材料性能学 材料电性能 -半导体和超导体

5.1.5 温度对半导体电阻的影响
1. 点阵振动的声子散射
2. 电离杂质散射
log 低温
区
饱和 区
本征 区
T
图 5.9 N型半导体电阻率随温度变化示意图
5.1.6 半导体陶瓷的物理效应
一. 晶界效应 晶界：
晶粒 晶界
图5.10 陶瓷微观形貌
5.1.6 半导体陶瓷的物理效应
一. 晶界效应
1.压敏效应 指电压变化敏感的非线性电阻效应。即在某一
(2) 往纯净的半导体中掺入某 些杂质，会使它的导电能力 明显改变。
Ⅲ—V族，Ⅱ—Ⅳ族，Ⅳ—Ⅳ族和氧化物半导体。
5.1.1 本征半导体
Ge
Si
图5.1 锗和硅电子结构示意图 本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
由于外部作用而改变半导体固有性质的半导体称为 非本征半导体，也称为杂质半导体。
图5.2 硅和锗的晶体结构示意图
+4表示除 去价电子 后的原子
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
图5.3 硅和锗的共价键结构
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子。
本征半导体的导电能力很弱。
5.1.2 本征半导体的导电机理
空穴
+4
+4
自由电子
+4源自文库
+4
图5.4 本征激发示意图
束缚电子
第二类超导体
a) H < Hc1），超导体内磁感应强度B = 0，为完全超导态; b) b) 当H > Hc1时, 有部分磁场穿入导体内，此时0 < B <μH; c) 当H > Hc2时，磁感应强度B = μH，磁场完全穿透，超导
电性才消失; d) 当磁场介于Hc1与Hc2之间时，超导体既不是迈斯纳态，
材料性能学 第五讲 材料电性能 — 半导体和超导体
第五讲 材料电性能 — 半导体和超导体
5.1 半导体 导体、半导体、绝缘体的分类。
禁带宽度ΔE从金刚石的6eV到灰锡(β-Sn)的0.08eV 依次变窄。
常温下的白锡(α-Sn)已是金属，最后一个元素铅则 纯粹是金属。 导电机理不同： (1) 当受外界热和光的作用时， 它的导电能力明显变化。
除磁场强度影响超导转变温度外，电流密度也影响超导 的状态。研究发现，临界电流密度不仅是温度的函数，而且 与磁场有密切关系。
三个性能指标
超导转变温度Tc 越高越好
临界磁场Hc 破坏超导态的最小磁场。随温度降低，Hc将增加；
当T＜Tc时,
临界电流密度Jc 保持超导状态的最大输入电流 (与Hc相关）
5.2.3 超导体材料种类
5.1.3.2 P型半导体
空穴
+4
+4
空穴
硼原子
+3
+4
图5.7 P型半导体电子结构示意图
EC
导带
Ei
EA EV
价带
Eg
EA-EV
Accept or ions
图5.8 受主能级示意图
硅中掺镓:0.065eV 硅中掺铟: 0.16eV
锗中掺硼或铝:0.01eV
多数载流子：空穴。 少数载流子：自由电子。 空穴型半导体与p型杂质。
硅中掺锑：0.039 eV
硅中掺砷：0.049 eV
图5.6 施主能级示意图
多数载流子：自由电子，1.5×1014cm-3。 少数载流子：空穴，1.5×106cm-3。 电子型半导体与n型杂质
n型半导体的电流密度： nno为n型半导体自由电子的浓度，μn 电子迁移率。
ND 为n型半导体的掺杂浓度。 如在n型硅半导体中， 设ND =1.5×1014cm-3， 当μn =1400 cm2／(V·s)时， ρn =30μΩ·cm， 本征硅半导体：ρ=2.14×10-3Ω· m 导电能力增强七千倍。 (ρ=2.14×105 μΩ·cm)
浓度表达式为：
式中: ni, pi分别为自由电子和空穴的浓度； K1为常数，其数值为4.82×1015 K-3/2 ； T为绝对温度；k为玻尔兹曼常数; Eg为禁带宽度。 随着T增加，ni, pi显著增大。
T=300K，硅的Eg =1.14 eV，ni=pi=1.5×1010cm-3; 锗的Eg=0.67 eV, ni=pi=2.4×1013cm-3。
（2）半导体的电导率（ cm）-1可表示为 ne
式中：n为载流子浓度（cm -3），e为载流子电荷（电子电荷1.6 10-19C）
为迁移率(cm-1V s-1 -1)，当电子(e)和空穴(h)同时为载流子时， neee nheh 假设Si的迁移率e 1450(cm-1V-1s-1)，h 500(cm-1V-1s-1)，且不随温度变化。
试求Si在20℃和500℃时的电导率。
P型半导体的电流密度： npo 为p型半导体的空穴浓度
P型半导体的电阻率：
NA为受主杂质浓度
5.1.4 杂质半导体的特性
(1) 掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但是却能使 载流子浓度极大地提高，因而导电能力也显著地增 强。掺杂浓度愈大，其导电能力也愈强。
(2) 掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半 导体主要靠多子导电。当掺入五价元素(施主杂质)时 ，主要靠自由电子导电；当掺入三价元素(受主杂质) 时，主要靠空穴导电。
3、氧化物超导体
具有较高的临界温度、临界磁场强度和临界电流密度， 又称高温超导体。但这类材料较脆,加工困难。其中比较重 要的有:YBa2Cu3O7(Tc=80K), Bi2Sr2Ca2Cu3O10(Tc=110K)。
超导材料的分类
超导材料按其在磁场中的磁化行为分成两类。 1）第一类超导体
这类超导体在磁场中有不同的规律，磁矩与外磁 场的关系如5.15所示。 a) 当磁场强度低于临界磁场强度时（H < Hc），磁感 应强度B = 0，为完全超导态； b)当磁场强度高于临界磁场强度时（H > Hc）, 磁感应 强度B = μH，不具有超导电性。 具有这一特性的超导材料称为第一类超导材料。非金 属元素和大部分过渡金属（除Nb、V、Ru外）都属 于此类超导体。
(4)载流子浓度ni与原子密度相比是极小的，所以本征 半导体的导电能力很微弱。
5.1.3 杂质半导体
N 型半导体； P 型半导体。 5.1.3.1 N型半导体
磷原子
+4
+4
+5
+4
多余电子
图5.5 N型半导体电子结构示意图
EC
导带
ED
Ei
EV
价带
Donor ions
EC-ED
Eg
锗中掺磷：0.012eV
对于超导体来说，当温度降至某一温度以下，电阻突然 消失的特征，称为零电阻效应。 （2）超导体具有完全抗磁性（迈斯纳效应）
把处于超导状态的超导体置入磁场中，当磁场强度H不 超过临界值Hc，磁力线就无法穿过试样，超导体中磁感应 强度B始终为零，称为完全抗磁性。 （3）超导体具有通量量子化（约瑟夫逊效应）
当两块超导体之间的绝缘层薄至接近原子尺寸时，超导 电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流，即超导体-绝缘体-超 导体（SIS）具有超导电性。这就是所谓通量量子化。
5.2.2 超导体的临界参数
实际使用的超导材料中，有三个临界性能参数决定材料 是否处于超导态。这三个性能指标是：
第一个性能指标——超导体的临界转变温度
图5.13 非线性PTC效应
二. 表面效应 1.半导体表面空间电荷的形成
2.半导体表面吸附气体时电导率的变化 检测气体的存在和浓度（气敏）
三．西贝克效应
温差电动势
温差发电
温差电动势系数：
5.2 超导体
图5.14 超导体的零电阻现象
5.2 超导体
5.2.1 超导体有三个重要的特性(效应)： （1）超导体具有完全导电性（零电阻效应）
Tc当温度低于临界转变温度时，材料处于超导态，当温 度高于临界转变温度时，它会恢复正常态。
第二个性能指标——临界磁场强度Hc
当温度低于临界转变温度时（T<Tc），若磁场强度H大 于某一个临界值Hc时，磁场将破坏超导态，使材料从超导态 转变为正常态，此时的磁场强度称为临界磁场强度Hc。 第三个性能指标——临界电流密度Jc
作业题 1.简述施主半导体的电导率与温度的关系。
2.本征半导体中，从价带激发至导带的电子和价带产生的空穴共同电导，
激发的电子数n可以近似表示为： n N exp(Eg / 2kT ) 式中：N为状态密度，k为波尔兹曼常数，T为热力学温度（K），试回答 （1）设N=1023cm-3，k=8.610-5eV • k 1时，Si（Eg 1.1eV）, TiO2(Eg 3.0eV )在20C和500℃所激发的电子数（cm-3）各是多少？
在外电场的作用下，载流子有定向的漂移运动，产生 电流。 自由电子和空穴的定向平均漂移速度分别为：
式中，比例常数μn 和μp分别表示在单位场强(V/cm)下 自由电子和空穴的平均漂移速度，称为迁移率。
自由电子的迁移率μn >空穴的迁移率μp ； 室温下:
本征锗单晶中: 本征硅单晶中:
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流in。 2. 空穴移动产生的电流ip。
式中，jn 、jp 分别为自由电子和空穴的电流密度； q 为电子电荷量的绝对值。相应的电阻率为：
300K (室温)时：本征锗单晶体
本征硅单晶体
本征半导体的电学特性
(1)本征激发成对地产生自由电子和空穴，所以自由电子浓 度与空穴浓度相等，都是等于本征载流子的浓度ni。 (2)禁带宽度Eg越大，载流子浓度ni越小。 (3)温度升高时载流子浓度ni增大。
1、元素超导体
元素周期表中有28种元素及合金（Ti, V, Nb, Mo, W, Zn, Cd, Al, Pb, In,及合金NbTi）。其中Nb的临界温度最高，为 9.2K 。
2、合金超导体
最早发现的Nb-Zr和 Nb-Ti 二元合金，七十年代以后发现 的三元超导合金 Nb-Zr –Ti、 V-Zr-H等，已作为磁流体发电 机的大型磁体。合金超导材料具有强度高、应力应变小、临 界磁场强度高、成本低易于生产的优点。
临界电压以下，电阻值非常之高，几乎无电流通过； 超过该临界电压（敏感电压），电阻迅速降低，让 电流通过。
图5.11 ZnO压敏电阻 器的显微结构示意图
图5.12 ZnO压敏电阻器 的伏安特性曲线
2.PTC效应
非线性PTC效应
电阻—温度特性； 电压—电流特性； 电流—时间特性。 电动机线圈过热保护； 各种家电产品； 电动机的启动 。
也不是正常态，此态称为混合态。具有这一特性的超导 材料称为第二类超导材料。非金属元素和大部分过渡金
属都属于此类超导体。大多数图合5金.16及第N二b、类V超、导R体u等元 素属于这类超导体。
实验证明，第二类超导体的临界转变温度Tc、临 界磁场强度Hc和临界电流密度Jc要比第一类超导体高 得多。第二类超导体在应用技术上更为重要。