材料物理性能05

12.3.4半導(dǎo)體器件及導(dǎo)電特性半導(dǎo)體器件復(fù)雜多樣，其中最簡(jiǎn)單，最基礎(chǔ)的就是二級(jí)管！將n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體相接觸，結(jié)合在一起，就形成了二級(jí)管。二級(jí)管中會(huì)形成PN節(jié)－半導(dǎo)體器件的核心！PN節(jié)具有單向?qū)ㄐ裕?2.3.4半導(dǎo)體器件及導(dǎo)電特性NP-+NP+-32.3.4半導(dǎo)體器件及導(dǎo)電特性平衡PN結(jié)勢(shì)壘qVDP型N型費(fèi)米能級(jí)PNE4PN結(jié)的正向注入當(dāng)PN結(jié)加有正向偏壓時(shí)（P區(qū)為正向電壓），外加電壓使空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)減弱，打破了漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的相對(duì)平衡。E’E0E=E0+E’PN在這種情況下，電子源源不斷地從N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，空穴從P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，成為非平衡載流子。這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的正向注入。5PN結(jié)的正向注入通過單位面積PN結(jié)的總電流就是PN結(jié)電流與少子濃度稱正比，并且隨正向電壓增加指數(shù)形式增加。6PN結(jié)的反向抽取E’E0E=E0+E’PN反向偏壓PN結(jié)空間電荷區(qū)中電場(chǎng)加強(qiáng)，載流子的漂移運(yùn)動(dòng)超過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。P型區(qū)的電子一旦接近空間電荷區(qū)邊界，就要被電場(chǎng)拉向N區(qū)。靠近邊界的N型區(qū)的空穴，被拉向P區(qū)。這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向抽取。它們構(gòu)成了PN結(jié)的反向電流。PN結(jié)反向偏壓時(shí)，勢(shì)壘高度增加為q(VD+Vr)7PN結(jié)的反向抽取總電流密度反向飽和電流82.4離子導(dǎo)電性及超導(dǎo)簡(jiǎn)介2.4.1離子導(dǎo)電性1、離子導(dǎo)電機(jī)理及影響因素離子在電場(chǎng)作用下移動(dòng)形成電流本征導(dǎo)電：熱運(yùn)動(dòng)造成的離子發(fā)生移動(dòng)雜質(zhì)導(dǎo)電：雜質(zhì)離子移動(dòng)形成的電流91、離子導(dǎo)電機(jī)理及影響因素－＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋－正空格點(diǎn)正間隙離子負(fù)間隙離子負(fù)空格點(diǎn)離子晶體中的缺陷101、離子導(dǎo)電機(jī)理及影響因素Eqxε-Eqd/2ε+Eqd/2d有外場(chǎng)E時(shí)ε無電場(chǎng)111、離子導(dǎo)電機(jī)理及影響因素Eqxε-Eqd/2ε+Eqd/2d有外場(chǎng)E時(shí)這樣就使原來無規(guī)則的跳躍發(fā)生了沿電場(chǎng)方向的偏向。把上式乘以每步跳動(dòng)的距離d，就得到每秒鐘平均沿電場(chǎng)移動(dòng)的距離

121、離子導(dǎo)電機(jī)理及影響因素我們稱這種由于外場(chǎng)影響，在原來無規(guī)則運(yùn)動(dòng)之上引起的平均運(yùn)動(dòng)為“漂移”，對(duì)于一般的電場(chǎng)Eqd<<kBT，稱為離子的遷移率

131、離子導(dǎo)電機(jī)理及影響因素如果令n0表示單位體積內(nèi)間隙離子的數(shù)目，由漂移速度可以直接得到電流密度：

可以看到電導(dǎo)率密切依賴與溫度，除了上式中的指數(shù)因子外，間隙原子密度n0也隨溫度有類似的指數(shù)變化關(guān)系。

141、離子導(dǎo)電機(jī)理及影響因素溫度的影響離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)的影響————離子大小、晶體內(nèi)部離子移動(dòng)“通道”點(diǎn)缺陷的影響————點(diǎn)缺陷會(huì)影響能夠移動(dòng)的離子的數(shù)目。152陶瓷材料的導(dǎo)電性既有離子電導(dǎo)，又有電子電導(dǎo)既有類似金屬的自由電子電導(dǎo)，又有類似半導(dǎo)體的電子、空穴電導(dǎo)！162.4.2超導(dǎo)性1903年荷蘭人Onnes獲得液氦（4.2K）1911年他們發(fā)現(xiàn)水銀在4.2K附近電阻檢測(cè)不到了！在一定的低溫下，物質(zhì)突然失去電阻的現(xiàn)象——超導(dǎo)電性1913年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)HeikeKamerlinghOnnes（1853~1926）theNetherlands

LeidenUniversity

Leiden,theNetherlands172.4.2超導(dǎo)性1960年前，超導(dǎo)體研究局限在金屬和金屬間化合物中。1957年BCS理論發(fā)表，成功解釋當(dāng)時(shí)已知的所有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并預(yù)言金屬和金屬間化合物Tc溫度不會(huì)超過30K1960年后開始在氧化物中尋找超導(dǎo)體18

J.GeorgBednorz

K.AlexanderMuller

1/2oftheprize1/2oftheprizeFederalRepublicofGermanySwitzerland

IBMResearchLaboratoryRechlikon,Switzerlandb.1950b.1927在陶瓷（金屬氧化物）中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，超導(dǎo)研究取得重大突破諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者

1986年，192.5超導(dǎo)體超導(dǎo)電性的金屬和合金

Tc＜30K

鈦、釩、鋯、鈮、鉬、鉭、鎢、錸、鉍、鋁、錫、鎘等28種。二元合金NbTi，Tc＝8～10K；NbZr，Tc≈10～11K。三元系合金有鈮-鈦-鋯，Tc=10K；鈮-鈦-鉭，Tc=9～10K。超導(dǎo)化合物

Nb3Sn，Tc=18～18.5K；Nb3Ge，Tc≈23.2K，Nb3（AlGe），Tc≈20.7K等超導(dǎo)電性的金屬氧化物1960‘sBa-Cu-O系，35K,1986,Bednorz,MullerBa-Y-Cu-O系,100K,1987,我國(guó)趙忠賢等

Hg-Ba-Cu-O系，～140K202、超導(dǎo)體的兩種特性：完全導(dǎo)電性完全抗磁性磁感應(yīng)強(qiáng)度始終為零3、三個(gè)性能指標(biāo)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc

愈高愈好臨界磁場(chǎng)Hc

破壞超導(dǎo)態(tài)的最小磁場(chǎng)。隨溫度降低，Hc將增加；當(dāng)T＜Tc時(shí),Hc=Hc0[1-（T/Tc)2]

臨界電流密度Jc

保持超導(dǎo)狀態(tài)的最大輸入電流

(與Hc相關(guān)）21FIGURECriticaltemperature,currentdensity,andmagneticfieldboundaryseparatingsuperconductingandnormalconductingstates222.5超導(dǎo)體第二類超導(dǎo)體存在兩個(gè)臨界磁場(chǎng)Bc1和Bc2，磁感應(yīng)強(qiáng)度介于兩個(gè)磁場(chǎng)之間時(shí)，有部分區(qū)域允許磁力線通過（正常態(tài)），材料整體還處于零電阻態(tài)。Bc1往往很大！邁斯納相正常相混合相232.5超導(dǎo)體超導(dǎo)體的應(yīng)用利用零電阻效應(yīng)－導(dǎo)線，超導(dǎo)磁體利用超導(dǎo)隧道節(jié)（約瑟夫森節(jié)）－測(cè)量磁場(chǎng)（超靈敏－生物磁場(chǎng)變化）超導(dǎo)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)（制備導(dǎo)線、薄膜）24第一章材料的熱學(xué)性能材料及其制品對(duì)不同溫度作出的反應(yīng)，稱為熱學(xué)性能。熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、耐熱性、抗熱震性能等。熱性能的物理概念、物理本質(zhì)、影響因素、測(cè)量方法和工程意義，為選材、用材、改善材料性能、探索新材料、新工藝打下物理理論基礎(chǔ)。251.1晶格熱振動(dòng)各種熱學(xué)性能的物理本質(zhì)，均與晶格振動(dòng)有關(guān)！組成晶格的原子在一般情況下（溫度不為0）都會(huì)偏離其平衡位置，作微小振動(dòng)！這種振動(dòng)可以近似地看成是簡(jiǎn)諧振動(dòng)！由于原子間作用力，一個(gè)原子的振動(dòng)會(huì)影響到其鄰近原子的振動(dòng)，導(dǎo)致相鄰原子間存在振動(dòng)位相差，不同原子不同的振動(dòng)位相差，就像簡(jiǎn)諧波一樣在晶體中傳播。這種波就稱為“格波”261.1晶格熱振動(dòng)也可以把原子的振動(dòng)看成是不同的格波傳播到這里產(chǎn)生的振動(dòng)位移的疊加！簡(jiǎn)諧波的基本特征量－頻率和波矢量格波的頻率和波矢量要滿足一定的條件！格波頻率與波矢量之間的關(guān)系稱色散關(guān)系在復(fù)式晶格中波矢量和頻率間的關(guān)系不是一一對(duì)應(yīng)的，對(duì)于同樣的波矢量，可能有不同的頻率與其對(duì)應(yīng)。271.1晶格熱振動(dòng)其中有3個(gè)頻率的格波稱為“聲學(xué)波”另外3n-3個(gè)頻率的格波稱為“光學(xué)波”滿足條件的波矢量只有N（晶體原胞數(shù)）個(gè)。每組（頻率、波矢量）代表一種簡(jiǎn)諧波。如前所述，晶格振動(dòng)可以看成是滿足一定條件的簡(jiǎn)諧波－“格波”的疊加！晶格振動(dòng)可以看成是3nN種簡(jiǎn)諧波的疊加！281.1晶格熱振動(dòng)根據(jù)量子力學(xué)，簡(jiǎn)諧振動(dòng)能量是量子化的，為簡(jiǎn)諧波具有能量的概率為這也是具有nq個(gè)頻率為q的聲子的幾率291.1晶格熱振動(dòng)3nN種簡(jiǎn)諧波，就有3nN種聲子。晶格振動(dòng)總能量可以看成是3nN種簡(jiǎn)諧波能量的總和！301.1晶格熱振動(dòng)引入聲子概念后，很多與晶格振動(dòng)有關(guān)的問題，都可以用“聲子語言”來處理。課本P3。311.2材料的熱容1.2.1材料的熱容及其與溫度的關(guān)系1、熱容的基本概念和物理本質(zhì)熱容：材料在沒有相變和化學(xué)反應(yīng)的條件下，溫度升高1℃或降低1℃所吸收或放出的熱量（能量）。單位為J/K,或J/℃。321、熱容的基本概念和物理本質(zhì)冷，熱－－如何定量衡量？溫度！冷、熱的物理本質(zhì)是什么？微觀粒子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)（熱運(yùn)動(dòng)）強(qiáng)度的一種表現(xiàn)！因此材料的溫度也是組成材料的微觀粒子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的度量！組成材料的微觀粒子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)包括晶格振動(dòng)和自由電子運(yùn)動(dòng)331、熱容的基本概念和物理本質(zhì)暫時(shí)不考慮自由電子的運(yùn)動(dòng)，溫度升高意外著晶格振動(dòng)加劇，也意味著體系能量（內(nèi)能）升高，要外界給其能量！表現(xiàn)為吸熱！吸熱的過程與熱容也有關(guān)系，如果升溫過程中體積膨脹，這表示對(duì)外作了功！那么升高同樣的溫度，體積膨脹的就要比不膨脹的吸收熱量多！341、熱容的基本概念和物理本質(zhì)定容熱容定壓熱容比熱容摩爾熱容352、熱容隨溫度變化的實(shí)際規(guī)律P5，3個(gè)區(qū)域的劃分！1.2.2晶體固體熱容的經(jīng)典理論和經(jīng)驗(yàn)定律19世紀(jì)中葉以前，人類能實(shí)現(xiàn)的低溫范圍很有限，在有限的低溫和室溫或較高溫度下，測(cè)定材料的熱容為常數(shù)！經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理給出的解釋也指出材料的比熱是常數(shù)！19世紀(jì)末期，人類能夠獲得更低的溫度，發(fā)現(xiàn)材料的比熱隨溫度下降而下降！361.2.3熱容的量子理論愛因斯坦理論371.2.3熱容的量子理論高溫時(shí)低溫時(shí)愛因斯坦理論給出熱容隨溫度下降的趨勢(shì)，但細(xì)節(jié)與實(shí)際不符。381.2.3熱容的量子理論德拜假設(shè)：格波的頻率與波矢量成正比！高溫時(shí)低溫時(shí)39自由電子熱容溫度不為零時(shí)，電子的平均動(dòng)能為P9，圖1－4401.2.4影響熱容的因素金屬材料的熱容（1）自由電子對(duì)熱容的貢獻(xiàn)（2）合金成分對(duì)熱容的影響室溫到較高溫度，符合經(jīng)典理論的規(guī)律（奈曼－柯普定律）412、無機(jī)材料的熱容基本符合德拜理論。結(jié)構(gòu)不敏感單位體積的熱容與氣孔關(guān)系很大！多孔材料熱容小！高溫爐內(nèi)的耐火磚、保溫材料等多用輕質(zhì)多孔材料！423組織轉(zhuǎn)變對(duì)熱容的影響一級(jí)相變和二級(jí)相變亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變－4熔點(diǎn)和德拜溫度的關(guān)系德拜溫度與晶體中晶格振動(dòng)的最高頻率有關(guān)Lindemann公式43元素元素元素元素AgAlAsAuBBeBi金剛