固体物理复习资料整理ppt课件

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1、加工硬化，又称加工硬化，又称为应变硬化，是由于位硬化，是由于位错增增值所引起的，所以可以所引起的，所以可以产生加工硬化的生加工硬化的资料必需是位料必需是位错可以滑移的塑性可以滑移的塑性资料料 2.3 加加 工工 硬硬 化化 加工硬化主要是与金属和合金等塑性加工硬化主要是与金属和合金等塑性资料有关的概念。众所周知，金属的性能资料有关的概念。众所周知，金属的性能可以经过冷加工即在低温下使金属发生形可以经过冷加工即在低温下使金属发生形变的方法来改动。变的方法来改动。 图图2.19 加工硬化产生原理加工硬化产生原理 经过使金属发生塑性变形的方式，可经过使金属发生塑性变形的方式，可以使其屈服强度增高。这

2、就是所谓的加工以使其屈服强度增高。这就是所谓的加工硬化。硬化。 资料的屈服强度逐渐增高的同时，作资料的屈服强度逐渐增高的同时，作为资料塑性目的的延伸率逐渐降低。为资料塑性目的的延伸率逐渐降低。 普通情况下，未阅历冷加工的金属资普通情况下，未阅历冷加工的金属资料中的位错密度约为料中的位错密度约为106cm/cm3106cm/cm3。相对来说，。相对来说，这样的位错密度还是很小的。这样的位错密度还是很小的。 经过了冷加工的金属资料中的位错密经过了冷加工的金属资料中的位错密度可增殖至度可增殖至1012cm/cm3 1012cm/cm3 ，比初始的位错，比初始的位错密度大近百万倍。位错密度越大，位错之

3、密度大近百万倍。位错密度越大，位错之间的相互作用也越大，对位错进展滑移的间的相互作用也越大，对位错进展滑移的阻力也随之增大。这就是加工硬化的原理。阻力也随之增大。这就是加工硬化的原理。 加工硬化的原理加工硬化的原理Frank-Reed位错源位错源 图图2.20 位错增殖表示图位错增殖表示图 利用加工硬化，可以在获得所需的金属利用加工硬化，可以在获得所需的金属资料的外形的同时，提高资料的强度。尤其资料的外形的同时，提高资料的强度。尤其是对于那些不能采用各种热处置强化方法的是对于那些不能采用各种热处置强化方法的资料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、有色金属资料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、有色金属等，加工硬化

4、方法显得更加重要。等，加工硬化方法显得更加重要。 利用各种资料加工技术，如轧制、锻造、利用各种资料加工技术，如轧制、锻造、冲压、拉拔、挤压等等，都可以到达利用加冲压、拉拔、挤压等等，都可以到达利用加工硬化提高资料强度的目的。工硬化提高资料强度的目的。 经过冷加工处置，并不是一切的性能都经过冷加工处置，并不是一切的性能都可以得到改善，即虽然抗张强度、屈服强度可以得到改善，即虽然抗张强度、屈服强度和硬度有所添加，但是塑性和金属形变总的和硬度有所添加，但是塑性和金属形变总的能够性却下降了。此外，物理性能如导电率、能够性却下降了。此外，物理性能如导电率、密度等也都有所下降。密度等也都有所下降。 对于详

5、细的金属资料来说，冷加工量或对于详细的金属资料来说，冷加工量或塑性变形量有一个极限值。同时，也要思索塑性变形量有一个极限值。同时，也要思索资料电导率和抗腐蚀性的损失程度。资料电导率和抗腐蚀性的损失程度。 图2.21 冷加工或添加锌对铜的电导率和屈服强度的影响 陶瓷中也会有一些位错，所以也会出现很陶瓷中也会有一些位错，所以也会出现很小程度的加工硬化。但是，陶瓷通常很脆，在小程度的加工硬化。但是，陶瓷通常很脆，在低温时不能够发生明显的塑性变形，只需在高低温时不能够发生明显的塑性变形，只需在高温下才会有塑性变形。温下才会有塑性变形。 热弹性高分子资料在塑性变形时也会有硬热弹性高分子资料在塑性变形时也

6、会有硬化景象。但其缘由不是加工硬化，而是长链分化景象。但其缘由不是加工硬化，而是长链分子发生了重新陈列甚至晶化。子发生了重新陈列甚至晶化。 有时需求消除冷加工所产生的加工硬化。有时需求消除冷加工所产生的加工硬化。在这种情况下，可以对资料进展退火。在这种情况下，可以对资料进展退火。 退火后的资料既可以坚持冷加工后所得退火后的资料既可以坚持冷加工后所得到的准确尺寸和良好外表，又可以恢复资料到的准确尺寸和良好外表，又可以恢复资料的塑性。的塑性。 退火后的资料可以继续进展冷加工。这退火后的资料可以继续进展冷加工。这样将冷加工与退火相结合，可以使资料的最样将冷加工与退火相结合，可以使资料的最终变形到达一

7、个很大的值。终变形到达一个很大的值。 5.1概述115.2资料的导电性能 5.4半导体物理 5.3金属电导 5.5 超导物理 2个学时4个学时4个学时第5章 导电物理 2个学时10个学时125.2资料的导电性能 5.2.1 能带构造5.2.3 导电资料与电阻资料 5.2.4 其他资料的导电性能13资料的性能决议于：组成构造5.2.1 能带构造资料构造的类型聚集态构造气、液、固；固态中有晶态和非晶态。物相构造：混合物、晶态、非晶态显微构造：取向空间位置分布：多组分、多相资料的均匀性分子与晶体构造基团构造分子构造：相对分子量、相对分子质量分布、支化度、交联度晶体构造构型与构象电子构造14 从延续能

8、量分布的价电子在均匀势场中的运动，到不延续能量分布的价电子在均匀势场中的运动，再到不延续能量分布的价电子在周期性势场中的运动，分别是经典自在电子论、量子自在电子论、能带实际这三种分析资料导电性实际的主要特征。 5.2.1 能带构造 能带实际是在量子自在电子论的根底上，思索了离子所呵斥的周期性势场的存在，从而导出了电子的分布特点，并建立了禁带的概念。 15电子的运动形状的表征：5.2.1 能带构造粒子性与动摇性经典物理：形状用物理量描画。量子力学：形状用波函数描画。薛定谔方程Schrodinger在1926年建立了非相对论粒子的波函数随时间演化的方程。量子数n主，l角，m磁，ms自旋16原子的壳

9、层构造：5.2.1 能带构造1916年柯塞尔(W.Kossel)对多电子的原子系统提出了壳层构造学说：主量子数n一样的电子分布在同一壳层上。主量子数n一样而角量子数l不同的电子分布在不同的分壳层或支壳层上。l=0,1,2,3,4.如：n=3,l=0,1,2分别称为3s态,3p态,3d态主量子数n愈小其相应的能级愈低。在同一壳层中,角量子数l愈小,其相应的能级愈低。17多电子的原子系统中,核外电子在不同的壳层上的分布服从下面两条根本原理：1.泡利不相容原理一个原子系统内，不能有两个或两个以上电子具有完全一样的量子态(n,l,ml,ms)。利用泡利不相容原理可以计算各个壳层中能够占有的最多电子数。

10、5.2.1 能带构造电子的分布规律：18对给定的一个n,l=0,1,2,(n-1) , 共n个值；ml=0,1,2,l，共(2l+1)个值；共2个值;(2l+1)2=2n2所以各壳层能包容的最多电子数为n=1,2,3,4，5,KLMNO最多电子数：28183250.量子态数为5.2.1 能带构造19对给定的一个l(角)的分壳层,ml=0,1,2,l，共(2l+1)个值(磁)；共2个值;量子态数为2(2l+1)所以各分壳层能包容的最多电子数为l=0,1,2,3,4spdfg最多电子数：261014185.2.1 能带构造20电子在各壳层、分壳层的填充由左向右：n= 1 2 3 4 K L M N

11、 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p64d104f14 .2.能量最小原理原子系统处在正常形状时,每个电子总是尽能够占有最低的能级。5.2.1 能带构造21对于由大量原子结合而成,假设要研讨多原子中电子的运动,原那么上说,该当去解多原子、多电子系统的薛定谔方程。下面从泡利不相容原理出发来研讨能带的构成。1.电子的共有化固体中的原子陈列是很严密，因此各相邻原子的波函数(或者说外电子壳层)将发生重叠。因此，各相邻原子的外层电子，很难说是属于那个原子，而实践上是处于为各临近原子乃至整个固体所共有的形状。这种景象称之为电子的共有化。5.2.1 能带构造222.能带的构成设有N个原子

12、结合成固体，原来单个原子时处于1s能级的2N个电子如今属于整个原子系统(固体)所共有，根据泡利不相容原理，不能有两个或两个以上电子具有完全一样的量子态(n,l,ml,ms),因此就不能再占有一个能级，而是分裂为N个微有不同的分立能级。由于N是一个很大的数，这些分立能级相距很近，看起来几乎是延续的，从而构成一条有一定宽度E的能带。1s1s能带图5.1能带的构成23图 5.2 电子数量添加时能级扩展成能带 5.2.1 能带构造24能带的重叠景象：25能带类型：填满电子的能带称为满带。未填满电子的能带称为导带。没有电子填充的能带称为空带。显然空带也属导带。由价电子能级分裂而成的能带称为价带。在能带之

13、间没有能够量子态的能量区域叫禁带。5.2.1 能带构造26导带中的能级未被占满，一个电子在外力作用下向其它能级转移时，不一定有相反方向的转移来抵消，所以导带具有导电作用。图5.4由于满带中一切能级都被电子占满，因此一个电子在外力作用下向其它能级转移时，必然伴随着相反方向的转移来抵消，所以满带是不导电的。图5.3电子在能带中的填充和运动27从能带上看，半导体和绝缘体的能带没有本质区别：都具有填满电子的满带和隔离满带与空带的禁带。不同的是，半导体的禁带较窄，而绝缘体的禁带较宽。满带空带禁带(a)半导体的能带E=0.10.2eV满带空带禁带(b)绝缘体的能带E=36eVEE资料导电与能带特征28绝缘

14、体的禁带普通很宽,普通的热激发、光照或外加电场不是特别强时,满带中的电子很少能被激发到空带中去,所以绝缘体有较大的电阻率，导电性极差。半导体的禁带宽度较窄,在通常温度下,有较多的电子遭到热激发从满带进入空带,不但进入空带的电子具有导电性能,而且满带中留下的空穴也具有导电性能。所以半导体的导电性虽不及导体但却比绝缘体好得多。满带空带禁带(a)半导体的能带E=0.10.2eVE满带空带禁带(b)绝缘体的能带E=36eVE29满带导带(不空)禁带E满带空带E满带导带(不空)E空带导体的能带特点：都具有一个未被电子填满的能带。在外电场作用下,这些能带中的电子很容易从一个能级跃入另一个能级,从而构成电流

15、,所以导体显示出很强的导电才干。资料导电与能带特征30图 5.5 钠的能带构造 导带 禁带 资料导电与能带特征的详细实例31 由于钠只需1个3s电子，所以在3s价带上，只需一半的能级被电子所占据。自然，这些被电子占据的能级应该是能量较低的能级，而3s价带中能量较高的处于上方的能级很少有电子占据。当温度为绝对零度时，只需下面一半的能级被电子占据，上面一半的能级没有电子占据。能带中有一半的能级被电子占据的能级称为费密能级。而当温度大于绝对零度时，有一些电子获得了能量，跳到价带里的较高能级，而在相对应的较低的能级上失去了电子，产生了一样数量的空穴。资料导电与能带特征的详细实例32图 5.6 能带中电

16、子随温度升高而进展能级跃迁 绝对零度时,一切外层电子占据低的能级 温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级 资料导电与能带特征的详细实例33图 5.7 镁的能带构造 资料导电与能带特征的详细实例34 镁原子的核外电子构造为1s22s22p63s2。像镁这样的周期表A族元素的最外层3s轨道有2个电子，所以按理说它的3s能带就会被电子全部占满。 但是，由于固体镁的3p能带与3s能带有重叠，这种重叠使得电子可以激发到3s和3p的重叠能带里的高能级，所以镁具有导电性。 资料导电与能带特征的详细实例35 从钪到镍的过渡族金属中，未被电子充溢的3d能带和4s能带发生重叠。这种重叠使得电子可以被激发到高能

17、量的能级。能带之间的复杂的相互作用使得这些金属的导电性不够理想。但铜是一个例外。铜中的内层3d能带曾经被电子充溢，这些电子被原子紧紧束缚，不能与4s能带相互作用。由于铜中的3d能带和4s能带之间根本没有相互作用，所以铜的导电性非常好。银和金的情况与铜类似。 资料导电与能带特征的详细实例36 周期表A族元素，如碳、硅、锗、锡，在最外层p轨道有2个电子，化合价为4。根据前面的讨论，由于这些元素的p能带没有被电子充溢，似乎应该具有良好的导电性。但实践情况却不是这样。这些元素都是以共价键结合的，最外层的s能带电子和p能带电子都被原子紧紧束缚。共价键使能带构造发生比较复杂的变化，即杂化景象。 资料导电与

18、能带特征的详细实例37图 5.8 金刚石中碳的能带构造 资料导电与能带特征的详细实例38 在金刚石的价带和导带之间有一个较大的禁带Eg。很少有电子具有足够的能量，可以从价带跃迁到导带去。所以金刚石的电导率很低。 提高温度或者施加高电压，可以使价带的电子获得能量，跃迁到导带。例如，氮化硼的室温的电导率为10-13-1cm-1，温度升到800时那么为10-4-1cm-1。 虽然锗、硅和锡的能带构造与金刚石类似，但这些资料的禁带宽度Eg 较小。实践上，锡的禁带宽度小得使它具有类似导体的导电性。而禁带宽度Eg稍大一点的锗和硅成了典型的半导体。 资料导电与能带特征的详细实例 上面所讨论的都是不含杂质又无

19、缺陷的纯金属理想晶体。实践上金属与合金中不但含有杂质和合金元素，而且还存在晶体缺陷。传导电子的散射发生在电子声子、电子杂质原子以及与其他晶体点阵静态缺陷碰撞的时候。在铁磁体和反铁磁体中还要发生磁振子的附加碰撞。马基申定那么5.3.1 金属导电机制 理想金属的电阻对应着两种散射机制(声子散射和电子散射)，可以看成为根本电阻。这个电阻在绝对零度时降为零。 第三种机制(电子在杂质和缺陷上的散射)在有缺陷的晶体中可以察看到，是绝对零度下金属剩余电阻的本质，这个电阻表示了金属的纯度和完好性。马基申定那么5.3.1 金属导电机制 马基申(Mathhissen)和沃格特(Vogt)早期根据对金属固溶体中溶质

20、原子的浓度较小，以致可以略去它们之间的相互影响，把固溶体的电阻看成由金属的根本电阻 和剩余电阻 组成。这实践上阐明，在一级近似下不同散射机制对电阻的奉献可以加法求和。这导电规律称为马基申定那么。马基申定那么5.3.1 金属导电机制 为决议于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的剩余电阻。化学缺陷为偶尔存在的杂质原子以及人工加人的合金元素原子。物理缺陷系空位、间隙原子、位错以及它们的复合体。式中 为与温度有关的金属根本电阻，即溶剂金属(纯金属)的电阻；马基申定那么5.3.1 金属导电机制 从马基申定那么可以看出，在高温时金属的电阻根本上决议于 ，而在低温时那么决议于剩余电阻 ，既然剩余电阻是电子在杂质

21、和缺陷上的散射引起的，那末 的大小可以用来评定金属的电学纯度。与化学纯度不同，电学纯度思索了点阵物理缺陷的影响。思索到剩余电阻丈量上的费事，实践上往往采用相对电阻 的大小评定金属的电学纯度。许多完好的金属单晶得到的相对电阻高达2xl04。马基申定那么在超低温下电子平均自在程长度 同样可以作为金属纯度直观的物理特性。晶体越纯、越完善，自在程长度越长、相对电阻值也越大。反之，金属中杂质越多，在延续散射之间电于自在程长度越短，相对电阻也越小。目前可以得到很纯的金属，在它们当中4.2K时的电子平均自在程长度可达几个mm。例如，相对电阻为7000，000的超纯钨，其电子自在程长达12.5mm.马基申定那

22、么5.4.1 半导体与p-n结5.4.1.1 什么是半导体 半导体是这样一种固体，它在 0 K 时，其最高的一个被价电子占据的能带全部被填满，称价带，相继的一个能带完全没有电子，是空的，称导带，而且导带的最低一个能级和价带的最高一个能级被一个较窄的禁带隔开禁带宽度约为22.5ev以下，因此价带中电子很容易被热能、电磁能或其他能量激发到导带上去，而在价带中留下空穴，在电场作用下，这些电子和空穴能自在地经过晶体运动。 元素半导体是由单一元素制成的半导体资料。主要有硅、锗、硒等，以硅、锗运用最广。 化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。 二元系化合物半导体有-族如砷化镓、磷化镓、

23、磷化铟等、-族如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等、-族如硫化铅、硒化铅等、-族如碳化硅化合物。 三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体，如镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等。 有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等，还处于研讨阶段。5.4.1.4 元素半导体与化合物半导体 5.4.1.4 元素半导体与化合物半导体 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只需硅的禁带宽度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可以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缘由是在硅的外表可以构成一层极薄

24、的SiO2绝缘膜，从而可以制备MOS型三极管。 在化合物半导体中，载流子的挪动速率远远大于硅和锗，所以可以制备更加高速的大规模集成电路。 5.4.1.5 n型半导体和p型半导体 半导体的杂质效应 理想晶体中电子只能占据在允许能级上，如价带和导带，而在禁带上是不存在任何孤立的能级让电子占据的。 由于杂质、热振动、位错、晶界及外表等的存在，使理想晶体严厉的周期势场遭到破坏而发生畸变，电子处于这种势场中发生畸变的区域时，其能量和原电子能量有所不同，因此出现了新的能级，这种能级处于禁带之中，构成禁带上孤立的能级。 假设在硅或锗中添加锑或磷的5价元素，那么锑或磷中的4个价电子参与共价键的结合，富余的那个

25、价电子由于与本身原子的结合较松，很容易激发到导带，因此这种杂质添加了导带中的电子数，从而添加其导电性能。这种提供电子作为载流子的杂质元素称为施主。掺入了施主杂质的非本征半导体以负电荷电子作为载流子，所以称为nnegative，表示负电荷的意思型半导体。n 型半导体5.4.1.5 n型半导体和p型半导体 5.4.1.5 n型半导体和p型半导体 n 型半导体 假设从能带构造观念看：掺杂施主杂质后，相应在导带底部附近产生了一个部分能级被多余的电子占据，由于和导带相隔较近，只需有一个很小的能量Ed就可以使这个电子进入导带。 随着温度的升高，越来越多的施主电子越过禁带Ed进入导带，最后一切的施主的电子都

26、进入导带，此时称为施主耗尽。假设温度继续升高，电导率将维持一个常量。在更高的温度下，才会出现本征半导体产生的导电性。5.4.1.5 n型半导体和p型半导体 n 型半导体n型半导体a掺杂b能级图5.4.1.5 n型半导体和p型半导体 p 型半导体 假设在硅或锗中添加的杂质是镓Ga等3价元素，结果构成了共价键少一个电子,相应在价带顶部附近产生一个未被电子占据的部分能级。显然，价带中电子受热激发易填入这些能级中去，从而添加了价带中的空穴，增大其导电性。向本征半导体提供空穴作为载流子的杂质元素称为受主。掺入了受主杂质的非本征半导体以正电荷空穴作为载流子，所以称为ppositive，表示正电荷的意思型半

27、导体。5.4.1.5 n型半导体和p型半导体 p 型半导体a掺杂b能级图p型半导体5.4.1.5 n型半导体和p型半导体 掺杂元素掺杂元素硅硅Ed硅硅Ea锗锗Ed锗锗EaP0.0450.0120As0.0490.0127Sb0.0390.0096B0.0450.0104Al0.0570.0102Ga0.0650.0108In0.1600.0112硅与锗中的施主能级Ed(eV)和受主的能级Ea(eV)5.4.1.6 半导体资料的特性参数 半导体资料的特性参数不仅能反映半导体资料与其他非半导体资料之间的差别，更重要的是能反映各种半导体资料之间甚至同一种资料在不同情况下，其特性的量值差别。 电阻率、

28、载流子迁移率反映资料的导电才干。非平衡载流子寿命反映半导体资料在外界作用如光或电场下内部载流子由非平衡形状向平衡形状过渡的弛豫特性。 位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶资料晶格完好性的程度，对于非晶态半导体资料，那么没有这一参数。 禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决议，反映组成这种资料的原子中价电子从束缚形状激发到自在形状所需的能量。 5.4.1.8 离子化合物半导体 离子化合物半导体又称为缺陷半导体。在离子化合物半导体中，假设含有多余的阴离子，那么为p型半导体；含有多余的阳离子，那么为n型半导体。许多氧化物和硫化物都有这种半导体性能。 在含锌气的复原气氛中，将氧化锌加

29、热，使其中锌的含量添加，可以构成掺杂的N型半导体。图5.4.5n型半导体ZnO的构成 5.4.1.9 半导体的运用 半导体热电仪。半导体的导电性与温度有关。利用这一特性可以制成半导体热电仪，用于火灾报警器。 压力传感器。能带构造和禁带构造与资料中的原子之间的间隔有关。处于高压下的半导体资料，其原子间间隔变小，禁带也随之变小，电导率增大。所以经过丈量电导率的变化，就可以丈量压力。 半导体资料的导电性对外界条件如热、光、电、磁等要素的变化非常敏感，据此可以制造各种敏感元件，用于信息转换。 p-n结 不同类型半导体间接触构成PN结或半导体与金属接触时，因电子或空穴浓度差而产生分散，在接触处构成位垒，

30、因此这类接触具有单导游电性。利用PN结的单导游电性，可以制成具有不同功能的半导体器件，如二极管、三极管、晶闸管等。5.4.1.9 半导体的运用p-n结的导电行为 p-n结 p-n结的伏安特性 p-n结的整流效应 在p-n结处于反向偏压时，普通只需很小的漏电流，这是由于热激发的少量电子和空穴引起的。但是，假设反向偏压太大，经过p-n结的绝缘区的漏电流的载流子将会被大大加速，导致产生一个很大的电流。这种景象称为p-n结的反向击穿 .p-n结的反向击穿 可以经过调理半导体掺杂和p-n结的构造来改动p-n结的反向答应电压。 利用p-n结的反向电流特性制备稳压二极管或齐纳 Zener 二极管，可以用来维

31、护电路不受忽然出现的过高电压的危害。 5.4.3 能带实际在半导体中的运用5.4.3.1 半导体的外表能级 5.4.3.2 半导体与半导体的接触 5.4.3.3 半导体与金属的接触 5.4.3.1 半导体的外表能级 能带构造是在无限扩展的3维晶体产生的周期场的前提下得到的。 在资料的外表势场不再与晶体内部的周期性势场一样，所以资料外表的电子能级分布就会发生变化。 图5.29 晶体外表的能带构造 图5.30 n型半导体的外表能级 判别一个系统能否处于平衡形状的根据是看其费密能级能否相等。两个分立的资料，费密面可以不一样。但假设这两个资料连成一个系统，就会在这两个资料之间发生电荷的挪动，最终使费密

32、能级相等。 由于电子从内部向外表迁移，在外表会出现负电荷，而接近外表的内部会因短少电子而出现带正电荷的空穴。这些空穴的存在，使n型半导体的外表附近出现了一个p型的反转层。 在能带构造图中，电子的能级向上为越来越高，空穴的能级向下为越来越高。假设外来的射线将价带的电子激发到导带，同时在价带留下空穴。这些激发电子就会向半导体内部挪动，而空穴那么会向半导体外表挪动。 图5.31 p型半导体的外表能带构造 5.4.3.2 半导体与半导体的接触 p-n结 图5.32 p-n结在结合瞬间的能级形状 图5.33热平衡形状下的p-n结的能级形状(a) 分散电位;(b) 杂质浓度;(c) 载流子浓度；(d) 空

33、间电荷 以接触面为界限，n型区域有一个带正电的空间电荷层，在p型区域有一个带负电的空间电荷层，这个空间电荷层产生一个自建电场。逆着自建电场的方向，即p型区域为正电位，n型区域为负电位时正向偏置电压，消弱势垒区的电场强度，载流子容易流动。而顺着自建电场的方向，即p型区域为负电位，n型区域为正电位时，载流子不容易流动。这就是p-n结整流的原理。 p-n结整流的原理 当太阳光射入到p-n结时，p型区域和n型区域都有能够出现电子激发景象。n型区域的价带电子被激发到导带上后，就停留在n型的导带上，而在n型价带上同时构成的空穴会迁移到能量更稳定的p型的价带上去。p型区域的价电子被激发到导带上后，将迁移到能

34、量更稳定的n型的导带上，而在p型区域价带上同时构成的空穴那么停留在该价带上。p-n结不仅能将光子能量转变成电荷能量，更重要的是可以在空间位置上将正负电荷别分开来。假设在p-n结的外部接上回路，这些被分别的正负电荷就可以经过回路相互结合，这就是太阳能电池。 太阳能电池 可以将两个禁带宽度不同的半导体资料组成p-n结，这种由不同资料组成的p-n结又称异质结。此时，禁带较宽的半导体将吸收波长较短的光线，禁带较窄的半导体那么吸收波长较长的光线，可以利用的太阳光波长范围更大，从而添加了太阳能利用效率。由于短波光线的穿透才干差一些，所以此时普通都将禁带宽度较宽的半导体设计在朝向太阳光一侧，这种半导体又称为

35、电池的窗口资料。 异质结图5.34 异质结的光伏特效应原理 实践任务中，常经过重掺杂半导体与金属接触，使其势垒很薄，电子可以经过隧道效应穿过势垒，从而构成欧姆接触。 欧姆接触是设计和制造超高频、大功率器件的关键问题，由于半导体元件都需求经过电极引线与外部电路进展电学衔接，而欧姆接触效应那么广泛地运用于这些电极引线的设计消费中。 5.4.2.4 光伏特效应 光激发伏特效应是另一个重要的半导光激发伏特效应是另一个重要的半导体物理效应，是太阳能电池的实际根底。体物理效应，是太阳能电池的实际根底。 硅太阳能电池就是利用硅太阳能电池就是利用p-n结制成的。结制成的。 图图5.25 光伏特效应原理光伏特效

36、应原理 当禁带宽度相等的当禁带宽度相等的p型半导体与型半导体与n型半导体的结型半导体的结合即为同质结时，由于二者的母体可以采用同合即为同质结时，由于二者的母体可以采用同种资料如硅，二者的结合面的共格性能很好，种资料如硅，二者的结合面的共格性能很好，很少产生缺陷，而这些缺陷作为电子捕获中心，会很少产生缺陷，而这些缺陷作为电子捕获中心，会降低太阳能电池的性能。降低太阳能电池的性能。 p-n结太阳能电池的特点是对半导体资料的纯度结太阳能电池的特点是对半导体资料的纯度要求很高。假设不控制好杂质原子，就得不到所需要求很高。假设不控制好杂质原子，就得不到所需的的p型半导体和型半导体和n型半导体。另外，激发

37、产生的空穴型半导体。另外，激发产生的空穴和电子对很容易相互结合而消逝，从而降低了电池和电子对很容易相互结合而消逝，从而降低了电池效率。所以效率。所以p-n结太阳能电池一直难以得到大规模运结太阳能电池一直难以得到大规模运用。用。 近年来，近年来，TiO2半导体的光催化性能引起半导体的光催化性能引起人们的注重。本田人们的注重。本田-藤岛藤岛Honda-Fijishima在在1972年发现，水溶液中的年发现，水溶液中的TiO2电极被光电极被光照射后，在二氧化钛电极上会产生氧气，在照射后，在二氧化钛电极上会产生氧气，在对极的铂电极上会产生氢气。光激发的电子对极的铂电极上会产生氢气。光激发的电子进入半导

38、体电极内部，空穴到达半导体外表。进入半导体电极内部，空穴到达半导体外表。此空穴与水里的氧离子相互作用，电子那么此空穴与水里的氧离子相互作用，电子那么经过铂电极与氢离子相互作用。这一效应又经过铂电极与氢离子相互作用。这一效应又称为称为Honda-Fijishima效应。效应。 Honda-Fijishima效应给了人们一种利效应给了人们一种利用太阳能将水分解成氢气和氧气的能够性。用太阳能将水分解成氢气和氧气的能够性。电解水最少需电解水最少需1.23eV的电压，所以半导体禁的电压，所以半导体禁带至少要带至少要1.23eV以上，实践需求以上，实践需求2eV以上。以上。二氧化钛的禁带有二氧化钛的禁带有

39、3eV，满足此条件，满足此条件，SnO2也满足此条件。也满足此条件。 由于由于TiO2半半导导体的禁体的禁带宽带宽度比度比较较大，假大，假设设制成太阳能制成太阳能电电池，那么只需波池，那么只需波长长很短的紫很短的紫外外线线可以将可以将TiO2的价的价带电带电子激子激发发到到导带导带上去，上去，因此因此对对太阳能的利用效率很低。可以在太阳能的利用效率很低。可以在TiO2 外表吸附染料，外表吸附染料，这这些染料可以吸收大部分太些染料可以吸收大部分太阳光阳光线线，染料中激，染料中激发发出来的出来的电电子又注入到子又注入到TiO2 的的导带导带上。同上。同时时将将TiO2制成制成纳纳米晶体，米晶体，以

40、添加吸附染料的面以添加吸附染料的面积积。这样这样制得所制得所谓谓“纳纳米米TiO2染料敏化太阳能染料敏化太阳能电电池。池。 图图5.26 纳米纳米TiO2染料敏化太阳能电池任务原理染料敏化太阳能电池任务原理 843 3、电光效应、电光效应外加电场所呵斥的晶体折射率的变化称为电光效应。普通情况下，电场对晶体折射率的影响可用一个幂级数表示：式中是外电场时晶体的折射率，a和b是常数 85由电场的一次线性项呵斥的折射率的变化称为一次电光效应、线性电光效应或普克尔Pockels效应。 由电场的二次平方项呵斥的折射率的变化称为二次电光效应或克尔Kerr效应 具有对称中心的晶体没有一次及其它奇次电光效应，只

41、能有二次及其它偶次电光效应。二次电光效应存在于任何物体中。86半波电压是晶体用于电光调制、偏转、显示半波电压是晶体用于电光调制、偏转、显示等器件时的一个重要参数。当一束激光经过等器件时的一个重要参数。当一束激光经过晶体时，外加偏置电压将使经过晶体的两种晶体时，外加偏置电压将使经过晶体的两种光寻常光和异常光的折射率发生变化，光寻常光和异常光的折射率发生变化，从而改动这两种光的相位差。显然相位差取从而改动这两种光的相位差。显然相位差取决于所加的偏置电场强度决于所加的偏置电场强度E和晶体在通光方向和晶体在通光方向上的厚度使电光晶体寻常光和异常光的相位上的厚度使电光晶体寻常光和异常光的相位差半波弧度所

42、需的电场和厚度的乘积称差半波弧度所需的电场和厚度的乘积称为半波电压。为半波电压。 与电光效应有关的另一个常用的参数称为与电光效应有关的另一个常用的参数称为半波电压即半波电压即 874 4、光电导和光生伏特、光电导和光生伏特半导体吸收光子后，引起载流子激发，添加了电导率，这附加的电导称为光电导，这种景象又称为半导体的内光电效应 附加的载流子可以来自带间跃迁，也可以来自杂质的激发，因此，光电导有本征光电导和杂质光电导之分。 881定态光电导同光强的关系，这就是光定态光电导同光强的关系，这就是光电导的灵敏度问题电导的灵敏度问题 2光电导的弛豫时间，这个时间标志着地光电导的弛豫时间，这个时间标志着地导

43、体资料对光反响的快慢导体资料对光反响的快慢 3光电导的光谱分布，这就是对于不同波光电导的光谱分布，这就是对于不同波长的光、半导体光电导的强弱问题，了解光长的光、半导体光电导的强弱问题，了解光电导的光谱分布，具有重要的实践意义电导的光谱分布，具有重要的实践意义 89在光的照射下，半导体p-n结的二端产生电位差的景象，人们称为光生伏特效应。其过程是这样的：半导体吸收光子后，产生了附加的电子和空穴，这些自在载流子在半导体中的部分电场作用下会各自在运动到一定的区域积累起来，构成净空间电荷而产生电位差，最常见的是p-n结的光生伏特效应 光生伏特效应光生伏特效应90图图7-40 p-n7-40 p-n结中

44、产生光生伏特的原理图结中产生光生伏特的原理图91在p-n结区附近，能量大于Eg的光子被吸收后，在p-n结中就会产生电子空穴对。假设这些光生电子和光生空穴分散到势垒区，那么在p-n结内建电场的作用下，空穴被扫向p型区，而电子被扫向n型区，从而在p区构成空穴积累，在n区构成电子积累。 p-n结光生伏特效应的原理92所所谓半半导化，是指在禁化，是指在禁带中构成附加能中构成附加能级，这些附加能些附加能级的的电离能都比离能都比较低，高温下遭低，高温下遭到到热激激发就会就会产生生载流子而构成半流子而构成半导体体 。氧。氧化物陶瓷化物陶瓷这种由种由绝缘体体转变为半半导体的景象体的景象 5.4.4.4半导体陶

45、瓷的能带构造半导体陶瓷的能带构造 在氧化物晶体中，在氧化物晶体中，产生附加能生附加能级主要有两个途主要有两个途径：径：1 1不含不含杂质的氧化物主要的氧化物主要经过化学化学计量比偏量比偏离，在晶体中存在固有缺陷。离，在晶体中存在固有缺陷。2 2在氧化物在氧化物掺入少量入少量杂质，在晶体中存在，在晶体中存在杂质缺陷。缺陷。施主能施主能级构造构造 1 1杂质施主能施主能级在半在半导体体实际中，半中，半导体中的体中的杂质原子可原子可以使以使电子在其周子在其周围运运动而构成量子而构成量子态，杂质量子量子态的能的能级处在禁在禁带之中。之中。假假设是替位高价是替位高价杂质，那么在半，那么在半导体晶体体晶体

46、能能带的的导带底附近的位置底附近的位置产生附加的施主生附加的施主能能级。例如，在氧化物晶体。例如，在氧化物晶体MOMO中，金属离中，金属离子子M2+M2+是二价的，假是二价的，假设掺入外来三价金属入外来三价金属离子构成替位离子，那么在位于接近离子构成替位离子，那么在位于接近导带底的位置上底的位置上产生附加能生附加能级杂质施主能施主能级。2 2氧空位或填隙金属离子缺陷施主能氧空位或填隙金属离子缺陷施主能级半半导瓷的制瓷的制备通常要通常要经过高温高温烧结阶段，段，假假设烧结在氮气或在氮气或氢气气氛中，其氧分气气氛中，其氧分压低于某一低于某一临界界值，那么晶粒内部的氧将向，那么晶粒内部的氧将向外界分

47、散而外界分散而产生氧缺乏，而在冷却生氧缺乏，而在冷却过程中程中在高温在高温热平衡形状下平衡形状下产生的氧缺乏会保管生的氧缺乏会保管下来，呵斥化学下来，呵斥化学计量比偏离量比偏离 对于于MOMO晶体，将会使晶体，将会使MOMO的分子式的分子式变为MO1-xMO1-x。这时，由于氧子晶格位置，由于氧子晶格位置过剩而出剩而出现的固的固有缺陷有两种能有缺陷有两种能够： 产生氧空位固有缺陷；生氧空位固有缺陷； 产生填隙金属离子固有缺陷。生填隙金属离子固有缺陷。这两种能两种能够情况都会在晶格周情况都会在晶格周围中中产生生过剩的剩的电子，子，这些些过剩的剩的电子被氧空位或填子被氧空位或填隙金属离子构成的正隙

48、金属离子构成的正电中心所束中心所束缚，且，且处于一种弱束于一种弱束缚形状，在形状，在导带下面构成施主下面构成施主能能级。 受主能级构造受主能级构造 1 1杂质受主能受主能级在氧化物晶体中在氧化物晶体中掺杂，假，假设是替位低价是替位低价杂质原子，那么在半原子，那么在半导体晶体能体晶体能带中位于价中位于价带顶附近的位置附近的位置产生附近的受主能生附近的受主能级。例。例如，在氧化物晶体如，在氧化物晶体MOMO中，假中，假设掺入一价金入一价金属属杂质离子，使它替代了离子，使它替代了M2+M2+离子的晶格离子的晶格位置，那么在位于接近价位置，那么在位于接近价带顶的位置的位置产生生附加能附加能级杂质受主能

49、受主能级。2 2金属离子空位缺陷受主能金属离子空位缺陷受主能级高温高温烧结半半导瓷假瓷假设烧结在氧气气氛中，在氧气气氛中，含氧量含氧量较高，其氧分高，其氧分压超越某一超越某一临界界值时，那么气相中的氧将向瓷体内部分散，在到那么气相中的氧将向瓷体内部分散，在到达气一固平衡达气一固平衡时就会在晶体中就会在晶体中产生超越化生超越化学学计量比的氧量比的氧过剩，剩，这氧氧过剩能剩能够在降温在降温时大部分保管下来，从而使最大部分保管下来，从而使最终产品品显著著地偏离地偏离严厉的化学的化学计量比量比 对于于MOMO晶体，晶体，MOMO的分子式将的分子式将变为MO1+xMO1+x。这时，由于氧由于氧过剩，将出

50、剩，将出现两种能两种能够：构成填隙氧离子构成填隙氧离子由于氧离子半径由于氧离子半径较大，构成大，构成时所需能量所需能量较高，因此构成填隙氧离子几率很小。高，因此构成填隙氧离子几率很小。构成金属离子空位构成金属离子空位由于氧由于氧过剩，多余的氧离子填充到氧子晶剩，多余的氧离子填充到氧子晶格的位置上去，于是就出格的位置上去，于是就出现了金属晶格位了金属晶格位置的相置的相对过剩，构成金属离子空位。剩，构成金属离子空位。 图图5.27不掺杂不掺杂BaTiO3的能带简图的能带简图 图图5.28La掺杂掺杂BaTiO3半导体的能带简图半导体的能带简图 5.1 概述5.2 资料的导电性能 5.4 半导体物理

51、 5.3 金属电导 5.5 超导物理 2个学时4个学时4个学时第第5章章 导电物理物理 2个学时10个学时 在另一方面，超导体所显示的磁学性能在另一方面，超导体所显示的磁学性能同它们的电学性能同样地引人注目。超导体同它们的电学性能同样地引人注目。超导体的特性阐明，完全从电阻率为零这一假设出的特性阐明，完全从电阻率为零这一假设出发不能解释磁学性能发不能解释磁学性能.一个实验现实是：大块一个实验现实是：大块超导体在弱磁场中的表现有如一个理想抗磁超导体在弱磁场中的表现有如一个理想抗磁体，在它的内部磁感应强度为零体，在它的内部磁感应强度为零.假设把试样假设把试样放到磁场中，然后冷却到超导转变温度以下，

52、放到磁场中，然后冷却到超导转变温度以下，原来存在试样中的磁通就要从试样中被排出，原来存在试样中的磁通就要从试样中被排出，这个景象称为迈斯纳效应。这个景象称为迈斯纳效应。5.5.2 迈斯纳效应迈斯纳效应图图5.5.2 在恒定外磁场中冷却的超导球内，当在恒定外磁场中冷却的超导球内，当过渡到临界温度以下时磁通被排斥的情况过渡到临界温度以下时磁通被排斥的情况 (a)正常态；正常态；(b)超导态超导态迈斯纳效应迈斯纳效应 理想导体定义为在它里面不存在任何散射理想导体定义为在它里面不存在任何散射电子机制的一种导体。电子机制的一种导体。超导体与理想导体之间的差别超导体与理想导体之间的差别 理想理想导导体也有

53、零体也有零电电阻效阻效应应。但是假。但是假设设在在 TTc 时时，先使，先使这这种种导导体磁化，体磁化，这时这时它它还还没有到达没有到达电电阻率阻率为为零的理想形状，内部可以存在磁零的理想形状，内部可以存在磁场场，然后使温度，然后使温度下降到下降到TTc, 电电阻率减小到零，在此阻率减小到零，在此过过程中，程中， “理想理想导导体内部磁体内部磁场场不会消逝。不会消逝。简单简单地地说说“理想理想导导体没体没有有迈迈斯斯纳纳效效应应，而超，而超导导体具有体具有迈迈斯斯纳纳效效应应。 根据迈斯纳效应，把磁体放在超导盘上方，或在超导环上方放一超导球时，图(a)中超导盘和磁铁之间有排斥力，能把磁铁浮在超

54、导盘的上面；图(b)中由于超导球有磁屏蔽作用，其结果可使超导球悬浮起来。这种景象称为磁悬浮景象。磁铁悄然地悬浮在一个超导环上：图为一个永磁体悬浮在一个零电阻的非磁性导体环上。导体环中由变化磁场感生的电流使磁铁悬浮了起来。 SN 1911年翁年翁纳纳斯斯(Onnes)从从实验实验中中发现发现水水银银的超的超导电导电性。性。 直到直到1986年年贝诺兹贝诺兹和穆勒在和穆勒在镧钡铜镧钡铜氧化氧化物物(LaBaCuO系系)中中发现发现Tc高达高达35K的的超超导转变导转变，突破了超，突破了超导导研研讨领讨领域几十年来沉域几十年来沉闷闷的局面，在全世界刮起了一股突破超的局面，在全世界刮起了一股突破超导资

55、导资料技料技术术的旋的旋风风。他。他们们也因此也因此获获得了得了1988年度年度诺贝诺贝尔尔物理物理奖奖。 1987年日、美等国和我国学者接年日、美等国和我国学者接连报导获连报导获得得临临界温度更高的超界温度更高的超导资导资料：料：Y-Ba-Cu-O系系(90K)，Ba-Sr-Ca-Cu-O系系(110K)，Ti-Ba-Ca-Cu-O系系(120K)，使超，使超导导技技术术从液氦温区步从液氦温区步人液氮温区以致接近常温人液氮温区以致接近常温. 这这些研些研讨讨成果使超成果使超导资导资料正在料正在迈迈人适用化人适用化阶阶段。假段。假设设在常温下在常温下实现实现超超导导，那么，那么电电力力储储存存

56、安装、无安装、无损损耗直流送耗直流送电电、强强大的大的电电磁磁铁铁、超、超导导发电发电机等理想将成机等理想将成为现实为现实，那么将引起，那么将引起电电子元子元件和能源件和能源领领域一域一场场革命。有人以革命。有人以为为，就人，就人类历类历史而言超史而言超导导的成就可以与的成就可以与铁铁器的器的发发明相媲美。明相媲美。 6.6.1 6.6.1 固体固体电电介介质质的的电导电导6.6.2 6.6.2 固体电介质的击穿固体电介质的击穿1. 概述2. 离子电导3. 电子电导4 外表电导1. 概述2、电击穿 3、热击穿4、部分放电击穿 5、其它击穿机制6.6 6.6 固体电介质的电导与击穿固体电介质的电

57、导与击穿 固体电介质的漏固体电介质的漏导电流导电流I I包含了两个组包含了两个组成部分：流过电介质成部分：流过电介质体内的电流体内的电流IvIv和沿着和沿着电介质外表流动的电电介质外表流动的电流流IsIs，并有，并有I=Iv+Is I=Iv+Is 在一定的在一定的电压范范围内，内，电介介质的漏的漏导电流与所加的流与所加的电压成正比，符合欧姆定律成正比，符合欧姆定律 设电介质在垂直于电流流动方向的截面积设电介质在垂直于电流流动方向的截面积 ，电极间的间隔，电极间的间隔 ， 那么其体积电导那么其体积电导 和体积电阻和体积电阻 为为并且有在恒定在恒定电压的作用下，流的作用下，流过固体固体电介介质的的

58、电流流是是时间的函数。在普通情况下，有以下几种的函数。在普通情况下，有以下几种电流需求思索：流需求思索： 介质极化的快速呼应部分引起的充电电流 介质极化的缓慢呼应部分引起的充电电流 吸收电流 不随时间而变的漏导电流 要要获获得得电电介介质导电过质导电过程的真程的真实实情况，需情况，需求排除前三种求排除前三种电电流的影响。流的影响。这这意味着需求意味着需求长长时间时间的把的把电压电压加在加在试样试样上，直到流上，直到流过过的的电电流流不随不随时间时间改改动为动为止。止。 在工程运用中，在工程运用中，经经常取加常取加电压电压后后1min时时的的电电流作流作为计为计算算资资料料电导电导率或率或电电阻

59、率的根阻率的根据，当然据，当然这这只能起一个相只能起一个相对对比比较较的作用。的作用。 当需求仔当需求仔细调查资细调查资料中的空料中的空间电间电荷和深荷和深能能级级圈套圈套电电荷荷时时，必需，必需获获得真得真实实的漏的漏导电导电流流值值以作以作为为研研讨讨的根据。的根据。 电导的分类按载流子 离子离子电导电导或或电电解解电导电导 离化分子离化分子电导电导或或电电泳泳电导电导 电电子子电导电导 2. 离子电导 固体电介质中离子电导的直接实验证据固体电介质中离子电导的直接实验证据是利用法拉弟电解实验给出的，把被调查的是利用法拉弟电解实验给出的，把被调查的试样放在两个电极之间，长时间地加上直流试样放

60、在两个电极之间，长时间地加上直流电压并记录其流过的电量。电压并记录其流过的电量。 根据流过的电量以及电极和试样在通电根据流过的电量以及电极和试样在通电前后的分量变化就可以得出传导离子及其数前后的分量变化就可以得出传导离子及其数量的结果。量的结果。法拉弟电解实验法拉弟电解实验2. 离子电导1 1离子电导的载流子离子电导的载流子 本征缺陷本征缺陷载载流子流子 杂质杂质缺陷缺陷载载流子流子 质质子子 本征缺陷本征缺陷载载流子流子 离子晶体中，束离子晶体中，束缚缚在晶格在晶格结结点上的正、点上的正、负负离子在普通情况下是不能参与离子在普通情况下是不能参与导电导电的。只的。只需少量因需少量因热热缺陷而缺

61、陷而产产生的，脱离格点的填隙生的，脱离格点的填隙离子及空格点的正离子及空格点的正负负离子才可以在离子才可以在电场电场的作的作用下作定向运用下作定向运动动，参与，参与导电过导电过程。它程。它们们就是就是本征缺陷本征缺陷载载流子。离子晶体中的流子。离子晶体中的热热缺陷主要缺陷主要有肖特基有肖特基 Shottky 缺陷和弗缺陷和弗兰兰克克尔尔 Frenkel 缺陷两种。缺陷两种。 杂质杂质缺陷缺陷载载流子流子 实实践践电电介介质资质资料中料中总总是不可防止的存在是不可防止的存在着着杂质杂质的。有的。有时时候，候，为为了改良了改良资资料的某些性料的某些性质还质还有意地添加各种有意地添加各种类类型的型的

62、杂质杂质，称，称为掺杂为掺杂改性。改性。 杂质杂质离子在晶格中离子在晶格中产产生点缺陷，破坏了生点缺陷，破坏了晶格内部晶格内部势场势场分布，从而使得晶格中的分布，从而使得晶格中的载载流流子易于在子易于在电场电场的作用下运的作用下运动动，增大，增大电电介介质质的的电导电导。异价。异价杂质杂质离子离子还还将在晶体中将在晶体中产产生新的生新的载载流子，使流子，使资资料的料的电导电导大幅度地上升。大幅度地上升。 异价离子本身或由其构成的空格点或填异价离子本身或由其构成的空格点或填隙离子那么不同，它们本身的电荷量偏离了隙离子那么不同，它们本身的电荷量偏离了坚持晶格电中性所要求的荷电量，因此使得坚持晶格电

63、中性所要求的荷电量，因此使得晶格的部分区域荷电。晶格的部分区域荷电。 至于填隙离子，那么在填隙位置上额外至于填隙离子，那么在填隙位置上额外地引入了填隙离子所带的电量，其等效荷电地引入了填隙离子所带的电量，其等效荷电量就等于离子的电价。量就等于离子的电价。 由异价杂质构成的这些点缺陷以其等效由异价杂质构成的这些点缺陷以其等效荷电量在电场作用下定向漂移，从而对资料荷电量在电场作用下定向漂移，从而对资料的电导作出奉献。的电导作出奉献。 当晶体中的点缺陷浓度较高时，一部分当晶体中的点缺陷浓度较高时，一部分带有异号电荷的点缺陷之间，或者与电子、带有异号电荷的点缺陷之间，或者与电子、空穴之间能够经过静电库

64、仑相互作用缔合在空穴之间能够经过静电库仑相互作用缔合在一同构成复合缺陷。一同构成复合缺陷。 复合缺陷本身在晶体中的迁移率相当低，复合缺陷本身在晶体中的迁移率相当低，它们对电导的奉献经常可以略去。但是，复它们对电导的奉献经常可以略去。但是，复合缺陷在热离解后对于资料的电导有奉献，合缺陷在热离解后对于资料的电导有奉献，因此影响资料电导率随温度的变化。因此影响资料电导率随温度的变化。 晶体中晶体中杂质杂质缺陷缺陷载载流子的数量主要取决流子的数量主要取决于于资资料的化学料的化学纯纯度以及度以及掺杂掺杂量，与温度无关。量，与温度无关。对对于于许许多多实实践践资资料，自然引入的料，自然引入的杂质杂质含量通

65、含量通常是以基常是以基质质原子数的原子数的10-6(ppm)计计。对对于于经经特殊特殊纯纯化的物体，化的物体，杂质杂质含量那么以含量那么以10-9 (ppb)计计。高高纯纯物体的物体的杂质载杂质载流子数依然流子数依然远远离于离于环环境温境温度下的度下的热热缺陷本征缺陷本征载载流子。因此物体在室温流子。因此物体在室温的离子的离子电导电导主要取决于主要取决于杂质杂质含量。含量。 质质子子 质质子是含有子是含有氢键氢键物体中所特有的一种物体中所特有的一种载载流子。在特殊情况下，流子。在特殊情况下，质质子可以在玻璃、聚子可以在玻璃、聚合物等无定形物体中合物等无定形物体中传导电传导电流。流。 质质子子电

66、导电导与物体所吸附的水分有很大与物体所吸附的水分有很大关系，并且关系，并且对对物体的外表物体的外表电导电导影响很大。影响很大。 许许多聚合物在多聚合物在98%相相对对湿度下，湿度下，坚坚持持15-20天后，天后，资资料的外表料的外表电导电导和体和体积电导积电导能能够够增大增大215个数量个数量级级。 2 2导电离子的迁移率离子的迁移率 某一种载流子的迁移率是单位电场作用某一种载流子的迁移率是单位电场作用下，该类载流子在电场方向的平均迁移速率。下，该类载流子在电场方向的平均迁移速率。 各种离子型载流子在电场作用下的运动各种离子型载流子在电场作用下的运动是一种在热激活下越过势垒的定向漂移。是一种在

67、热激活下越过势垒的定向漂移。其中 为载流子的活化能，即限制载流子跃迁的势垒高度，q为载流子的等效电荷， 为载流子跃迁时平均步长， 为载流子在势阱中的局域振动频率 在固体中，离子型载流子的迁移率：在固体中，离子型载流子的迁移率：3. 电子电导 电电介介质质可以看成是一种可以看成是一种宽宽禁禁带带的半的半导导体，体，禁禁带宽带宽度大于度大于35eV35eV。 电介质的电子电导主要是由杂质本身以电介质的电子电导主要是由杂质本身以及由杂质构成的各种缺陷，特别是俘获了电及由杂质构成的各种缺陷，特别是俘获了电子或空穴的各种复合缺陷在电场作用下发生子或空穴的各种复合缺陷在电场作用下发生电离呵斥的。此外，由外

68、部电极注入资料内电离呵斥的。此外，由外部电极注入资料内部的电子所产生的影响也是不可忽视的。部的电子所产生的影响也是不可忽视的。1 1电子子电导的的载流子流子 本征本征载载流子流子 非本征非本征载载流子流子 在典型的电介质中，本征电子电导并不重要在典型的电介质中，本征电子电导并不重要 注入注入载载流子流子 肖特基注入和隧道注入是最主要的载流子注肖特基注入和隧道注入是最主要的载流子注入机制入机制 电介质中参与电流传导的可动电子和空穴电介质中参与电流传导的可动电子和空穴主要是由杂质引入的主要是由杂质引入的 非本征非本征载载流子流子 杂质对杂质对于于资资料料电电子构造的影响取决于基子构造的影响取决于基

69、质质和和杂质杂质本身的本身的电电子构造。子构造。对对于金属氧化物来于金属氧化物来说说，假假设设基基质质和和杂质杂质本身的禁本身的禁带带都很都很宽宽，而且，而且杂质杂质并没有在晶格中并没有在晶格中产产生点缺陷生点缺陷 相当于等价代相当于等价代换换 ，那么那么掺杂掺杂不会使不会使资资料的料的电电子构造子构造发发生明生明显显的改的改动动。反之，假。反之，假设设基基质质或者或者杂质杂质是禁是禁带带比比较较窄、窄、能能带带构造复构造复杂杂的的过过渡金属氧化物，不渡金属氧化物，不仅仅要思索要思索到到资资料本身的能料本身的能带带构造，而且构造，而且还还要思索到要思索到杂质杂质引起的晶格点缺陷的情况。引起的晶

70、格点缺陷的情况。 注入注入载载流子流子 肖特基注入和隧道注入是最主要的载流子注肖特基注入和隧道注入是最主要的载流子注入机制入机制 当电场较弱时，金属电极中的自在电子当电场较弱时，金属电极中的自在电子可以经过隧道效应穿过金属可以经过隧道效应穿过金属-电介质界面处电介质界面处的势垒，直接注入到电介质中的势垒，直接注入到电介质中 当当xm非常小，以致与电子相关的德布罗非常小，以致与电子相关的德布罗意波的波长相当时，电子便能经过隧道效应意波的波长相当时，电子便能经过隧道效应穿过高势垒注入到电介质中。在高电场下，穿过高势垒注入到电介质中。在高电场下，由隧道注入提供的可动电子是电介质电子电由隧道注入提供的

71、可动电子是电介质电子电导不容忽视的一个重要组成部分。导不容忽视的一个重要组成部分。 2 2电子的迁移率子的迁移率 可动电子与空穴，在电介质内部参与可动电子与空穴，在电介质内部参与电流传导过程时，可以分成两种运动类型电流传导过程时，可以分成两种运动类型: :漂移运动漂移运动Drift movementDrift movement和腾跃运动和腾跃运动Hop-ping movementHop-ping movement。漂移电子的迁移率漂移电子的迁移率 在电介质中，可动电子将使其周围的媒质在电介质中，可动电子将使其周围的媒质发生极化，并使其周围的晶格发生部分畸变发生极化，并使其周围的晶格发生部分畸变

72、 这种电子连同被它所极化了的周围媒质称这种电子连同被它所极化了的周围媒质称为极化子，简称极子为极化子，简称极子(Poalron) (Poalron) 假设晶格的极化范围仅限于一个晶格常数，假设晶格的极化范围仅限于一个晶格常数，那么这种极子就称为小极子。而假设极化区域那么这种极子就称为小极子。而假设极化区域扩展到几个晶和常数的区域，那么称为大极子。扩展到几个晶和常数的区域，那么称为大极子。 极化子相当于有效质量很高的电子在金属极化子相当于有效质量很高的电子在金属中的漂移速度。中的漂移速度。 假假设电设电介介质质中的可中的可动电动电子被束子被束缚缚在施在施主主电电离中心上，离中心上，这这种可种可动

73、电动电子就不一定要子就不一定要进进入入导带经过导带经过漂移运漂移运动动参与参与电电流流传导过传导过程，程，电电子可以在子可以在临临近的施主近的施主电电离中心之离中心之间经过间经过腾跃腾跃运运动动参与参与电电流流传导传导。 其中 为限制局域电子跃迁的势垒高度， 为两个施主电离中心之间的平均间隔， 为电子在电离中心内的局域振动频率。 腾跃电导过程与离子型载流子在电场作腾跃电导过程与离子型载流子在电场作用下的迁移非常类似。用下的迁移非常类似。 3 3电子子电导 这主要是由于参与传导的载流电子空穴是从各种类型的电离中心上经过热激活过程产生的 电介质资料的电子电导要比离子电导复杂得多。大部分电介质的电子

74、电导的温度关系也像离子电导一样遵照指数关系 电子电导的另一个重要特点是电流传导的非线性关系。大部分电介质的离子电导是线性的，传导电流正经于所加的电压，符合欧姆定律。但是对电子电导而言，由于普尔-弗兰克尔效应和肖特基效应，在不非常高的电场下，参与电流传导的载流电子数与所加的电场有关。这就使得电流随电压的添加比欧姆定律所预期的来得快。这时电导率r是电场的函数，并且电场越高，r越大。在很强的电场下，隧道注入开场起作用。在强电场下，电介质内部还能够会发生中性分子的电离。这就使得电流随着电压很快上升，以致丧失绝缘才干。4 外表电导 电电介介质质的外表的外表电导电导是与是与电电介介质质的的实实践运践运用用

75、亲亲密密联络联络在一同的。在一同的。电电介介质质的体的体积电导积电导在在很大程度上反映了很大程度上反映了资资料本身的特征。料本身的特征。电电介介质质的外表的外表电导电导那么不那么不仅仅与介与介质资质资料本身的性料本身的性质质有关，而且在更大程度上取决于有关，而且在更大程度上取决于资资料外表的料外表的潮湿、氧化和沾潮湿、氧化和沾污污形状。形状。 在固体电介质的情况下，外表电导 与平行电极间的距a成反比，与平行电极的长度b成正比，那么其中 是外表电导率二、 固体电介质的击穿1. 1. 概述概述 固体电介质的击穿就是在电场作用下伴随着热、化学、力等等的作用而丧失其绝缘性能的景象 固体固体电介介质击穿

76、的特点穿的特点 一、固体介质的击穿强度比气体和液体介质高 二、固体通常总是在气体或液体环境媒质中 边缘效应边缘效应 三、固体仙质的击穿普通是破坏性的，击穿后在试样中留下贯穿的孔道、裂纹等不可恢复的伤痕 对固体进展击穿实验时，击穿往往发生在击穿强度比较低的气体或液体环境媒质中 2 2、电击电击穿穿 当固体电介质接受的电压超越一定的数值VB时，就使其中相当大的电流经过，使介质丧失绝缘性能，这个过程就是电击穿 EB=VB/d 击穿场强击穿场强 EB被以为是介质接受电场作用才干的一种被以为是介质接受电场作用才干的一种量度，是资料介电特性之一。量度，是资料介电特性之一。 碰撞电离实际 在碰撞电离实际中，

77、碰撞机制普通应在碰撞电离实际中，碰撞机制普通应思索电子和声子的碰撞，同时也应该计及思索电子和声子的碰撞，同时也应该计及杂质和缺陷对自在电子的散射。假设外加杂质和缺陷对自在电子的散射。假设外加电场足够高，当自在电子在电场中获得的电场足够高，当自在电子在电场中获得的能量超越失去的能量时，自在电子便可在能量超越失去的能量时，自在电子便可在每次碰撞后积累起能量，最后发生电击穿。每次碰撞后积累起能量，最后发生电击穿。 雪崩实际 雪崩雪崩实际实际是在是在电场电场足足够够高高时时，自在，自在电电子从子从电场电场中中获获得的能量在每次碰撞后都能得的能量在每次碰撞后都能产产生一个自在生一个自在电电子。因此往子。

78、因此往n次碰撞后就有次碰撞后就有2n个自在个自在电电子，构成雪崩或倍增效子，构成雪崩或倍增效应应。这这些些电电子一方面向阳极迁移，一方面分散，子一方面向阳极迁移，一方面分散，因此构成一个因此构成一个圆圆柱形空柱形空间间，当雪崩或倍增，当雪崩或倍增效效应贯应贯穿两穿两电电极极时时，那么出，那么出现击现击穿。穿。隧道击穿 当外当外电场电场足足够够高高时时，由于量子力学的，由于量子力学的隧道效隧道效应应，禁，禁带电带电子就能子就能够进够进入入导带导带。在。在强强场场作用下，自在作用下，自在电电子被加速，引起子被加速，引起电电子子碰撞碰撞电电离。离。这这种种电电子雪崩子雪崩过过程同程同样样引起很引起很

79、大的大的电电流，但流，但这这并不并不导导致晶体的破坏。致晶体的破坏。导导致晶体致晶体击击穿的穿的缘缘由是由于隧道由是由于隧道电电流的添加，流的添加，晶体部分温度提高，致使晶体部分熔融而晶体部分温度提高，致使晶体部分熔融而破坏。破坏。这这个机理首先由个机理首先由齐纳齐纳提出的，因此提出的，因此称称为齐纳击为齐纳击穿穿 一些要素一些要素对固体固体电介介质击穿穿场强的影响的影响 固体介质的击穿场强往往取决于资料的均匀性； 大部分资料在交变电场下的击穿场强低于直流下的击穿场强。在高频下由于部分放电的加剧，使得击穿场强下降得更历害，并且资料的介电常数越大，击穿场强下降得越多； 无机电介质在高频下的击穿往

80、往具有热的特征，发生纯粹电击穿的情况并不多见； 在室温附近，高分子电介的击穿场强往往比陶瓷等无机资料要大，并且极大性高聚物的击穿场强经常要比非极性的大； 在软化温度附近，热塑性高聚物的击穿场强急剧下降 3 3、热击热击穿穿 当固体电介质在电场作用下，由电导当固体电介质在电场作用下，由电导和介质损耗的产生的热量超越试样经过传和介质损耗的产生的热量超越试样经过传导、对流和辐射所能分发的热量时，试样导、对流和辐射所能分发的热量时，试样中的热平衡就被破坏，试样温度不断上升，中的热平衡就被破坏，试样温度不断上升，最终呵斥介质永久性的热破坏，这就是热最终呵斥介质永久性的热破坏，这就是热击穿击穿 图图6.1

81、3在电压作用下固体电介质的发热与散热曲线在电压作用下固体电介质的发热与散热曲线固体电介质的热击穿判据固体电介质的热击穿判据 当发热曲线当发热曲线W1W1与散热直线与散热直线W2W2相切时，切点相切时，切点C C应满足以下条件：应满足以下条件： 4、部分放电击穿 部分放电就是在电场作用下，在电介质部分区域中所发生的放电景象，这种放电没有电极之间构成贯穿的通道，整个试样并没有被击穿 部分放电是脉冲性的，其过程与电晕放电一样。放电结果产生大量的正、负离子，构成空间电荷，建立反电场，使气隙中的总电场下降，放电熄灭 部分放电将导致介质的击穿和老化 5 5、其它、其它击击穿机制穿机制1树枝化击穿2电一机构

82、击穿 3沿面放电 沿固体电介质外表发生的气体击穿景象 树枝化是指在电场作用下，在固体电介质中构成的一种树枝装气化痕迹，树枝是指介质中直径以数微米的充溢气体的微细管子组成的通道 图图6.14 树枝化击穿树枝化击穿2电一机械击穿 平板固体介平板固体介质电质电容器加容器加压压后，两极板上即后，两极板上即充上异性充上异性电电荷，极荷，极间电场为间电场为E。两。两电电极上异性极上异性电电荷的相互作用，呵斥两极荷的相互作用，呵斥两极间间存在相互吸引。存在相互吸引。这这个引力就使极个引力就使极间间的介的介质质遭到遭到挤压挤压而而发发生生变变形。形。由于高聚物由于高聚物弹弹性模量小性模量小 比陶瓷比陶瓷资资料

83、等小两个数料等小两个数量量级级左右左右 ，容易，容易变变形，形，挤压挤压的作用使聚合物的的作用使聚合物的厚度减小。如温度有所添加，使厚度减小。如温度有所添加，使资资料料场场氏模量氏模量下降，从而下降，从而试样试样的厚度更的厚度更显显著地减小，著地减小，这这就使就使电场电压电场电压不不变变情况下，情况下，进进一步升高，最一步升高，最终导终导致致击击穿，常称穿，常称为电为电一机械一机械击击穿。穿。3沿面放电沿固体电介质外表发生的气体击穿景象 1577.1 7.1 铁电物理的普通性质铁电物理的普通性质 铁电体是指在某温度范围具有自发极化，而且极化强度可以随外电场反向而反向的晶体。同铁磁体具有磁滞回线

84、一样，铁电体具有电滞回线。 热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因遭到外表电荷等的抵偿作用，其电矩不能显现出来。只需当温度改动，电矩发生变化电矩有异于零的温度系数不能被抵偿时，才显现其固有的极化。热释晶体亦因此而得名。158普通的，晶体的压电性质及自发极化性质都是由晶体的对称性决议的，可是对于铁电体，外电场能使自发极化反向的特征不能由晶体的构造来预期，只能经过电滞回线的测定或介电系数的测定来判别。 电滞回线表示铁电晶体中存在电畴；对晶轴来说每个电畴中的极化强度有一定的方向。 7.1 7.1 铁电物理的普通性质铁电物理的普通性质 159二、铁电体电滞回线二、铁电体电滞回线铁电体的自发极化在外电场作

85、用下的重行定向并不是延续发生的，而是在外电场超越某一临界场强时发生的。这就使得极化强度P滞后于外加电场E。当电场发生周期性变化时，P 和E 之间便构成电滞回线关系 1601.铁电体的电滞回线161假客观存在铁电体在外电场为零时，晶体中的各电畴相互补偿，晶体对外的宏观极化强度为零，晶体的形状处在图上的O点 O点经A点到达B点： 沿着晶体某一能够产生自发极化的方向加上电场，当电场超越电畴反转的临界电场时图上的A点，与外场方向不一致的反平行畴与正交畴中便有许多新畴产生。随着新畴的不断消费和90畴壁的侧向挪动，与电场方向不一致的畴逐渐消逝，沿着电场方向的电畴逐渐扩展，直到晶体中一切电畴均转向外电场方向

86、，整个晶体变成一个单一的极化畴 162这时一切电畴均沿着外场取向，到达了饱和形状。电场继续添加时，极化强度已不能够由于畴的转向而大幅度地添加，只能像普通电介质一样，经过电子和离子的线性位移化沿着直线BC稍稍添加 到达C点后，假设减少外电场，极化强度延着CB渐渐下降。当外电场下降到零时，极化强度并不沿着原路前往零点，而是大体坚持着在强电场下的形状，并有少数最不稳定的区域分裂出反向电畴 晶体极化强度沿着CB下降到D点，这时的剩余极化强度为。剩余极化强度Pr比自发极化强度Ps小。 163为了从电滞回线上获得Ps的数值，需求把电滞回线的饱和支CB外推到电场为零时在极化轴上的截距E点(OE)。 反剩余极

87、化全部去除所需的反向电场强度称为矫顽电场强度。电场继续在反方向上添加时，极化强度经点到达G点使一切电畴都在反方向上定向。 当反向电场重新下降并改动其方向时，那么和前面的过程类似，经由GH前往到C占，完成整个电滞回线CDGHC。电场每变化一周，上述循环发生一次 1642. 2. 铁电体的极化处置铁电体的极化处置 铁电体经常被用来制造压电器件和热释电器件 工业上把晶体的单畴化处置称为极化处置。意即斌予晶体以极性 多晶陶瓷在极化处置时所能到达的饱和极化强度比自发极化强度低 165经极化处置后，铁电体所获得的剩余极化是不稳定的，将随时间而衰减，从而呵斥其介电、压电、热释电性质也发生变化。在工程上，这种

88、景象被称为铁电体的老化。假设用高温进展处置，铁电体的剩余极化迅速衰减到零。我们便把这种处置称为去极化处置。 1667.5 7.5 铁电体物理效应铁电体物理效应 一一. 压电效应压电效应 对对于不存在于不存在对对称中心的晶体，加在晶体称中心的晶体，加在晶体上的外力除了使晶体上的外力除了使晶体发发生形生形变变以外，同以外，同时时，还还将改将改动动晶体的极化形状，在晶体内部建立晶体的极化形状，在晶体内部建立电场电场，这这种由于机械力的作用而使介种由于机械力的作用而使介质发质发生生极化的景象称极化的景象称为为正正压电压电效效应应。反之，假。反之，假设设把把外外电场电场加在加在这这种晶体上，改种晶体上，

89、改动动其极化形状，其极化形状，晶体的外形也将晶体的外形也将发发生生变变化，化，这这就是逆就是逆压电压电效效应应。二者。二者统统称称为压电为压电效效应应。167 晶体能否具有压电效应，取决于晶体构造的对称性 晶体构造上不存在对称中心是产生压电效应的必要条件 在晶体的32种点群中，具有对称中心的11个点群不会有压电效应。在21种不存在对称中心的点群中，除了432点群由于对称性很高，压电效应退化以外，其他20个点群都有能够产生压电效应。 168图图7.23 7.23 晶体压电效应的表示图晶体压电效应的表示图169 对于有对称中心的晶体,无论有无外力作用，晶体中的正负电荷中心总是重合在一同的,因此不具

90、有压电效应。 假设将一块压电晶体置于外电场中，由于电场的作用，晶体内部正负电荷重心发生位移，这一位移又导致晶体发生形变，这个效应叫逆压电效应。170压电效应与压电常数压电效应与压电常数 在压电效应中，电荷与应力是成正比例的，在压电效应中，电荷与应力是成正比例的，用介质电位移用介质电位移 D D单位面积的电荷和应力单位面积的电荷和应力 X X表达式如下：表达式如下： D = d X D = d X 对于逆压电效应，其应变对于逆压电效应，其应变 x x与电场强度与电场强度 E EV/mV/m的关系为：的关系为： x = d E x = d E 171压电效应与压电常数压电效应与压电常数 对于正和逆

91、压电效应，压电常数d在数值上是一样的， 为矢量， 为张量172标量、矢量和张量标量：与方向无关，如密度、质量、温度等；矢量：既有大小又有方向，如力、速度、电场强度等；张量：简单的说，张量概念是矢量概念和矩阵概念的推行，标量是零阶张量，矢量是一阶张量，矩阵方阵是二阶张量，而三阶张量那么好比立体矩阵，更高阶的张量用图形无法表达。173压电效应的方程式 D1=d11X1+d12X2+d13X3+d14X4+d15X5+d16X6D2=d21X1+d22X2+d23X3+d24X4+d25X5+d26X6D3=d31X1+d32X2+d33X3+d34X4+d35X5+d36X6正压电效应，根据定义可

92、写出方程式： 式中d的第一个下标代表电的方向，第二个下标代表机械力力或形变方向。174D1=d15X5 D2=d15X4D3=d31X1+d31X2+d33X3 上式为简化的正压电效应方程式 0 0 0 0 d15 00 0 0 d24 0 0d31 d32 d33 0 0 0175x1= d31 E3x2= d31 E3x3= d33E3x4= d15 E2x5= d15 E1 同样，逆压电效应的方程式可归纳为 在逆压电效应中常数d的第一下标也是“电的分量，而第二个下标是机械形变或应力的分量。 176假好像时思索力学参量X，x和电学参量E，D的复协作用，可用简式表示如下 D = dX=x =

93、SEX =dE 式中是在恒定应力或零应力下丈量出的机械自在介电常数，SE为电短路情况下的弹性常数 177二、热释电效应二、热释电效应当晶体的温度T 均匀变化时，晶体的自发极化强度矢量也随着发生变化。晶体的热释电效应可用以下关系给出： 其中称为热释电常数，其单位为C/m2K 假设晶体在加热时压电轴正端产生正电荷，那么规定该晶体沿着这一轴向的热释电常数为正。大多数晶体的自发极化随着温度的添加下降，因此热释电常数为负值。 178晶体的热释电效应实践上是一种热-电耦合效应，进一步分析热释电效应可以像压电效应一样列出晶体的热释电方程：为热释电常数179热释电效应与弹性边境条件 假设晶体是在机械夹持形状下

94、加热的，即晶体的体积和外形被强迫地坚持不变，这时所察看到的热释电效应为第一类热释电效应假设晶体在机械自在形状下加热，那么晶体将因受热膨胀而产生应变，这种应变将经过压电效应产生电位移而叠加在第一类效应上，这种由于热膨胀经过压电效应耦合而产生的附加热释电效应称为第二类热释电效应自在晶体受热时的热释电效应是第一类效应和第二类效应之和 180第一部分为恒应变和恒电场下的热释电常第一部分为恒应变和恒电场下的热释电常数，即第一类热释电常数数，即第一类热释电常数 第二部分第二部分 e和和a的乘积就是热膨胀经过压电的乘积就是热膨胀经过压电效应的耦合对热释电效应的奉献，即第二效应的耦合对热释电效应的奉献，即第二

95、类热释电常数。类热释电常数。 181在非均匀加热，晶体内部会出现温度和应力梯度。应力梯度经过压电效应的耦合也将引入附加的热释电效应，称为第三类热释电效应 182任何电介质在外电场E 的作用下都会出现应力，这种应力的大小与E 的二次项成线性关系，称这种效应为电致伸缩electro striction 电致伸缩效应与压电效应的区别在于：前者是二次效应，在任何电介质中均存在；而后者是一次效应，只能够出现于没有中心对称的电介质中。对于压电体，在外电场作用下一次的压电效应和二次的电致伸缩效应同时出现。普通说来，一次效应比二次效应显著，但两者有时可以具有一样的数量级。第八章 磁性物理 在其他章节中，对物质

96、的导电性能等进展了引见。在其他章节中，对物质的导电性能等进展了引见。本章将引见物质的磁性。着重引见物质的磁性来源，本章将引见物质的磁性。着重引见物质的磁性来源，原子磁矩的计算，各种资料中原子磁矩的计算原那原子磁矩的计算，各种资料中原子磁矩的计算原那么。进一步引见物质磁性的分类，抗磁性概念，顺么。进一步引见物质磁性的分类，抗磁性概念，顺磁性的居里磁性的居里-外斯定理外斯定理,铁磁性的分子场实际，物质铁铁磁性的分子场实际，物质铁磁性的来源，亚铁磁性的超交换实际。以及引见铁磁性的来源，亚铁磁性的超交换实际。以及引见铁磁性物质内部的能量和磁畴的构成。磁性物质内部的能量和磁畴的构成。本章提要本章提要8.

97、1 概述物质的磁性来源于资料的电子构造。电子磁矩物质的磁性来源于资料的电子构造。电子磁矩的相互作用决议了磁性资料的类型和磁性能的相互作用决议了磁性资料的类型和磁性能 一个宏一个宏观磁体由磁体由许多有固有原子磁矩多有固有原子磁矩的原子的原子组成。宏成。宏观磁体磁体单位体位体积内原子磁矩矢量内原子磁矩矢量总和称和称为磁化磁化强度度(Magnetization) 当原子磁矩同向平行陈列时，宏观磁体对外显当原子磁矩同向平行陈列时，宏观磁体对外显示的磁性最强。当原子磁矩紊乱陈列时，宏观示的磁性最强。当原子磁矩紊乱陈列时，宏观磁体对外不显示磁性磁体对外不显示磁性 一个通有电流的无限长螺旋管线圈，在螺旋管中

98、一个通有电流的无限长螺旋管线圈，在螺旋管中心处的磁场强度为：心处的磁场强度为：H=nI/L 这里这里n是线圈匝数，在是线圈匝数，在SI制中，制中，L是线圈长度是线圈长度m，I是电流强度是电流强度A,磁场的单位是磁场的单位是A/m 图图8.1表示电流经过螺旋管产生的磁场表示电流经过螺旋管产生的磁场H和磁感应强度和磁感应强度B的关系的关系 将磁性资料放入磁场空间时，B的大小取决于资料M和H的相互作用：B=0H+M=H，这里为磁导率(Permeability) 也可以定也可以定义相相对磁磁导率率r/0，大的，大的r表示表示资料有料有大的磁大的磁场加加强作用作用 普通物质磁性强弱可由磁化率(Susce

99、ptibility)=M/H来表示。和r都反响了资料加强磁场的程度，它们之间的关系为：r+1 8.2 原子和离子的固有磁矩8.2.1 自在原子的磁矩1.电子轨道磁矩波尔的原子构造模型：原子核外电子以角速度为绕原子核作半径为r的圆周轨道运动 设电子的电荷为e，质量为m，从电荷流动产生电流的角度思索: i=-e/2又根据电磁实际的定义，电流为i ，面积为A的闭合回路中产生的磁矩为 l=iA得电子轨道磁矩为 l= er2/2。另外，该电子运动的角动量Pl为：Pl=r2m，由此可得：l=lPl 这里l =e/2m称为轨道旋磁比 在外磁场作用下，轨道磁矩在外场方向的可取值为：l,H=mlB式中m1为磁量

100、子数，可以取m1=0，1，2，3，l,共2l+1个值 合成的总轨道角动量等于零，总轨道磁矩也等于零计算原子的总轨道磁矩时，只需求思索未填满的那些次壳层中电子的奉献 2. 电子自旋磁矩 实验和量子力学已证明电子在做轨道运动的同时还绕本身的轴做自旋运动，自旋运动产生的磁矩为： l=2 B s为自旋量子数，它仅能取两个值1/2 计算原子的总自旋磁矩时，只需求思索未填满的那些次壳层中电子的奉献。3. 原子的总磁矩 原子的总磁矩是电子轨道磁矩与自旋磁矩的总和。 原子内各电子轨道磁矩先组合成原子总的轨道磁矩L，各电子的自旋磁矩先组合成原子总的自旋磁矩L，各电子的自旋磁矩先组合成原子总的自旋磁矩s，然后两者

101、再耦合成原子的总磁矩。这种耦合称为LS耦合 LS巧合的自在原子的磁矩为： J=L+s=-B(PL+2Ps)/ h |J|=gJ(J+1)B 式中g称为朗德Lande因子；J为原子总角量数；L为原子总轨道角量子数；S为原子总自旋量子数 g=1+J(J+1)+S(S+1)-L(L+1)/2J(J+1) 当L=0时，J=S,g=2,原子总磁矩由自旋磁矩奉献。当S=0时，J=L,g=1,原子总磁矩由轨道磁矩奉献。洪德法那么：在LS耦合的情况下，对那些次电子层未填满电子的原子或离子，在基态下，其总角量子数J与总轨道量子数L和总自旋量子数S的取值为： 1.在未填满电子的那些次电子层内，在泡利Pauli原理

102、允许的条件下，总自旋量子数S取最大值，总轨道量子数L也取最大值。2.次电子层未填满一半时，原子总角量子数J=L-S；次电子层满一半或满一半以上时，原子的总角量子数J=L+S。例如,Fe的未满层电子是3d6,该层电子对原子 磁矩有奉献： n=3, l=2, ml=0,1,2 S=5*1/2-1*1/2=2 L=ml=2+1+0+9+(-1)+(-2)+2=2 g=1.5, J=6.7B822 物质中的原子磁矩 实验证明，由于物质中的原子相互作用和影响，物质中的原子磁矩有时会发生变化。 在主要由Fe等3d族离子组成的铁氧体晶体的情况，其特点是对磁性有奉献的3d电子根本固定在原子周围，它遭到了临近离

103、子原子核的库仑场以及电子的作用，这一作用的平均效果等效为一个电场，称为晶体场 因此在铁氧体等磁性资料中，计算原子磁矩只需思索它的自旋磁矩的奉献，轨道磁矩由于冻结可以近似看作为0。这样计算出来的原子磁矩和实验值很吻合 总之，从量子角度来看，在中心场中总轨道角动量的平方L2和角动量的一个分量Lz是恒量。而在非中心场中，轨道平面会变动，角动量分量Lz再不是恒量，其平均值能够为零。当Lz平均为零时，就称为轨道冻结 在同样是由Fe,Ni等3d元素组成的金属及其合金中，根据上述实际计算出的磁矩和实验值相差甚远 例如根据上述计算，Fe,Ni金属及其合金的磁矩应该是B的整数倍H=2SB，Fe3+的磁矩为5B,

104、Fe2+为4B。但是实验阐明，金属Fe磁矩为2.2B.呵斥这种差别的主要缘由是金属Fe,Ni及其合金是金属 普通用以下阅历公式来计算Fe,Ni金属及其合金的磁矩H：H=10.6-nBn是4s+3d电子数。由此计算出：Fe(n=8),Ni(n=10),Co(n=9)的H分别为2.6B, 0.6B, 1.6B。和实验值比较接近 Fe,Ni金属及其合金的磁矩实验值随外层电子数变化的曲线如图8-5，也称斯莱特泡利曲线 图8-5斯莱特泡利曲线 12.4 薄膜的尺寸效应 12.4.1 12.4.1 尺寸效尺寸效应应 由于外表能的影响使熔点降低；由于外表能的影响使熔点降低； 干涉效干涉效应应引起光的引起光的

105、选择选择性透射和反射；性透射和反射； 外表上由于外表上由于电电子的非子的非弹弹性散射使性散射使电导电导率率发发生生变变 化；化； 平面磁各向异性的平面磁各向异性的产产生；生； 外表能外表能级级的的产产生；生；电电子构造子构造发发生生变变化；化； 由于量子尺寸效由于量子尺寸效应应引起引起输输运景象的运景象的变变化；化； 由于薄膜的外表与内部的差由于薄膜的外表与内部的差别别引起引起铁电铁电相相变变居居里温度里温度发发生生变变化；化； 由于退极化由于退极化场场的影响，使的影响，使铁电铁电薄膜的介薄膜的介电电常数常数与膜厚关系与膜厚关系发发生生变变化等。化等。1对于于输运性运性质，相关的尺寸包括德布，

106、相关的尺寸包括德布罗意波意波长，平均自在程，平均自在程，标识电子局域化的子局域化的各种尺度以及磁各种尺度以及磁场中的中的盘旋半径。旋半径。2在磁性体系中，相关的尺度是交在磁性体系中，相关的尺度是交换作作用的范用的范围，它是原子，它是原子间距的量距的量级。3在在铁电体中，相关的尺寸是体中，相关的尺寸是铁电临界界尺寸，其与居里温度、尺寸，其与居里温度、铁电相相变、铁电畴等畴等亲密相关。密相关。4在超在超导体中，有两个相关的尺度：体中，有两个相关的尺度：London穿透深度和相关穿透深度和相关长度。度。 相关尺度相关尺度12.4.2 12.4.2 金属薄膜的尺寸效应金属薄膜的尺寸效应 根据膜厚根据膜

107、厚d、有效、有效载载流子的平均自在程流子的平均自在程和德布和德布罗罗意波意波长长这这些量的相些量的相对对大小，可将大小，可将其划分其划分为为几个区域：几个区域： 经经典区，其中典区，其中ld，电电子被看成子被看成经经典粒子，可用玻耳典粒子，可用玻耳兹兹曼曼输输运方程运方程计计算其算其输输运运性性质质； 经经典尺寸效典尺寸效应应区，其中区，其中dl； 量子尺寸效量子尺寸效应应区，其区，其d。4.2.1 4.2.1 经经典尺寸效典尺寸效应应1Fuchs模型实际模型实际 2Cotter模型多层模型实际模型多层模型实际 在经典尺寸效应区，在经典尺寸效应区，dl，即电子平均自，即电子平均自在程在程l和薄

108、膜的厚度和薄膜的厚度d可比较时，薄膜外表和界可比较时，薄膜外表和界面对电子散射给出明显奉献，因此对电阻产生面对电子散射给出明显奉献，因此对电阻产生影响。但只需当这个散射是漫散射时，电阻率影响。但只需当这个散射是漫散射时，电阻率才遭到影响。假设发生镜面反射，那么在电场才遭到影响。假设发生镜面反射，那么在电场方向电子速度分量将不受影响，因此不影响电方向电子速度分量将不受影响，因此不影响电阻率的大小。阻率的大小。 12.4.2.2 量子尺寸效量子尺寸效应应 在量子尺寸效在量子尺寸效应应区，即当膜厚区，即当膜厚d与德布与德布罗罗意波意波长长可比可比较时较时，导带导带和价和价带带将劈裂将劈裂为为子子带带，垂直膜面的波垂直膜面的波长长kz将近似按将近似按N/d量子化，从量子化，从而而产产生了所生了所谓谓量子尺寸效量子尺寸效应应 量子尺寸效量子尺寸效应导应导致致费费米能米能级级EF、EF处处的的电电子密度、逸出功、子密度、逸出功、电电阻率和各种阻率和各种热热力学量随力学量随膜厚膜厚d的振的振荡变荡变化。化。 图图12.10 费米能级费米能级 EF与膜厚与膜厚d的关系的关系