材料的导电性能

合集下载
相关主题
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
31
5.2.3 导电材料与电阻材料
表面电阻、体积电阻
32
5.2.3 导电材料与电阻材料
1. 对板状样品
33
5.2.3 导电材料与电阻材料
2. 对管状样品
34
5.2.3 导电材料与电阻材料
3. 对圆片状样品
35
5.2.3 导电材料与电阻材料
电阻率测试方法
ρ v和ρ s都是用一个三电极装置测定,该装置由主电极、环 形电极和下电极组成。测定ρ v时样品被测面积就是主电极 的面积;测定ρ s时电极长度为主电极的周长。
11
2.能带的形成 设有N个原子结合成固体,原来单个原子时处 于1s能级的2N个电子现在属于整个原子系统(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相同的量子态(n ,l ,ml ,ms),因 而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,看起来几乎是连续的,从而 形成一条有一定宽度E的能带。
虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似, 但这些材料的禁带宽度Eg 较小。实际上,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。
28
表5.2一些材料的禁带宽度Eg(eV)
材料
C(金刚石)
禁带宽度 Eg 5.48 1.12 0.67
InAs
TiO2(锐钛矿) ZnO In2O3 SrTiO3 ZrO2
25
材料导电与能带特征的具体实例
周期表ⅣA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,因为这些元素的p能带没有被电子充满,似乎 应该具有良好的导电性。但实际情况却不是这样。 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 结构发生比较复杂的变化,即杂化现象。
对于由大量原子结合而成,若要研究多原子中电 子的运动,原则上说,应当去解多原子、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究能带的形成。 1.电子的共有化 固体中的原子排列是很紧密,因而各相邻原子 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 实际上是处于为各邻近原子乃至整个固体所共有的 状态。这种现象称之为电子的共有化。
8
5.2.1 能带结构
对给定的一个l(角)的分壳层, ml=0,±1,±2,…,±l,共(2l+1)个值(磁);
1 ms , 共2个值; 2
量子态数为 2(2l+1) 所以各分壳层能容纳的最多电子数为 l= 0, 1, 2, 3, 4 …… s p d f g …… 最多电子数: 2 6 10 14 18 ……
0.36
3.2 3.2 2.5 3.2 5.0
29
Si Ge
Sn(灰锡) 0.08
GaAs 1.35
5.2.3 导电材料与电阻材料
电阻率(电导率)
对一截均匀导电体,存在如下 关系: 欧姆定律
i
Area Length
30
5.2.3 导电材料与电阻材料
表面电阻、体积电阻
施加电场时,通过材料的电流为表面电流和体积电流之和。 I=Is+Iv 相应地电阻也可以分为体积电阻Rv和表面电阻Rs 体积电阻率ρ v 或 式中: h为试样的厚度; S为试样的面积 表面电阻率ρ s 式中:ι 为电极的长度;b为电极间的距离。
15
电子在能带中的填充和运动
由于满带中所有能级都被电子 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

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。
9
5.2.1 能带结构
2. 能量最小原理 原子系统处在正常状态时,每个电子总是尽可能 占有最低的能级。 电子在各壳层、分壳层的填充由左向右: n= 1 K 1s2 2 L 2s22p6 3 M 4 N …… ……
3s23p63d10 4s24p64d104f14 …...
10
5.2.1 能带结构


16
图 5.4
材料导电与能带特征
E E 空 带 禁Байду номын сангаас带 E=0.10.2eV 满 带 空 带 禁 带 E=36eV 满 带
(a)半导体的能带
(b)绝缘体的能带
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。
36
5.2.3 导电材料与电阻材料
电阻测试方法
1. 二探针法 R = Rsample + Rcontact R = V/I r = (RA)/L 特征:适用于高导电率材料
37
L A
V
Ohmeter
I
5.2.3 导电材料与电阻材料
电阻测试方法
L 2. 四探针法 I = V1/R1 A
I
V2 R1 V1
Compound Resistivity (-cm) Compound Resistivity (-cm)
Ca Ti Mn Zn Cu Ag Pb
3.9 10-6 42 10-6 185 10-6 5.9 10-6 1.7 10-6 1.6 10-6 21 10-6
材料结构的类型

聚集态结构
气、液、固;固态中有晶态和非晶态。 物相结构:混合物、晶态、非晶态 显微结构:取向 空间位置分布:多组分、多相材料的均匀性

分子与晶体结构
基团结构 分子结构:相对分子量、相对分子质量分布、支化度、交联度 晶体结构 构型与构象

电子结构
3
5.2.1 能带结构
能带理论是在量子自由电子论的基础上,考 虑了离子所造成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。 从连续能量分布的价电子在均匀势场中的运 动,到不连续能量分布的价电子在均匀势场中的 运动,再到不连续能量分布的价电子在周期性势 场中的运动,分别是经典自由电子论、量子自由 电子论、能带理论这三种分析材料导电性理论的 主要特征。
17
E E 空 带 禁 带 E=0.10.2eV 满 带 (a)半导体的能带 空 带 禁 带 E=36eV 满 带 (b)绝缘体的能带
绝缘体的禁带一般很宽 , 一般的热激发、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 电子受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 18 得多。
1916年柯塞尔(W.Kossel)对多电子的原子系统提 出了壳层结构学说: 主量子数n相同的电子分布在同一壳层上。 主量子数n相同而角量子数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。
1s 1s能带
图 5.1 能带的形成
12
5.2.1 能带结构
图 5.2 电子数量增加时能级扩展成能带
13
能带的重叠现象:
E
0
a
离子间距
14
5.2.1 能带结构 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。 在能带之间没有可能量子态的能量区域叫 禁带。
但是,由于固体镁的3p能带与3s能带 有重叠,这种重叠使得电子能够激发到3s和 3p的重叠能带里的高能级,所以镁具有导电 性。
24
材料导电与能带特征的具体实例
从钪到镍的过渡族金属中,未被电子充满的 3d能带和4s能带发生重叠。这种重叠使得电子能 够被激发到高能量的能级。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能带已经被电子充满, 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能带之间基本没有相 互作用,所以铜的导电性非常好。银和金的情况 与铜类似。
第5章 导电物理
5.1概述 5.2材料的导电性能 5.3金属电导 5.4半导体物理 5.5 超导物理
2个学时
2个学时
4个学时 10个学时 4个学时
1
5.2材料的导电性能
5.2.1 能带结构 5.2.3 导电材料与电阻材料 5.2.4 其他材料的导电性能
2
5.2.1 能带结构
材料的性能决定于: 组成 结构
21
材料导电与能带特征的具体实例
图 5.6 能带中电子随温度升高而进行能级跃迁
(a) 绝对零度时,所有外层电子占据低的能级 (b) 温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级
22
材料导电与能带特征的具体实例
图 5.7 镁的能带结构
23
材料导电与能带特征的具体实例
镁原子的核外电子结构为1s22s22p63s2。 像镁这样的周期表ⅡA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。
材料导电与能带特征
E 导带(不空) E E 空 带
禁 带
满 带
空 带
满 带
导带(不空)
满 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,从而形成电流,所以导体显示出 很强的导电能力。
19
材料导电与能带特征的具体实例
导带
禁带
图 5.5 钠的能带结构
20
材料导电与能带特征的具体实例
由于钠只有1个3s电子,所以在3s价带上, 只有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,只有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,产生了相同数量的空穴。
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;
1 ms , 共2个值; 2
n 1
量子态数为
2 (2l+1) =2n2
l 0
所以各壳层能容纳的最多电子数为 n= 1, 2, 3, 4, 5, …… K L M N O …… 最多电子数: 2 8 18 32 50 …...
Ohmeters Current Source
Rsample = V2/I
Rsample = (V2R1)/V1 r = Rsample (A/L) 特征:
样品尺寸较大,一般用来测量半导体材料的方阻。
38
5.2.3 导电材料与电阻材料
材料的电阻
39
5.2.3 导电材料与电阻材料
Resistivities of Real Materials
4
5.2.1 能带结构
电子的运动状态的表征:
粒子性与波动性 经典物理:状态用物理量描述。 量子力学:状态用波函数描述。 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)
5
5.2.1 能带结构
原子的壳层结构:
6
5.2.1 能带结构
电子的分布规律: 多电子的原子系统中,核外电子在不同的壳层上的 分布遵从下面两条基本原理: 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 有完全相同的量子态(n ,l ,ml ,ms)。 利用泡利不相容原理可以计算各个壳层中可能占 有的最多电子数。
7
5.2.1 能带结构
26
材料导电与能带特征的具体实例
图 5.8 金刚石中碳的能带结构
27
材料导电与能带特征的具体实例
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,能够从价带 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10-13Ω-1· cm-1,温度升到800℃时则 为10-4Ω-1· cm-1。
相关文档
最新文档