《材料物理性能03.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料物理性能03.（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 第二章 材料的电学性能 主要指导电性能！ 2.1 概述 电荷的定向移动形成电流 承载电荷的载体称为“载流子” 电子、空穴、正离子、负离子、离子空位 迁移数（输运数）：表征某种载流子对总电导的 贡献 2 2.1 概述 离子导体：离子迁移数大于0.99 混合导体：非离子导体 电导率(electrical conductivity) 表征材料导电性的大小。 电阻率与电导率的关系 单位：S. m-1, （.m）-1 （.cm）-1 3 2.1 概述 材料电阻率 .m 电导率 S. m-1 超导体 导体 半导体 绝缘体 0 10-8-10-5 10-5-107 107-1018 105-108 10
2、-7-105 10-18-10-7 根据电导率对材料的分类 相对电导率（IACS）： 与标准软（纯）铜的电导率之比 20，1.72410-8 .m； 5.8107S.m-1 4 2.1.2 材料导电性的微观机理 电荷的定向移动形成电流 假设材料中的一种载流子电量为q，数量密 度为n,在电场E的作用下运动，形成电流 在电场作用下，载流子受到电场力的作用，沿 电场力的方向产生加速度，产生定向运动。 定向运动速度不能一直增加 要受到晶格、其他电子的碰撞而丧失定向移动 速度。因此有一个平均速度漂移速度v 5 2.1.2 材料导电性的微观机理 6 2.1.2 材料导电性的微观机理 回想前面讲过的量子自由
3、电子理论 EF 0 KT K 费米面和热激发 电子受到电场的作用 力，电子速度增加！ 意味着电子能量增加 ！ 只有费米面附近的电 子的能量能够增加！ 7 2.1.2 材料导电性的微观机理 能带理论对导电机理的解释是基于费 米面对称性变化的角度本质与上面 的解释一样，把书翻到52页！ 8 2.2金属材料的导电性 2.2.1 金属材料导电性的典型实验规律 马提申规则 基本电阻，由杂质浓度、点缺 陷、位错等引起，与温度无关 由晶格振动引起，与温度关系很大 剩余电阻液氦温度（4.2K）的电阻率 9 2.2.1 金属材料导电性的典型实验规律 另外有一些合金材料的电阻随温度的变化偏离马 提申规则。 合金元
4、素不仅影响残余电阻，也影响电阻随温度 的变化率！ 电阻率温度系数 10 2.2.1 金属材料导电性的典型实验规律 教材P55 11 2.2.2金属材料的导电性控制因素 其中能够对电导率产生影响的控制因素是平均自由程 电子波在理想晶体点阵里传播时，不受散射！ 晶体点阵遭到破坏的地方，电子波受到散射，对电流 产生阻碍电阻！ 温度（晶格振动）、晶体缺陷等 影响散射效果 影响电阻 12 2.2.3 温度对金属导电性的影响 温度增加，晶格振动加剧， 原子偏离平衡位置幅度加大 偏离理想晶格的程度加大 对电子的散射加强，电阻增加！ 13 2.2.4 合金元素与晶体缺陷对金属导电性 的影响 形成固溶体电阻升高
5、 原因：缺陷 固溶体有序化后 形成新相 新相晶体结构比固溶体有序电阻降低 导电电子数减小电阻增加 14 其他缺陷对电阻率的影响 冷加工，金属电阻率增大 原因：冷加工 塑性变形 晶格畸变（空位、位错等） 增加电子波的散射几率 电阻率随应变（变形率）的变化（Van Beuren 公式） 15 冷加工和缺陷对电阻率的影响 不同的缺陷对电阻率变化的影响不同 冷加工导致的范性变形、高能粒子辐照、 高温金属极速冷却产生大量缺陷增大 电阻率。 退火会减小上述原因导致的缺陷，减小电 阻率！ 16 薄膜材料或其他低维材料，当材料在某方向 的尺度小到一定程度时（导电电子的平均自 由程），随尺度的进一步减小，材料在
6、该方 向的电阻增加！ 由于金属晶体的晶体结构的各向异性会导致 能带结构变化电阻率各向异性。 多晶体金属一般电阻率各向同性。 17 磁性对导电性的影响 前面的讨论都没有考虑磁性对导电电子的 影响！ 但电子有自旋正自旋和反自旋 电子在移动过程中必然会受到磁场的影响 ！ 传导电子的晶体中运动，必然受到原子实 磁矩的影响！ 绝大多数金属原子实的磁矩都为零（材料 没有磁性），所以多数时候可以不考虑材 料磁性对电子导电的影响！ 18 磁性对导电性的影响 但对于组成金属的原子实有固有磁矩时，其磁 矩必然对传导电子的运动产生影响！ 例如：MoFe合金中的近藤效应（P64） 另外，金属中原子有固有磁矩的话，这种
7、磁矩 是随机排列还是有序排列，对传导电子的影响 显然不同！ 外界磁场能够影响原子固有磁矩的有序、无序 排列情况， 因此：外界磁场就能够影响这种材料的电阻！ 磁电阻效应！ 19 2.2.5合金电阻率检测的应用 有很多办法可以测量金属材料（包括合金） 的电阻率及其随外界环境（温度、压力等） 的变化。 如前所述，金属的电阻率与很多因素有关， 那么，反过来，我们可以通过测量金属材料 电阻率的变化来研究某些影响电阻变化的因 素！ 测量相变点、测量缺陷的浓度、分析金属淬 火、退回过程等。 20 2.3 半导体材料的导电性 满 带 带 隙 半导体 存在一系列满带，最上面的满 带称为价带；存在一系列空带 ，最
8、下面的空带称为导带。 外界能量（光照、热起伏）等 可以激发价带电子到导带，形 成电子空穴对，这个过程 称为半导体的本征跃迁 21 2.3 半导体材料的导电性 N(E) E k E 本征半导体所有载流子都由本征跃迁产生。 掺杂半导体（n型半导体，p型半导体） 22 2.3 半导体材料的导电性 23 2.3 半导体材料的导电性 导带底附近的电子和价带顶附近的空穴可以用简单的 有效质量 描述。 可以直接利用自由电子的能态密度公式写出导带底和 价带顶的能态密度 N(E) E N(E) k E 24 2.3半导体材料的导电性 迁移率 本征半导体中的热平衡载流子密度与导电性 半导体中费米能级位于禁带中间
9、25 2.3半导体材料的导电性 E E- E+ EF f(E ) 导带电子在导带各能级的分布几率 26 2.3半导体材料的导电性 价带中空穴的占据几率，就是为电子不占据的几率 ： 27 本征半导体中的热平衡载流子密度与导电性 引入有效能级密度 28 本征半导体中的热平衡载流子密度与导电性 本征半导体中，导带电子与价带空穴成对儿出现 本征半导体电导率随温度指数增加 29 掺杂半导体的载流子与导电性 施主：杂质在带隙中提供带有电子的能级 满带 导带 施主 T0T=0 N型 满带 导带 受主 T0T=0 P型 受主：杂质提供带隙中空的能级 30 掺杂半导体的载流子与导电性 设想在N型半导体中只含有一
10、种施主，能级位置为ED， 施主浓度为ND。在低温下，本征激发可以忽略，载流子 主要是由施主激发到导带的电子 满带 导带 施主 T0T=0 N型 31 掺杂半导体的载流子与导电性 低温时 高温时 32 掺杂半导体的载流子与导电性 同样可以得到对于受主浓度为NA的P型半导体中 低温时 高温时 33 掺杂半导体的载流子与导电性 一般情况下，掺杂半导体中的载流子，既有杂 质激发的导带电子或价带空穴，也有本征激发 的导带电子和价带空穴。 载 流 子 浓 度 本征 激发区 耗尽区 杂质 激发区 电 导 率 对于化合物半导体 ，除了所谓的杂质 掺杂外，还可以通 过形成原子空位的 生成，实现“掺杂” 34 2.3.3 半导体材料导电性的光效应 如果光子的能量大于禁带宽度。光照会使 价带电子激发到导带。产生非平衡载流 子。 非平衡载流子增加了材料中的载流子浓度 ，使其电导率增大！ 光辐照停止，非平衡载流子浓度逐渐降低 到零，回复到平衡态。 利用该性质，可以用来制造光探测器，（ 红外成像、夜视技术）
