导电篇

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第三节 超导材料
提
纲
4.3.1 超导现象 4.3.2 超导产生机理 4.3.3 超导材料
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４．３．１ 超导现象
超导的发现
Heike Kamerlingh Onnes （21 Sep. 1853--21 Feb. 1926） • Nationality：Netherlands • University of Leiden • Onnes-effect • Nobel Prize in Physics (1913)
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介质中载流子来源
４．１．３ 材料导电机理
电荷载体 物体导电的微观本质就是载流子的定向迁移。
J = nqν J nqν σ = = = nq µ E E
定义： µ =
ν
E
为载流子迁移率
意义为单位电场下载流子的平均迁移速度
= σ 材料的电导率：
= σ ∑n q µ ∑
i i i i i
i
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４．１．３ 材料导电机理
功能材料物理基础
第四章 导电材料物理基础
第一节 第二节 第三节 第四节
材料的电导性质 半导体材料 超导材料 导电高分子材料
第一节 材料的电导性质
提
纲
4.1.1 导体材料 4.1.2 物质的电导率 4.1.3 材料导电机理
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４．１．１ 导体材料
导体材料分类
导体材料按照化学成分主要有以下三种：

之间，常用的有银、铜和铝等。
3 x 10-7
10 -5 10 3
0.2 0.06
六方晶体 六方晶体
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４．２．２ 半导体材料
杂质半导体 因为本征半导体的载流子密度非常小，需要在高温下 工作，故应用不多。实际应用的大多数为掺杂后非本征半 导体，也叫杂质半导体。 n型半导体(电子型，施主型)
IVA族元素(C, Si, Ge, Sn)中掺以VA族元素(P, As, Sb, Bi) 后，造成掺杂元素的价电子多于纯元素的价电子。其导电 机理是电子导电占主导。 n型半导体
电子导电机理
价电子完全自由，可以在整个金属中自由运动
电子的运动是在以导体空间点阵为周期的势场 电子导 中运动，电子的势能是个周期函数 电理论 只有在费米面附近的电子才能对导电做出贡献
Conduction band
费米能级
forbidden band valence band
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４．１．３ 材料导电机理
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４．１．２ 物质的电导率
导电性质
电导：表示某一种导体传输电流能力强弱程度。单位是
Siemens（西门子），Fra bibliotek称西，单位S或Ω-1
电导率： 电导率差异
1 σ = =
ρ
L J = 单位S m-1或Ω-1 m-1 RS E
按照电导率可以将材料分为：导体、半导体、超导体、 绝缘体 纯金属低温下的电导率可高达1012Ω-1 m-1, 这里还没有 考虑超导体情况. 良绝缘体的电导率小于10-20 Ω-1 m-1. 在正常状态的不同物质中，电导率值可相差1032个数 量级，是物性参数中数值变化范围最大的量之一.
引线材料、导体布线材料、辐射屏蔽材料、电池材料、开 关材料、传感器材料、信息传输材料、释放静电材料和接 点材料等，还可以作成各种金属填充材料和金属复合材料。 合金导体材料主要用作电阻材料和热电偶材料。 非金属导体材料主要用作耐腐蚀导体、高温导电和导电 填料。
金属导体材料主要用作：电缆材料、电机材料、导电
e e e e e e
导带 Ed
Ef
Eg 价带
n型半导体
p型：其逾量空穴处于受主能级。
由于受主能级与价带顶端的能隙 Ea远小于禁带宽度Eg，价带上的 电子很易激发到受主能级，在价 带中形成空穴导电。 Eg Ef
e
导带
Ea 价带
p型半导体
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４．２．２ 半导体材料
化合物半导体 因为两个以上的原子通过离子键组合，化合物半导 体的种类繁多性质各异，有广阔的应用前景。 代表性的化合物半导体有 II-VI族半导体：ZnSe, CdS, ZnO, ZnS III-V族半导体：GaAs, InP, GaN, AlN IV族化合物半导体：SiC, SiGe I-III-VI族半导体：CuInSe2 化合物半导体应用于微波、超高频晶体管、 传感器、光电子器件、电声耦合器等。
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４．２．２ 半导体材料
本征半导体 • 半导体中价带上的电子借助于热，光，电，磁等方式激发 到导带叫本征激发。满足本征激发的半导体叫本征半导体， 它的导电载流子是由本征激发所形成的导带中的电子和价 带中的空穴。通过载流子的运动来实现导电。 • 电导率由电子运动和空穴运动两部分所构成． 本征半导体是高纯度、无缺陷的元素半导体，其 杂质浓度小于十亿分之一。
非晶态半导体的应用
非晶态半导体多制成薄膜，氢化后禁带宽度可在1.2-1.8ev之间调节， 易于制成大面积薄膜，作为光电材料，适用于太阳能电池、传感器、 光盘和薄膜晶体管等。
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４．２．２ 半导体材料
高温半导体
• 通常的半导体硅器件的工作温度不超过200℃，而航空航天等军事工 业要求工作温度为500℃以上，常规半导体器件在高温时易被热击穿 和烧坏。另外．由于本征激发产生的载流于浓度增加，造成稳定性恶 化。而本征激发载流子浓度随禁带宽度的增加而降低。 • 禁带宽度大和耐高温的半导体主要有氧化锆(ZrO)、碳化硅(SiC)和人 造金刚石膜两种。
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４．２．２ 半导体材料
本征半导体
常见本征半导体材料
迁移率/ [cm2 / (s・V)] 材料 B C Si Ge Sn P As Sb S Se Te I 熔点/ ℃ 2076 4000 1410 959 232 44 814 630 119 220 452 114 禁带宽度 / eV 1.6 5.47 1.206 0.785 0.08 2 1.2 0.1 2.4 1.8 0.3 1.3 室温下电导 率/ (S/m) 10 -6 10 -12 5 x 10-4 2.2 电子 1800 1500 3900 1400 220 65 3 1 900 空穴 1200 450 1900 1200 350 60 晶体结构 六方晶体 金刚石结构 金刚石结构 金刚石结构 斜方晶 菱方晶体
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４．１．３ 材料导电机理
电荷载体
载流子：带电荷的粒子，即电流载体。
金属中，载流子是自由电子（包括电子和空穴） 无机材料中，载流子包括离子、电子及空位
电介质不是理想的绝缘体，其中总存在少量 载流子，例如:本征激发或者杂质激发的传导 电子或传导空穴. 不同形态的电介质中的离子、荷电胶粒、离 子团、空间电荷、电子空穴等，都可以成为载 流子而对材料的电导有贡献.
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４．１．２ 物质的电导率
材料电导率分类
物质，材料 电阻率 ρ（Ωm） 导体 Ag 1.59 x 10-8 Cu Au Al W Fe 半导体 Ce Si GaAs 1.67 x 10-8 2.35 x 10-8 2.66 x 10-8 5.65 x 10-8 9.71 x 10-8 0.46 2.3 x 103 4 x 106 电导率σ (S/m) >105 6.29 x 107 5.99 x 107 4.26 x 107 3.76 x 107 1.77 x 107 1.03 x 107 10-9~105 2.17 4.35 x 10-4 2.50 x 10-7 物质，材料 绝缘体 钻石 石英 钠钙玻璃 尼龙 天然橡胶 电导率 ρ（Ωm） 电导率σ (S/m) < 10-9 1 x 1014 3 x 1014 109-1014 1010-1013 1013-1015 1 x 10-14 3.33 x 10-15 10-9-10-14 10-10-10-13 10-13-10-15
1911年Onnes在研究极低温度下金属 导电性时发现，当温度降到4.2 K时， 汞的电阻率突然降到接近于零(10-5 Ω) 这种现象称为汞的超导现象。
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４．３．１ 超导现象
超导
0.15
电阻 (Ω)
超导(superconductivity)： 在低于某一温度时电阻变零的 现象。
0.125 0.1 超导态 0.075 0.05
10-5 常导态
临界温度 （Critical temperature, Tc）：从正常态转变成超导态的温度。 这个转变叫作正常—超导转变
0.025
Tc
温度 （K） 根据Onnes 用Hg第一次发现超导的报告 Leiden Comm. 120b, 122b, 124c (1911) 再现的数据
0 4.00 4.10
因为，原子拥 有周期的势能， 能带的区别分 明
晶态半导体
因为，原子没 有周期性，能 带变得模糊。
非晶态半导体
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４．２．２ 半导体材料
非晶态半导体 非晶态半导体的特点
• 非晶半导体对杂质掺入不敏感，结构不具有敏感性。掺入杂质的正常 化合价都被饱和，即全部价电子都处在键合状态，几乎所有非晶态半 导体都具有本征半导体的性质。 • 非晶态半导体由于它的非结晶性，因此无方向性，所以没有结晶、提 纯、杂质控制等复杂工艺。故非晶态半导体便于大量生产，并且价格 低廉。 • 非晶态半导体的种类有：共价型和离子键型。共价型有三种：①四面 体型；② “链状”型；③ 交链网络型。离子键型主要是氧化物玻璃。
纤维锌矿(wurtzite)结构
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闪锌矿(sphalerite)结构
４．２．２ 半导体材料
非晶态半导体 与晶态物质相比，非晶态物质的原子排列没有周期性
单晶 （single crystal） 原子排列完全有规律
多晶(polycrystalline) 在一定范围里有规律 EC Ef EV
非晶(amorphous) 完全没有规律
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４．１．３ 材料导电机理
温度对电导率的影响
(A)
(B)
(C)
电导率与温度的关系示意图 (A) 金属；(B) 半导体； (C) 绝缘体
金属的电导率随T上升而下降，其中载流子的产生及迁移均不需热激活，但T上升 时载流子受到声子的散射加强而使电导率下降. 半导体和绝缘体的电导率随1/T变化的曲线相类似，温度上升，电导率增大. 有些材料的载流子浓度和迁移率还受周围环境如空气湿度、得失电子难易程度等的 影响. 尤其在一些高分子电介质中，这种影响显得特别重要.
p型半导体(空穴型，受主型)
在IVA族元素掺以III族元素(如B)时，掺杂元素价电子 少于纯元素的价电子，它们的原子间生成共价键以后，还 缺一个电子，而在价带中产生逾量空穴：以空穴导电为主， 掺杂元素是电子受主。 p型半导体
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４．２．２ 半导体材料
杂质半导体 n型：逾量电子处于施主能级，
施主能级与导带底能级之差为Ed， 而Ed大大小于禁带宽度Eg。因此， 杂质电子比本征激发更容易激发 到导带。在通常温度下，Eg与Ed 相差近二个数量级。
4.20 4.30
电子导电机理
导体
费米能级
价带导带相连
禁带较窄 能够跃迁
*2 *2
禁带较宽 难以跃迁 neff：有效电子数 e*： 电子电量 l：电子平均自由程 m*：电子有效质量 v ：费米面附近电子平均速度 t ：散射平均时间
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neff e l neff e = σ = t * 2 * 2m v 2m v
４．１．３ 材料导电机理

金属材料。这是主要的导体材料，电导率在107~108S/m
金等。

合金材料。电导率在105~107S/m之间，如黄铜，镍铬合 无机非金属材料。电导率在105~108S/m之间。如石墨在
基晶方向为2.5×106S/m。
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４．１．１ 导体材料
导体材料应用
导体材料在电力、电器、电子、信息、航空、航天、兵器、汽车、 仪表仪器、核工业和船舶等行业中有着广泛的应用。
离子导电机理
离子电导分为两类：一是源于晶体点阵中基本离子的运动，又称为
本征电导；二是结合力比较弱的杂质离子的运动，又称为杂质电导。
Es = σ s As exp(− ) kT
Bi = σ Ai exp(− ) T
As：取决于可迁移离子数的常数 Es：离子激活能 k：玻尔兹曼常数 T：绝对温度 Ai Bi：材料特性常数
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第二节 半导体材料
提
纲
4.2.1 半导体导电机理 4.2.2 半导体材料
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４．２．１ 半导体机理
电子激发 半导体（semiconductor）的电子结构跟绝缘体相近，只是半 导体的能带要比绝缘体小，电子受热或光等能量容易被激发， 同时产生空穴而形成传导。 受激发的电子跃迁到导带中 自由运动，变成传导电子 载流子 空穴在价带中运动，变成传 导正电荷