功能材料概论3(导体半导体及材料性能)

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（2）磁感应强度饱和性 当外磁场(或激励磁场的电流)增大到一定程度时，全部 二、磁饱和性 磁畴都会转向与外场方向一致，这时的磁感应强度将达 到饱和值。 （3）磁滞性 在铁心线圈通有交变电流时，铁心将被交变磁化。电流变 化一次时，B随H而变化的关系如图所示：当H减少为零时， B 并未回到零值，出现剩磁Br。磁感应强度滞后于磁场强 度变化的性质称为磁滞性。 B 1 不同物质的滞回曲线是不同的。 2
空带
E g
禁带
3 ~ 6eV (E 3 ~ 6eV ) g
满带 例如金刚石中两个碳原子相距 15nm时，△Eg=5.33eV。
满带与导带之间被一个较宽的禁带所隔开，在常 温下几乎很少有电子可以被激发越过禁带，因此 其电导率很低。
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3. 半导体：价带是满带，但是禁带宽度较小 空带 半导体能带结构下面是价带， 价带是一个满价带；上面是导 带，导带是空的；满价带和空 带之间是禁带，其禁带宽度比 较窄，一般在1ev左右。价带 中的电子受能量激发后，如果 激发能大于Eg，电子可以从价 带跃迁到空带上，形成导带， 同时在价带中留下一个空的能 级位置--空穴。
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磁性物质的分类
根据滞回曲线和磁化曲线的不同，大致分成三类：
(1)软磁材料 矫顽磁力较小， 磁滞回线较窄。 (铁心) B H (2)永磁材料 矫顽磁力较大， 磁滞回线较宽。 (磁铁) B (3)矩磁材料 剩磁大而矫顽磁力 小，磁滞回线为矩 形。(记忆元件) B H
H
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在外磁场作用下，磁畴就逐渐转到与外场一致的方向上，即 产生了一个与外场方向一致的磁化磁场，从而磁性物质内的磁 感应强度大大增加。就是说磁性物质被强烈的磁化了。 磁性物质被广泛地应用于电工 设备中，电动机、电磁铁、变压 器等设备中线圈中都含有的铁心。 就是利用其磁导率大的特性，使 得在较小的电流情况下得到尽可 能大的磁感应强度和磁通。 非磁性材料没有磁畴 的结构，不具有磁化 特性。
E g
禁带
0.1 ~ 2eV
满带
(Eg 0.1 ~ 2eV )
例如硅Eg=1.14eV，锗Eg=0.67eV，砷化镓Eg=1.43eV。 金属导电与半导体导电的差别：金属导电的载流 子是自由电子，半导体导电的载流子是导带中的 电子和价带中的空穴。
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2.6 本征半导体与杂质半导体
1.本征半导体：高纯度、无缺陷的元素半导体。 杂质浓度﹤10-9 导电机制：
要使剩磁消失，通常需进行反向磁化。 使B=0时的 H 值称为 矫顽磁力 Hc。
3 O 5
H
6
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4
(4) 磁性各向异性 指物质的磁性随方向而变的现象 磁性的各向异性：单晶体的不同晶向上，磁性能是不同的。 磁晶各向异性能：磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差。
主要表现为弱磁体的磁化率及铁磁体的磁化曲线随磁化方向 而变。铁磁体的磁各向异性尤为突出，是铁磁体的基本磁性 之一，表示饱和(或自发)磁化在不同晶体方向时自由能密度不 同。磁各向异性来源于磁晶体的各向异性。
价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中，跃 迁电子可在导带中自由运动；同时，在满价带中留 下空穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可传导正电 荷。因此，半导体的导电来源于电子和空穴的运动， 电子和空穴都是导电的载流子。
（本征导电） -e -e Ie -e -e
E
满带
空 穴 电 本征激发 流
E
2p 能带
禁带 禁带
2s 1s o
原子间距

3
2.5.2 能带填充与导电性
1. 满带：各能级都被两个自旋相反电子填满的能带
满带
E
当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电子必作相反 的转移。没有额外的定向运动。满带中电子不能形成电流。
满带不导电
4
2. 导带：能带不满，部分能级被电子占据的能带
0.0015
0.0010
0.0005
临界温度
0.0000 4.00 4.10 4.20 4.30 4.40
T/K
低温下汞的电阻温度关系
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对于氧化物超 导体，其转变温度 范围较宽。 电阻从起始转 变处下降到一半时 对应的温度定义为 转变温度。
R
R0 0.9R0
0.5R0
0.1R0
T 转变宽度
O
Te
+4
+4
+4
+4
B
+4 +4 +4 +4 +3 +4 +4
B
+4 +4 +3 +4 +4
掺入B以后，B是三价， 与周围的Ge组成共价键 晶体，还缺少一个电子， 从而形成一个空穴，形 成空穴导电。
+4
+4
+4
+4
+4ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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2.7 超导性
1.超导电现象
0.0020
R/R0
超导电现象 某些材 料在温度低于某一温度 时，电阻突然降到零的 现象。具有超导电性的 材料称为超导体，电阻 降为零的温度称为转变 温度或临界温度。
2.5 导体、半导体和绝缘体
固体按导电性能的高低可分为：导体、半导体、绝缘体
导体：在外电场的作用下，大量共有化电子很容易获得能量， 集体定向流动形成电流。（善于传导电流的物体，其电阻率很 小） 绝缘体：在外电场作用下，共有化电子很难接受外电场的能量， 所以形不成电流。（电阻率极高的物体 ）
半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间
2
2. 能带的形成 因为当有N个相同的自由原子时，每个原子内的电子 有相同的分立的能级，当这N个原子逐渐靠近时，原 来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在 （违反泡利不相容原则）从而只能分裂成N个非常靠 近的能级（10-22ev），因为能量差甚小，可看成能量 连续的区域，称为能带。
泡利不相容原理（Pauli’s exclusion principle）指在原子中不能容纳 运动状态完全相同的电子。
导带
E
电子可在外场作用下跃迁到 高一级的能级形成电流。 这 时，沿电场正、反方向运动 的电子数不相等，破坏了原 来的对称分布，总电流不为 零，所以不满带可以导电。
3. 空带：各能级都没有被电子填充的能带
4. 价带：价电子（最外层电子）所处的能带称为价带
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2.5.3 金属、半导体、绝缘体的能带结构
T
Tm
Ts
T
氧化物超导体的转变温度
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2. 超导体的主要特性
（1）零电阻（完全导电性） 超导体处于超导态时电阻完 全消失，若形成回路，一旦回路中有电流，该电流将无衰减 地持续下去。 File和Mills利用精确核磁共振方法测量超导 电流产生的磁场，来研究螺线管内超导电流的衰变，得出的 结论是超导电流的衰变时间不短于10万年。 （2）临界磁场、临界电流和临界温度 材料的超导态可以 被外加磁场破坏而转入正常态，这种破坏超导态所需的最 小磁场强度称为临界磁场。临界磁场的存在，限制了超导 体中能够通过的电流。当通过超导体的电流超过某一电流 值时，超导态被破坏，此电流称为临界电流。
根据能带结构及电子的填充情况可以说明导体、半导 体与绝缘体的区别，这是能带理论的巨大成就。
1
2.5.1 能带的形成
1. 外层电子共有化 对大量原子有规则地排列成晶体时，由于原子离得很近， 每个电子不仅受到本身原子核的作用，而且受到邻近原 子核的影响。内层电子因受原子核的牢牢束缚而受影响 较小。外层电子（价电子）却不同，除受本身原子的势 场作用外，还受邻近原子的势场作用，后者甚至更强， 结果就导致这些电子不再局限于某一原子而可以从一个 原子转移到相邻原子中去，可以在整个晶体中运动，即 电子不再分属各个原子所有，而是属于整个原子所共有， 这称电子的共有化。
导体、半导体、绝缘体的不同，主要是因为能带结构不同
1. 导体：价带是导带或等效导带 导带 空带 满带 满带
导体中存在导带 价带是满带 和空带重叠 价带是满带 和空带相连
空带
满带
在原子未被激发的正常态下，空带没有电子占据，空 带中一旦存在电子就具有导电性，空带也是导带。
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2. 绝缘体：只有满带和空带，且禁带宽度较大
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（3）迈斯纳效应——完全抗磁性 处于超导状态的金属， 无论先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，超导体内的 磁感应强度总是为零。这一现象为迈斯纳（Meissner） 1933年发现，称为迈斯纳效应。
磁力线不能进入超导 体内部
（4）同位素效应 同位素的质量越大，转变温度越低。 同位素效应说明超导不仅与电子状态有关，也与金属的 离子晶格有关。
AS
+4 +4 +5 +4 +4 +4
掺入AS以后，五个价电 子中，有四个电子与周 围的Ge组成共价键晶体 ，还多余一个电子，此 电子成为自由电子，易 激发。
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+4
+4
+4
+4
p型-受主型半导体：掺杂原子的价电子少于纯元素的价电子
例在四价锗（Ge）元素半导体中掺入三价硼（B）形成的半导体
Ge
+4
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2.8 磁性能 •非磁性物质的相对磁导率为常数且接近于1； •磁性物质的相对磁导率则很大。
磁性材料主要是指由过渡元素铁、钴、镍极其合金等材料。 它们主要的磁性能如下：
（1）高磁导率
磁性材料的磁导率很大，μr>>1，可达102~105量级。 这就使它们具有被强烈磁化（呈现磁性）的特性。
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分子电流和磁畴理论： •在物质的分子中，电子的绕核运动和自转将形成分子电流， 分子电流产生磁场，每个分子都相当于一个基本小磁铁，具 有永久轨道磁 矩和自旋磁矩。 •同时，在磁性物质内部还分成许多小区域；由于磁性物质分 子的相互作用，使分子电流在局部形成有序排列而显示出磁 性，这些小区域称为磁畴。 磁性物质没有外场时，各磁畴是 混乱排列的，磁场互相抵消。