金属和半导体材料电导材料物理性能

2.合金元素
最大电阻率通常在 50 %浓度处
原因：
晶体点阵畸变； 杂质对理想晶体的局部破坏； 合金化对能带结构的影响； 合金化对弹性常数的影响。
Ag-Cu合金电金阻属率和半与导体成材料分电的导材关料物系理性
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能
铁磁性和强顺磁性金属组成 的固溶体，不仅电阻的极大 值出现在较高浓度处，而且 电阻也异常的高。
原因：价电子转移使有效导
电的电子数减小。 Cu—Pd、Ag—Pd和Au—Pd合金
电组率与成分的关系金属和半导体材料电导材料物理性
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能
合金有序化后电阻降低
电子结合比无序态时强，导电电子数减少
固溶体有序化
晶体的离子势场更为对称，电子的散射降低
合金电阻降低
完全有序合金在0 K和纯金属一样电阻为零， 只有当原子的有序排列遭破坏时才有电阻。
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能
K状态最早在Ni80Cr20合金中发现。
不均匀固溶体的金属电和半阻导体率材与料电温导材度料的物理关性 系示意图
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能
存在金属间化合物
金属化合物的电阻率要比各组元的电阻率高， 若两组元给出价电子的能力相同，则所形成的 化合物的电阻就低；相反，若两组元的电离势 相差较大，则化合物的电阻就大。
掺杂浓度:掺杂越多，载流子和电离杂 质相通而被散射的机会也就越多。
➢温度:温度越高，载流子运动速度越 大，散射作用越弱。
电离杂质散射
温度对两种散射作用的影响是相反的，在高掺杂时，电离杂质散射随温度变 化的趋势与晶格散射相反，因此迁移率随温度变化较小。
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能
二、金属材料中载流子浓度
散射越弱，τ越长，迁移率也就越高。
影响电子电导的控制因素-散射对自由程的影响
➢散射 (1)晶格散射 光学波和声学波散射。随着温度的增加， 晶格振动的散射越来显著，而杂质电离的 散射变得不显著了。
温度越高，晶格振动越强，对载流子的晶
格散射增强。
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能
(2)电离杂质散射 电离杂质的散射：施主杂质在电离后是一个带正电的离子，而受主 杂质电离后则是负离子。在正离子有或负离子周围形成一个库仑势 场，载流子将受到这个库仑场的作用，即散射。
自由电子的迁移率：
ev /EeE /m eEe/m e
有效电子（晶格场中电子波） 迁移率：
e=v/E=e/m*（有效电子）
有效电子m*=？
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能
大多数导体（自由电子），m*= me 半导体和绝缘体以及部分导体，m*≠ me
3）晶格场中的电子迁移率μ：
μ = eτ/ m*
2.2金属材料和半导体材料的电导
1.电子电导的载流子：电子或空穴(即电子空位)。 2.电子电导材料：主要发生在导体和半导体中。 3.电子的运动： 1）理想晶体中：电子运动像理想气体分子在真空中的运动一 样，电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。
2）实际晶体中：周期性受到破坏，电子运动受到阻碍。电子 与点阵的非弹性碰撞引起电子波的散射是电子运动受阻的原 因之一。
为化学缺陷和物理缺陷引起的残余电阻率，
残 与温度无关。
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反映了能金属的纯度和完整性
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2.偏离马提申规则
TCRd 1 dT
TT0TT0T0
获取精密电阻合金的途径：
（1）提高合金电阻率 （2）降低合金电阻率随温度的变化率
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能
二、金属材料导电性的影响因素
1.温度
➢迁移率与温度关系 高温下，声子散射项起主要作用
I aT3/2
低温下杂质离子散射项起主要作用；
I bT3/2
金属和半导体材料电导材料物理性 能
迁移率与温度的关系
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1.温度
电子-声子散射
电子-电子Baidu Nhomakorabea射
在室温和更高温度 下，非过渡金属的 电阻率：
T01T
非过渡族金属的电阻—温度曲线
电阻温度系数
经典理论e=v/E=e/m*（有效电子）
m*决定于晶格，对氧化物m*一般为me的2-10倍；对碱性盐m*= me /2。
取决于散射和温度
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能
3.影响迁移率的因素：
μ = eτ/ m*
不同的半导体材料，电子和空穴的有效质量不同。
平均自由运动时间的长短是由载流子的散射的强弱来决定的。
实际晶体中： 电子运动会被声子、杂质、缺陷散射，使金属有电阻。 电子在前进方向上的平均迁移速度为0，外加电场使电子获得定向速度。
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2）电子定向速度（实际晶体）
自由电子的平均速度： vateE/me
电子质量
2—为电子每两次碰撞之间的平均时间；
为松弛时间 ，与晶格缺陷和温度有关，温度越高，晶体缺陷越多 电子散射几率越大， 越小；单位时间平均散射次数1/2 ；
金属键 PK 离子键或共价键
中间相金属化合物根据是否存在奇异点分为道尔 顿体和别尔多利体两种。
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5. 金属导电性的测量与分析
单（双）电桥法
直流电位差计法
电阻分析的应用
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单电桥法
未知臂 Rx
R2 比较臂
➢金属导体能带结构 导带 价带
费米能级Ef
导带和价带之间没有禁区，电子进入导带 不需要能量，导电电子的浓度很大。
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能
2.2.2金属材料的导电性
一、金属材料导电特性的实验规律
1.马提申规则
2.偏离马提申规则
1.马提申规则
杂质和缺陷上的散射
i T残
i
声子散射和电子散射
T 为金属的基本电阻率，与温度有关；
电阻—温度关系在低温条件下较复杂，室温以上则较简单。
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电阻温度系数
0 ~ T℃温区T 的平0 均温度系数 0T
在温度T 时的真电阻温度系数为
T
1
T
d
dT
纯金属： α≈ 4×10－3
过渡族金属，特别是金属铁和磁半导性体金材属料电α导较材高料物理性
能
Fe：6×10－3 Co ：6.6×10－3 Ni ：6.2×10－3 12
➢ 电场周期破坏的原因：晶格热振动、杂质的引入、位错和裂缝 等。
➢ 电子运动受阻的原因：电子与点阵的非弹性碰撞引起电子波的
散射使电子运动受阻。金属和半导体材能料电导材料物理性
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一、电子迁移率
1、经典力学理论 ——导体中电子的运动
1）电子定向加速
E
自由电子在外电场E作用下的加速度为： a = eE/me