材料物理性能03

1第二章材料的電學(xué)性能主要指導(dǎo)電性能！2.1概述電荷的定向移動(dòng)形成電流承載電荷的載體稱為“載流子”電子、空穴、正離子、負(fù)離子、離子空位遷移數(shù)（輸運(yùn)數(shù)）：表征某種載流子對(duì)總電導(dǎo)的貢獻(xiàn)22.1概述離子導(dǎo)體：離子遷移數(shù)大于0.99混合導(dǎo)體：非離子導(dǎo)體電導(dǎo)率(electricalconductivity)表征材料導(dǎo)電性的大小。

電阻率與電導(dǎo)率的關(guān)系單位：S.m-1,

（Ω.m）-1（Ω.cm）-132.1概述材料電阻率Ω.m電導(dǎo)率S.m-1超導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體010-8-10-510-5-107107-1018∞105-10810-7-10510-18-10-7根據(jù)電導(dǎo)率對(duì)材料的分類相對(duì)電導(dǎo)率（IACS％）：與標(biāo)準(zhǔn)軟（純）銅的電導(dǎo)率之比20℃，1.724×10-8

Ω.m；5.8×107S.m-142.1.2材料導(dǎo)電性的微觀機(jī)理電荷的定向移動(dòng)形成電流假設(shè)材料中的一種載流子電量為q，數(shù)量密度為n,在電場(chǎng)E的作用下運(yùn)動(dòng)，形成電流在電場(chǎng)作用下，載流子受到電場(chǎng)力的作用，沿電場(chǎng)力的方向產(chǎn)生加速度，產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)。定向運(yùn)動(dòng)速度不能一直增加要受到晶格、其他電子的碰撞而喪失定向移動(dòng)速度。因此有一個(gè)平均速度－漂移速度v52.1.2材料導(dǎo)電性的微觀機(jī)理62.1.2材料導(dǎo)電性的微觀機(jī)理回想前面講過的量子自由電子理論EF0KTK費(fèi)米面和熱激發(fā)電子受到電場(chǎng)的作用力，電子速度增加！意味著電子能量增加！只有費(fèi)米面附近的電子的能量能夠增加！72.1.2材料導(dǎo)電性的微觀機(jī)理能帶理論對(duì)導(dǎo)電機(jī)理的解釋是基于費(fèi)米面對(duì)稱性變化的角度－本質(zhì)與上面的解釋一樣，把書翻到52頁(yè)！82.2金屬材料的導(dǎo)電性2.2.1金屬材料導(dǎo)電性的典型實(shí)驗(yàn)規(guī)律馬提申規(guī)則基本電阻，由雜質(zhì)濃度、點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)等引起，與溫度無關(guān)由晶格振動(dòng)引起，與溫度關(guān)系很大剩余電阻－液氦溫度（4.2K）的電阻率92.2.1金屬材料導(dǎo)電性的典型實(shí)驗(yàn)規(guī)律另外有一些合金材料的電阻隨溫度的變化偏離馬提申規(guī)則。合金元素不僅影響殘余電阻，也影響電阻隨溫度的變化率！電阻率溫度系數(shù)102.2.1金屬材料導(dǎo)電性的典型實(shí)驗(yàn)規(guī)律教材P55112.2.2金屬材料的導(dǎo)電性控制因素其中能夠?qū)﹄妼?dǎo)率產(chǎn)生影響的控制因素是平均自由程電子波在理想晶體點(diǎn)陣?yán)飩鞑r(shí)，不受散射！晶體點(diǎn)陣遭到破壞的地方，電子波受到散射，對(duì)電流產(chǎn)生阻礙－電阻！溫度（晶格振動(dòng)）、晶體缺陷等－－影響散射效果－－影響電阻122.2.3溫度對(duì)金屬導(dǎo)電性的影響溫度增加，晶格振動(dòng)加劇，原子偏離平衡位置幅度加大偏離理想晶格的程度加大對(duì)電子的散射加強(qiáng)，電阻增加！132.2.4合金元素與晶體缺陷對(duì)金屬導(dǎo)電性的影響形成固溶體－電阻升高原因：缺陷固溶體有序化后形成新相新相晶體結(jié)構(gòu)比固溶體有序－電阻降低導(dǎo)電電子數(shù)減?。娮柙黾?4其他缺陷對(duì)電阻率的影響冷加工，金屬電阻率增大原因：冷加工塑性變形晶格畸變（空位、位錯(cuò)等）增加電子波的散射幾率電阻率隨應(yīng)變（變形率）的變化（VanBeuren公式）15冷加工和缺陷對(duì)電阻率的影響不同的缺陷對(duì)電阻率變化的影響不同冷加工導(dǎo)致的范性變形、高能粒子輻照、高溫金屬極速冷卻－產(chǎn)生大量缺陷－增大電阻率。退火會(huì)減小上述原因?qū)е碌娜毕荩瑴p小電阻率！16薄膜材料或其他低維材料，當(dāng)材料在某方向的尺度小到一定程度時(shí)（導(dǎo)電電子的平均自由程），隨尺度的進(jìn)一步減小，材料在該方向的電阻增加！由于金屬晶體的晶體結(jié)構(gòu)的各向異性會(huì)導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)變化－電阻率各向異性。多晶體金屬一般電阻率各向同性。17磁性對(duì)導(dǎo)電性的影響前面的討論都沒有考慮磁性對(duì)導(dǎo)電電子的影響！但電子有自旋－正自旋和反自旋電子在移動(dòng)過程中必然會(huì)受到磁場(chǎng)的影響！傳導(dǎo)電子的晶體中運(yùn)動(dòng)，必然受到原子實(shí)磁矩的影響！絕大多數(shù)金屬原子實(shí)的磁矩都為零（材料沒有磁性），所以多數(shù)時(shí)候可以不考慮材料磁性對(duì)電子導(dǎo)電的影響！18磁性對(duì)導(dǎo)電性的影響但對(duì)于組成金屬的原子實(shí)有固有磁矩時(shí)，其磁矩必然對(duì)傳導(dǎo)電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響！例如：Mo－Fe合金中的近藤效應(yīng)（P64）另外，金屬中原子有固有磁矩的話，這種磁矩是隨機(jī)排列還是有序排列，對(duì)傳導(dǎo)電子的影響顯然不同！外界磁場(chǎng)能夠影響原子固有磁矩的有序、無序排列情況，因此：外界磁場(chǎng)就能夠影響這種材料的電阻！磁電阻效應(yīng)！192.2.5合金電阻率檢測(cè)的應(yīng)用有很多辦法可以測(cè)量金屬材料（包括合金）的電阻率及其隨外界環(huán)境（溫度、壓力等）的變化。如前所述，金屬的電阻率與很多因素有關(guān)，那么，反過來，我們可以通過測(cè)量金屬材料電阻率的變化來研究某些影響電阻變化的因素！測(cè)量相變點(diǎn)、測(cè)量缺陷的濃度、分析金屬淬火、退回過程等。202.3半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性滿帶帶隙半導(dǎo)體存在一系列滿帶，最上面的滿帶稱為價(jià)帶；存在一系列空帶，最下面的空帶稱為導(dǎo)帶。外界能量（光照、熱起伏）等可以激發(fā)價(jià)帶電子到導(dǎo)帶，形成電子－空穴對(duì)，這個(gè)過程稱為半導(dǎo)體的本征躍遷212.3半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性N(E)EkE本征半導(dǎo)體－所有載流子都由本征躍遷產(chǎn)生。摻雜半導(dǎo)體（n型半導(dǎo)體，p型半導(dǎo)體）222.3半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性232.3半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性導(dǎo)帶底附近的電子和價(jià)帶頂附近的空穴可以用簡(jiǎn)單的有效質(zhì)量描述?？梢灾苯永米杂呻娮拥哪軕B(tài)密度公式寫出導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)哪軕B(tài)密度N(E)EN(E)kE242.3半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性遷移率本征半導(dǎo)體中的熱平衡載流子密度與導(dǎo)電性半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中間252.3半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性EE-E+EFf(E)導(dǎo)帶電子在導(dǎo)帶各能級(jí)的分布幾率262.3半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性價(jià)帶中空穴的占據(jù)幾率，就是為電子不占據(jù)的幾率：27本征半導(dǎo)體中的熱平衡載流子密度與導(dǎo)電性引入有效能級(jí)密度28本征半導(dǎo)體中的熱平衡載流子密度與導(dǎo)電性本征半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶電子與價(jià)帶空穴成對(duì)兒出現(xiàn)本征半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度指數(shù)增加29摻雜半導(dǎo)體的載流子與導(dǎo)電性施主：雜質(zhì)在帶隙中提供帶有電子的能級(jí)滿帶導(dǎo)帶施主T>0T=0N型滿帶導(dǎo)帶受主T>0T=0P型受主：雜質(zhì)提供帶隙中空的能級(jí)30摻雜半導(dǎo)體的載流子與導(dǎo)電性設(shè)想在N型半導(dǎo)體中只含有一種施主，能級(jí)位置為ED，施主濃度為ND。在低溫下，本征激發(fā)可以忽略，載流子主要是由施主激發(fā)到導(dǎo)帶的電子滿帶導(dǎo)帶施主T>0T=0N型31摻雜半導(dǎo)體的載流子與導(dǎo)電性低溫時(shí)高溫時(shí)32摻雜半導(dǎo)體的載流子與導(dǎo)電性同樣可以得到對(duì)于受主濃度為NA的P型半導(dǎo)體中低溫時(shí)高溫時(shí)33摻雜半導(dǎo)體的載流子與導(dǎo)電性一般情況下，摻雜半導(dǎo)體中的載流子，既有雜質(zhì)激發(fā)的導(dǎo)帶電子或價(jià)帶空穴，也有本征激發(fā)的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴。載流子濃度本征激發(fā)區(qū)耗盡區(qū)雜質(zhì)激發(fā)區(qū)電導(dǎo)率對(duì)于化合物半導(dǎo)體，除了所謂的雜質(zhì)摻雜外，還可