessen定律表示為：《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能化合物、中間相、多相合金的電阻率《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能

有序轉(zhuǎn)變時(shí)，電阻率也發(fā)生變化：《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能三、無機(jī)非金屬材料的導(dǎo)電機(jī)理

離子電導(dǎo)是帶電荷的離子載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。電荷載流子一定是材料中最易移動(dòng)的離子。

離子型晶體可分為兩類：《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能離子型晶體的導(dǎo)電機(jī)理第一類離子電導(dǎo)源于晶體點(diǎn)陣中基本離子的運(yùn)動(dòng)，稱為離子固有電導(dǎo)或本征電導(dǎo)。本征電導(dǎo)在高溫下為導(dǎo)電主要表現(xiàn)。這種離子隨著熱振動(dòng)的加劇而離開晶格陣點(diǎn)，形成熱缺陷。這種熱缺陷無論是離子或者空位均帶電，可作為載流子，參加導(dǎo)電。第二類離子電導(dǎo)是結(jié)合力比較弱的離子運(yùn)動(dòng)造成的，這些離子主要是雜質(zhì)離子，因而稱為雜質(zhì)電導(dǎo)。在低溫下，離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定。由雜質(zhì)引起的電導(dǎo)率可以用下式表示，即當(dāng)材料中存在多種載流子時(shí)，材料的總電導(dǎo)率是各種電導(dǎo)率的總和，可表示為：A、B為材料常數(shù)離子電導(dǎo)理論離子導(dǎo)電性可以認(rèn)為是離子電荷載流子在電場(chǎng)作用下，通過材料的長(zhǎng)距離的遷移。因此，電荷載流子一定是材料中最易移動(dòng)的離子?？紤]離子在一維平行于x方向上移動(dòng)，那么越過能壘V的幾率P為： 為與不可逆跳躍相關(guān)的適應(yīng)系數(shù)為離子在勢(shì)阱中振動(dòng)頻率。當(dāng)加上電場(chǎng)后，沿電場(chǎng)方向位壘降低，而反電場(chǎng)方向位壘將提高?！恫牧衔锢硇阅堋贰牧系碾妼W(xué)性能

如果勢(shì)阱之間距離為b，那么，向右的勢(shì)能降低：F是作用在離子價(jià)為z的離子上的電場(chǎng)力。因此，向右運(yùn)動(dòng)的幾率為：向左運(yùn)動(dòng)的幾率為：正的遷移次數(shù)多于負(fù)的，因此，在電場(chǎng)方向上存在一平均漂移速度：《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能

只要電場(chǎng)強(qiáng)度足夠低，那么在足夠強(qiáng)大的電場(chǎng)作用下，電流密度j為：代入P,并令《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能

電阻率為，經(jīng)驗(yàn)公式則為，《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能

《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能

由熱力學(xué)第二定律得根據(jù)此式，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定直流電導(dǎo)率得到的自由能變化研究過程的焓變和熵變?！恫牧衔锢硇阅堋贰牧系碾妼W(xué)性能離子電導(dǎo)與擴(kuò)散

離子的尺寸和質(zhì)量都比電子大很多，其運(yùn)動(dòng)方式是從一個(gè)平衡位置跳躍到另一平衡位置，因此，離子導(dǎo)電可以看成是離子在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散現(xiàn)象。 載流子離子濃度梯度所形成的電流密度為：當(dāng)存在電場(chǎng)E作用時(shí)，其產(chǎn)生的電流密度可用歐姆定律的微分形式表示為：總電流密度則為：《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能根據(jù)波爾茲曼分布，在存在電場(chǎng)時(shí)則濃度表示為因此，濃度梯度為，在熱平衡下，可以認(rèn)為，因此，可得到，此式即為能斯特——愛因斯坦方程，建立了離子電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散系數(shù)D之間的關(guān)系?！恫牧衔锢硇阅堋贰牧系碾妼W(xué)性能能斯脫－愛因斯坦方程：其中，D為擴(kuò)散系數(shù)；n為載流子單位體積濃度；q為離子電荷電量。離子導(dǎo)電是離子在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散現(xiàn)象，其擴(kuò)散路徑暢通，離子擴(kuò)散系數(shù)就高，導(dǎo)電率也就高。根據(jù)σ＝nqμ可得μ為離子遷移率；B為離子絕對(duì)遷移率，B＝μ/q離子電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散系數(shù)間建立聯(lián)系離子導(dǎo)電的影響因素溫度的影響 溫度以指數(shù)形式影響其電導(dǎo)率。隨著溫度從低溫向高溫增加，其電阻率的對(duì)數(shù)的斜率出現(xiàn)拐點(diǎn)，將整個(gè)區(qū)間分為高溫區(qū)的本征導(dǎo)電，低溫區(qū)的雜質(zhì)導(dǎo)電。《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)的影響離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)離子導(dǎo)電的影響是通過改變導(dǎo)電激活能實(shí)現(xiàn)的。熔點(diǎn)高的晶體，結(jié)合力大，相應(yīng)的導(dǎo)電激活能也高，電導(dǎo)率就低；晶體結(jié)構(gòu)的影響是提供利于離子移動(dòng)的通路?！恫牧衔锢硇阅堋贰牧系碾妼W(xué)性能點(diǎn)缺陷的影響

由于熱激活，在晶體中產(chǎn)生Shottky缺陷或Frenkel缺陷，影響晶體中的擴(kuò)散系數(shù)，以至影響到固體電解質(zhì)的電導(dǎo)率。此外，環(huán)境氣氛變化，使離子型晶體的正負(fù)離子化學(xué)計(jì)量比發(fā)生變化，而生成晶格缺陷。如ZrO2中，氧的脫離形成氧空位?！恫牧衔锢硇阅堋贰牧系碾妼W(xué)性能快離子導(dǎo)體(FIC)具有離子導(dǎo)電的固體物質(zhì)稱為固體電解質(zhì)。快離子導(dǎo)體——電導(dǎo)率比正常離子化合物的電導(dǎo)率高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)的固體電解質(zhì)。常見的快離子導(dǎo)體分為三組：銀和銅的鹵族和硫族化合物——金屬原子在這些化合物中鍵合位置相對(duì)隨意；具有

-氧化鋁結(jié)構(gòu)的高遷移率的單價(jià)陽離子氧化物；具有氟化鈣結(jié)構(gòu)的高濃度缺陷氧化物；《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能

快離子導(dǎo)體的電導(dǎo)率：《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能快離子導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特征：晶體結(jié)構(gòu)的主體是由一類占有特定位置的離子構(gòu)成；具有大量的空位，這些空位數(shù)量遠(yuǎn)膏腴可移動(dòng)的離子數(shù)；亞晶格點(diǎn)陣之間具有近乎相等的能量和相對(duì)低的激活能；在點(diǎn)陣間總是存在通路，以至于沿著有利的路徑可以平移。

《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能（二）玻璃的導(dǎo)電機(jī)理第二節(jié)半導(dǎo)體的電學(xué)性能

一.本征半導(dǎo)體在絕對(duì)零度和無外界影響的條件下，半導(dǎo)體的空帶中無運(yùn)動(dòng)的電子。但當(dāng)溫度升高或受光照射時(shí)，也就是半導(dǎo)體受到熱激發(fā)時(shí)，共價(jià)鍵中的價(jià)電子由于從外界獲得了能量，其中部分獲得了足夠大能量的價(jià)電子就可以掙脫束縛，離開原子而成為自由電子。本征半導(dǎo)體就是指純凈的無結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶。半導(dǎo)體硅Thebasicbondrepresentationofintrinsicsilicon.AbrokenbondatPositionA,resultinginaconductionelectron

andahole.

（一）本征載流子濃度（二）本征半導(dǎo)體載流子遷移率在漂移過程中，載流子不斷地互相碰撞，使得大量載流子定向漂移運(yùn)動(dòng)的平均速度為一個(gè)恒定值，并與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比。自由電子和空穴的定向平均漂移速度分別為遷移率

（三）本征半導(dǎo)體的電阻率/電導(dǎo)率本征半導(dǎo)體在電場(chǎng)E作用下，空穴載流子將沿E方向作定向漂移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生空穴電流ip；自由電子將逆電場(chǎng)方向作定向漂移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電子電流in

。總電流密度J為：本征半導(dǎo)體的電阻率：本征電導(dǎo)率：1)本征激發(fā)成對(duì)產(chǎn)生自由電子和空穴，自由電子濃度與空穴濃度相等；2)禁帶寬度Eg越大，載流子濃度ni越小；3)溫度升高時(shí)載流子濃度ni增大。4)載流子濃度ni

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。本征半導(dǎo)體的電學(xué)特性二.雜質(zhì)半導(dǎo)體（一）n型半導(dǎo)體

雜質(zhì)原子電子成為導(dǎo)電電子所需能量10-2ev硅原子電子成為導(dǎo)電電子所需能量常溫下，每個(gè)摻入的五價(jià)元素原子的多余價(jià)電子都可以進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子，因而導(dǎo)帶中的自由電子數(shù)比本征半導(dǎo)體顯著地增多。n型半導(dǎo)體的電流密度：（二）p型半導(dǎo)體

摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（硼，鋁，鎵，銦）后，三價(jià)元素原子只有三個(gè)價(jià)電子，當(dāng)其取代點(diǎn)陣中的硅原子并與周圍的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，必然缺少一個(gè)價(jià)電子，形成一個(gè)空位置。雜質(zhì)原子接受的電子能量高于價(jià)帶頂部能量，但十分接近價(jià)帶。Ea是電子從價(jià)帶跳到雜質(zhì)原子能級(jí)所需能量，稱為受主能級(jí)；三價(jià)元素原子為受主雜質(zhì)。在常溫下，處于價(jià)帶中的價(jià)電子都可以進(jìn)入受主能級(jí)。所以每一個(gè)三價(jià)雜質(zhì)元素的原子都能接受一個(gè)價(jià)電子，而在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)空穴。P型半導(dǎo)體的電阻率為：式中，NA為受主雜質(zhì)濃度

雜質(zhì)半導(dǎo)體特性1)摻雜濃度與原子密度相比雖很微小，但是卻能使載流子濃度極大地提高，因而導(dǎo)電能力也顯著地增強(qiáng)。摻雜濃度愈大，其導(dǎo)電能力也愈強(qiáng)。2)摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多子導(dǎo)電。當(dāng)摻入五價(jià)元素(施主雜質(zhì))時(shí)，主要靠自由電子導(dǎo)電；當(dāng)摻入三價(jià)元素(受主雜質(zhì))時(shí)，主要靠空穴導(dǎo)電。

半導(dǎo)體材料及應(yīng)用 《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能少數(shù)載流子的行為在熱平衡條件下，給定半導(dǎo)體中的電子和空穴共存，其數(shù)量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)受到能量大于帶隙的光子的輻照時(shí)，價(jià)帶的電子吸收光子能量躍遷至導(dǎo)帶，而在價(jià)帶產(chǎn)生空穴，其數(shù)量均超過熱平衡，出現(xiàn)過剩載流子。當(dāng)外界條件消除后。導(dǎo)帶中過剩載流子逐漸回到價(jià)帶中，即發(fā)生復(fù)合。一般來說，過剩載流子的濃度按指數(shù)規(guī)律衰減：《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能復(fù)合幾率P為：過剩少子的復(fù)合方式：直接復(fù)合：間接復(fù)合：經(jīng)過復(fù)合中心實(shí)現(xiàn)；由雜質(zhì)和缺陷充當(dāng)復(fù)合中心。雜質(zhì)和缺陷還能起陷阱作用，延長(zhǎng)過剩載流子壽命?！恫牧衔锢硇阅堋贰牧系碾妼W(xué)性能半導(dǎo)體接觸金屬－半導(dǎo)體結(jié)《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能P-N結(jié)

p型半導(dǎo)體與n半導(dǎo)體接觸，載流子發(fā)生擴(kuò)散?！恫牧衔锢硇阅堋贰牧系碾妼W(xué)性能

載流子發(fā)生擴(kuò)散，建立起一電場(chǎng)V0，使得擴(kuò)散過程達(dá)到平衡。接觸的pn結(jié)平衡的條件是：費(fèi)米能級(jí)達(dá)到一致。

V0的大小取決于帶隙的寬度、兩種半導(dǎo)體材料的濃度及材料的溫度。《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能材料的超導(dǎo)性超導(dǎo)特性1.完全抗磁性當(dāng)超導(dǎo)體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，只要周圍的外加磁場(chǎng)沒有強(qiáng)到破壞超導(dǎo)性的程度，超導(dǎo)體就會(huì)把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在超導(dǎo)體內(nèi)永遠(yuǎn)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。超導(dǎo)體的這種特殊性質(zhì)被稱為“邁斯納效應(yīng)”。★邁斯納效應(yīng)與零電阻現(xiàn)象是超導(dǎo)體的兩個(gè)基本特性，它們既互相獨(dú)立，又密切聯(lián)系。

超導(dǎo)特性2.超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)

溫度（TC）——超導(dǎo)體必須冷卻至某一臨界溫度以下才能保持其超導(dǎo)性。臨界電流密度（JC）——通過超導(dǎo)體的電流密度必須小于某一臨界電流密度才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。臨界磁場(chǎng)（HC）——施加給超導(dǎo)體的磁場(chǎng)必須小于某一臨界磁場(chǎng)才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。以上三個(gè)參數(shù)彼此關(guān)聯(lián)，其相互關(guān)系如右圖所示。

超導(dǎo)體分類目前已查明在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素金屬有32種（如右圖元素周期表中青色方框所示），而在高壓下或制成薄膜狀時(shí)具有超導(dǎo)電性的元素金屬有14種（如右圖元素周期表中綠色方框所示）。

第I類超導(dǎo)體第I類超導(dǎo)體主要包括一些在常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等，該類超導(dǎo)體的溶點(diǎn)較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作“軟超導(dǎo)體”。其特征是由正常態(tài)過渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)沒有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。第I類超導(dǎo)體由于其臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)較低，因而沒有很好的實(shí)用價(jià)值。超導(dǎo)體分類超導(dǎo)體分類第II類超導(dǎo)體除金屬元素釩、锝和鈮外，第II類超導(dǎo)體主要包括金屬化合物及其合金。第II類超導(dǎo)體和第I類超導(dǎo)體的區(qū)別主要在于：第II類超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)有一個(gè)中間態(tài)（混合態(tài)）第II類超導(dǎo)體的混合態(tài)中有磁通線存在，而第I類超導(dǎo)體沒有；第II類超導(dǎo)體比第I類超導(dǎo)體有更好的實(shí)用價(jià)值第II類超導(dǎo)體根據(jù)其是否具有磁通釘扎中心而分為理想第II類超導(dǎo)體和非理想第II類超導(dǎo)體。理想第II類超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)比較完整，不存在磁通釘扎中心，并且當(dāng)磁通線均勻排列時(shí)，在磁通線周圍的渦旋電流將彼此抵消，其體內(nèi)無電流通過，從而不具有高臨界電流密度。非理想第II類超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷，并且存在磁通釘扎中心，其體內(nèi)的磁通線排列不均勻，體內(nèi)各處的渦旋電流不能完全抵消，出現(xiàn)體內(nèi)電流，從而具有高臨界電流密度。在實(shí)際上，真正適合于實(shí)際應(yīng)用的超導(dǎo)材料是非理想第II類超導(dǎo)體。超導(dǎo)體分類超導(dǎo)體

大多數(shù)高純金屬冷至接近0K時(shí)，其電阻漸漸降低而趨于一個(gè)較小的極限值。但有少數(shù)材料降至一個(gè)很低的溫度時(shí)其電阻突降并趨近于零，這種材料就叫做超導(dǎo)體，此溫度就稱為臨界溫度Tc。約瑟夫遜器件約瑟夫遜器件的I/V特性依照超導(dǎo)體對(duì)磁場(chǎng)的反應(yīng)，可將其分為兩種類型。Ⅰ類超導(dǎo)體在超導(dǎo)狀態(tài)下是抗磁性的，即不被外界磁場(chǎng)磁化。但是在低于臨界溫度Tc時(shí)外磁場(chǎng)大于臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc后，材料由超導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌?dǎo)狀態(tài)，磁力線也由繞過物體到穿過物體。Ⅱ類超導(dǎo)體則在磁場(chǎng)大于HC1后開始能被磁力線穿越，到HC2后則處于常到狀態(tài)，能完全被磁力先穿越。這類超導(dǎo)材料由于有較高的Tc，故更有實(shí)用意義一些。目前，以Nb合金為主，特別是Nb3Sn。

近年來，研究工作者發(fā)現(xiàn)，原來是絕緣體的某幾種陶瓷材料在較低的溫度下竟然成了導(dǎo)體，而且它們的臨界溫度Tc還高于普通的超導(dǎo)體，這類陶瓷就被稱為高溫超導(dǎo)體。如Yba2Cu3O7的Tc在90K左右。高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)極大地鼓舞了超導(dǎo)體的應(yīng)用研究，可以期望不久的將來高溫超導(dǎo)的實(shí)際應(yīng)用會(huì)愈加廣泛。下表中也列出了主要的高溫超導(dǎo)材料的參數(shù)。幾種常見超導(dǎo)體的臨界溫度和臨界磁感應(yīng)強(qiáng)度材料臨界溫度TC(K)臨界磁感應(yīng)強(qiáng)度BC（特斯拉）Sn3.720.0305Pb7.190.0803Nb-Zr合金10.811Nb-Ti合金10.212Nb3Sn18.322Yba2Cu3O792…Bi2Sr2Ca2Cu3O10110…對(duì)于一種超導(dǎo)材料，當(dāng)它處于一個(gè)低于臨界溫度Tc的溫度T時(shí)，其臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc(T)與溫度有關(guān)，具體關(guān)系如下：Hc(0)是0K時(shí)的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度。目前，超導(dǎo)材料已開始用于一些儀器設(shè)備上，作為低功耗的強(qiáng)磁體器件，如醫(yī)療用磁共振圖象儀等。此外，利用超導(dǎo)材料可在超導(dǎo)體電機(jī)、磁懸浮列車等方面應(yīng)用。1、超導(dǎo)特性:1.完全抗磁性在超導(dǎo)體內(nèi)永遠(yuǎn)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度為零邁斯納效應(yīng)與零電阻現(xiàn)象是超導(dǎo)體的兩個(gè)基本特性2.超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)溫度（TC），臨界電流密度（JC）,臨界磁場(chǎng)（HC）.3、超導(dǎo)體分類:第I類超導(dǎo)體主要包括一些在常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬,亦被稱作“軟超導(dǎo)體”第I類超導(dǎo)體由于其臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)較低，因而沒有很好的實(shí)用價(jià)值。第II類超導(dǎo)體根據(jù)其是否具有磁通釘扎中心而分為理想第II類超導(dǎo)體和非理想第II類超導(dǎo)體,理想第II類超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)比較完整,非理想第II類超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷，實(shí)際應(yīng)用的超導(dǎo)材料是非理想第II類超導(dǎo)體。4、高溫超導(dǎo)體。如Yba2Cu3O7的Tc在90K左右。第三節(jié)絕緣體的電學(xué)性能絕緣體是指不善于傳導(dǎo)電流的物質(zhì)，又稱為電介質(zhì)。它們的電阻率極高。評(píng)價(jià)絕緣材料的主要電學(xué)性能指標(biāo)：(1)介電常數(shù)，(2)耐電強(qiáng)度，(3)損耗因數(shù)，(4)體電阻率和表面電阻率，其中前三項(xiàng)屬介電性，后者屬于導(dǎo)電性。材料電性能測(cè)量及應(yīng)用材料電性能測(cè)量

電阻的測(cè)量方法很多，一般都是根據(jù)測(cè)量的需要利具體的測(cè)試條件來選擇不同的測(cè)試方法。按測(cè)量的范圍或測(cè)量的準(zhǔn)確度要求來分類：對(duì)107

以上較大的電阻(俗稱高阻)，如材料的絕緣電阻的測(cè)量，粗測(cè)時(shí)，可選用兆歐表(俗稱搖表)；要求精測(cè)時(shí)，可選用沖擊檢流計(jì)測(cè)量。102～106

的中值電阻測(cè)量時(shí)，可選用萬用表

擋、數(shù)字式歐姆表或伏安法測(cè)量，精測(cè)時(shí)可選用單電橋法測(cè)量；10-6～102

的電阻的測(cè)量，如金屬及其合金電阻的測(cè)量，必須采用較精確的測(cè)量，可選用雙電橋法或直流電位差計(jì)法測(cè)量；對(duì)半導(dǎo)體材料電阻的測(cè)量用直流四探針法。《材料物理性能》——材料的電學(xué)性能導(dǎo)體電阻率測(cè)量因?yàn)榻饘偌昂辖鸬碾娮杪室话愣己苄?，即使再紉再長(zhǎng)的試樣電阻也不會(huì)超過106

，故可采用單電橋法測(cè)量。