第一章电学性能2014

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1、于晓东 Tel: 68912712 13683146001 Email: mse.bit,材料物理性能,绪论,（一）材料性能的定义 材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的行为的参量。,1、有多少行为，就对应地有多少性能。,2、外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。,3、性能必须量化，多数的性能都有量纲。,（二）材料性能研究的重要性,1.材料性能的研究，贯穿于整个人类的文明史。,人类使用的材料，决定了人类的文明程度，实质上，这里谈的主要是材料的性能。,绝缘基板材料,2.材料性能决定了材料用途,1)具有一定的强度，以便能够承载起安装在其上的集成电路元件及布在其上的电路线； 2)要有均匀

2、而平滑的表面，以便进行穿孔、开槽等精密加工，从而能够构成细微而精密的图形； 3)应有优良的绝缘性能(尤其是在高频下)； 4)要有充分的导热性，以迅速散发电路上因电流产生的热； 5)硅与基片的热膨胀系数之差应较小，从而保证基片与电路间良好的匹配性，电路与基片就不会剥离。,如：根据n=2dsin，利用晶体对X-ray的衍射图象，就可以推知晶体中面网间距d，进而就可以分析晶体的结构。结构决定了性能，而性能则是内部结构某些方面的体现。,3. 材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构。,4. 对材料性能的要求决定材料生产的工艺过程。,成本,质量,用途,（三）材料性能的划分,物理性能（ 热学性能、声学性能

3、、光学性能、电学性能、磁学性能、辐照性能）,力学性能（ 强度、 延性、 韧性、 刚性）,化学性能（抗氧化性、耐腐蚀性、抗渗入性）,复杂性能（复合性能、工艺性能、使用性能）,（四）材料性能研究目的,（1）材料开发的出发点，也是其重要归属。,（3）决定了材料生产工艺。,（2）有助于研究材料的内部结构。,（五）材料性能研究注意问题,1、现象与本质 同一材料不同性能只是相同的内部结构，在不同的外界条件下所表现出的不同行为。 这也说明，不同的外界条件下，材料的性能是不同的，即一种材料有多种性能。 2、材料性能的划分只是为了学习和研究的方便。 要注意材料间的各种性能既有区别，又有联系。 3、研究材料性能，

4、要注意性能的复合与转换。 4、研究材料性能，要注意性能的发展与改造。,（六）材料性能研究方法,(1) 经验方法 在大量占有实验数据的基础上，对数据的分析处理，整理为经验方程，用以表示它们的函数关系。 (2) 理论方法 从机理着手，即从反映本质的基本关系(如原子间的相互作用、点阵的波形方程等)出发，按照性能的有关规律、建立物理模型，用数学方法求解，得到有关理论方程式。,第一章 材料的电性能,1.1 引言 1.2 电子类载流子导电 1.3 离子类载流子导电 1.4 半导体 1.5 超导体 1.6 电导功能材料 1.7 电性能测量及其应用举例,1.1 引 言,载流子：电荷的载体。可以是电子、空穴、正

5、离子、 负离子 电导率：当施加的电场产生电流时，电流密度J正比于电场强度E，其比例常数即为电导率。 J= E = JE 电阻率：与材料本质有关，表征材料导电性能的重要参数。 =1/ R= L/S,相对电导率ICAS：国际标准软铜电导率作为100%。 （20 时，=0.01724mm2/m,导 体 半导体 绝缘体,10-2m,1010m,Ag ： 1.46X10-8m,Resistivities of Real Materials,1.2 电子类载流子导电,1.2.1 金属导电机制 （1）传导电子论 （2）量子自由电子论 （3）能带理论,（1）经典自由电子理论,“电子气”,n：单位体积内自由电子

6、数 l：电子平均自由程 v：电子运动平均速度 t：电子两次碰撞之间的平均时间,缺陷： 1、一价金属导电性好于二、三价金属。 2、电子平均自由程不准。实际测量的电子平均自由程比经典理论估计的大许多。 3、超导现象无法解释。 4、解释不了霍尔系数“反常”现象。,成功地计算出金属电导率以及电导率和热导率的关系。,置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势差，这种现象称霍尔效应。,霍尔效应(G.Hall,1897),霍尔系数（又称霍尔常数），它表示霍尔效应的强弱。,电子电导的特征是具有霍尔效应。,Jx,B0,Ey,霍尔效应(G.H

7、all,1897),Jx,B0,Au：-0.7210-10m3C-1,正常金属,Zn：0.3010-10m3C-1,反常金属,量子自由电子学说利用薛定谔方程求解自由电子的运动波函数，计算自由电子的能量，也称为Fermi-Sommerfel电子理论。 特点： 同意经典自由电子学说认为价电子是完全自由的，但认为自由电子的行为不服从Maxwell-Boltzmann定律，而是服从Fermi-Dirac的量子统计规律。,金属原子聚集成晶体时，其价电子脱离相应原子的束缚，在金属晶体中自由运动，故称为自由电子，并且认为它们的行为如理想气体一样，服从经典的Maxwell-Boltzmann统计规律。,（2）

8、量子自由电子理论,基本假定： 正离子形成均匀电场，价电子与离子间无相互作用 。 内层电子保持单原子时能量状态 价电子按量子化规律具有不同能量状态，即具有不同能级。,单位体积内实际参与导电的电子数，有效自由电子数,电子有效质量,散射系数，=1/l,适用：低浓度金属固溶体,马西森定律（1860年） 金属的总电阻由两部分组成：一部分是基本电阻（与温度有关），另一部分是溶质（杂质）浓度引起的电阻（与温度无关）即 =L（T） 可采用极低温度下的金属剩余电阻率4.2K 或相对电阻率300K / 4.2K作为衡量金属纯度的重要指标。,（3）能带理论,能带：由于能级间隙很小，能级分布是准连续的，分为 禁带和允

9、带。,假设： 价电子公有化， 能级量子化， 周期势场,用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论。,金属、绝缘体、半导体的能带示意图,金属,绝缘体,半导体,1.2.2 电阻率与温度的关系,1.T图 金属的温度越高，电阻也越大。 电阻和温度的关系： t0（1+T） 一般在温度高于室温情况下，对大多数金属是适用的。,事实上，金属电阻率在不同温度范围与温度变化的关系是不同的。一般可分为分三段： a、电阻率正比于温度 b、电阻率与温度成五次方关系 c、电阻率与温度成平方关系,c,2 T关系反常现象,（1）熔化时的T反常,金属熔化时，一般电阻增高1.52倍。 熔化时金属原子的规则排列遭到破坏，增加了对电子的

10、散射，电阻增加。,熔化时电阻反而下降 熔化时化学键由共价结合转为金属键结合使电阻率下降(Sb)。,（2）铁磁性金属发生铁磁转变时（居里点附近） TTc时 偏离线性，反常降低量与自发磁化强度Ms平方成反比，即 Ms2,1.2.3 电阻率与压力的关系,p=0(1+p) 0：真空电阻率， p：压力， ：压力系数（-10-510-6）,1 一般规律,在流体静压力压缩时，大多数金属的电阻率下降。,2 关系分类,正常金属：p，。如Fe、Co、Ni、Pt、Cu等。,反常金属： p， 。如碱金属、稀土金属等。,3 导电性转变,表1 某些半导体和电介质转变为金属态所要的临界压力,很大的压力使物质由半导体和绝缘体

11、变为导体，甚至超导体。,1.2.4 冷加工和缺陷对电阻率的影响,1 冷加工对电阻率的影响,2 形成原因,引起金属晶格畸变，从而增加电子散射几率。 引起金属晶体原子间键合的改变，使原子间距发生改变。,冷加工一般引起金属电阻率增加，这是因为,特例： 镍-铬 镍-铜-锌 铁-铬-铝,剩余电阻率,当温度降到0K时，未经冷加工变形的纯金属电阻率趋于零。 冷加工的金属在任何温度下都保留有高于退火态金属的电阻率。在0K时，冷加工金属仍保留某一极限电阻，称为剩余电阻率。,根据马西森定律，冷加工金属的电阻率, m ：与温度有关的退火金属电阻率 ：剩余电阻率,与温度无关，所以与冷加工程度无关。, /比值随温度降低

12、而增高。,3 消除方法,冷加工变形铁的电阻在退火时的变化 1-=99.8%；2-=97.8%；3-=93.5%；4-=80%；5-=44%,退火：可使电阻恢复到冷加工前金属的电阻值。,4 缺陷对电阻率的影响,研究晶体缺陷对电阻率的影响 评估单晶体结构完整性； 研制具有一定电阻值的金属 （半导体单晶体的电阻值就是依据这个原则人为控制的）,空位、间隙原子以及它们的组合、位错等晶体缺陷使金属电阻率增加，根据马西森定律，在极低温度下，纯金属电阻率主要由其内部缺陷决定。,（2）空位和间隙原子对剩余电阻率的影响与杂质原子的影响相似，同一数量级。,（1）点缺陷引起的剩余电阻率的变化线缺陷的影响,(3)当形变

13、量不大时，位错引起的电阻率变化位错与位错密度N位错之间呈线性关系 位错=c N位错 铁：10-18，钼：5.010-16，钨：6.710-17,一般金属在变形量为8%时，位错密度为105108/cm2，位错影响电阻率增加值很小（10-11 10-8 cm ）。,当退火温度接近再结晶温度时，位错对电阻的影响可忽略不计。,1. 2. 5固溶体的电阻率,1. 形成固溶体时电阻率的变化 （1）形成固溶体合金导电性能电阻率,图58 Ag-Cu合金电阻率与成分的关系,第三，合金化常常影响弹性常数，因而点阵振动的声子谱也要改变，这些因素都要反映到电阻上来。,合金化对电阻的影响：,首先，杂质是对除声子扰动外所

14、有其他方面都完善的理想晶体局部的破坏；,其次，合金化对能带结构起作用，其影响往往是金属电阻的参数；,+ 为剩余电阻率 C C是杂质原子含量， 1%原子杂质引起的附加电阻率 偏离值，与温度和杂质浓度有关，随溶质浓度增加，偏离严重。无圆满解释。,（2）低浓度固溶体电阻率：,（3）诺伯里-林德法则： 除过渡族金属外，在同一溶剂中溶入1%原子溶质金属所引起的电阻率增加，由溶剂和溶质金属的价数而定，它们的价数差愈大，增加的电阻率愈大。 +（ ）2 、为常数， 为低浓度合金溶剂和溶质间的价数差,2.有序合金电阻率 组元化学作用电子结合加强导电电子数 剩余电阻率 晶体离子势场对称性电子散射几率 剩余电阻率

15、当合金有序化时，电阻率降低。,3.不均匀固溶体（状态）电阻率,合金元素中含有过渡族金属的合金，在回火过程中合金的电阻率反常升高；冷加工时合金的电阻率明显降低。,托马斯发现：,状态：不均匀固溶体,X射线与电子显微镜分析表明该固溶体为单相组织，但固溶体中原子间距的大小显著地波动，其波动正是组元原子在晶体中不均匀分布的结果，所以称“不均匀固溶体”，又称“K 状态”。K状态是“相内分解”的结果，它不析出任何具有自己固有点阵的晶体。,当形成不均匀固溶体时，在固溶体点阵中只形成原子的聚集，包含有大约1000个原子，即区域几何尺寸大致与电子自由程相当，故明显增加电子散射几率，提高了合金的电阻率。 当回火温度

16、超过一定值时，反常升高的电阻率又开始消失。因为原子集聚在高温下消散。,冷加工促使不均匀组织破坏，获得普通无序固溶体，因此，合金电阻率明显降低。,1-800水淬+400回火；2，3-形变+400回火,1.3离子类载流子导电 （自学）,1.4 半导体的电学性能,6eV,0.08eV,1.1eV,0.72eV,绝缘体,半导体,导体,锗比硅容易提纯，所以最初发明的半导体三极管是锗制成的。但是，锗的禁带宽度（0.67eV）只有硅的禁带宽度（1.11eV）的大约一半，所以硅的电阻率比锗大，而且在较宽的禁带中能够更加有效地设置杂质能级，所以后来硅半导体逐渐取代了锗半导体。硅取代锗的另一个主要原因是在硅的表面能够形成一层极薄的Si