导电性教学教材.ppt

《导电性教学教材.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《导电性教学教材.ppt（41页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、导电性1 1 基本概念及基本规律基本概念及基本规律 一、基本概念一、基本概念 1、有关定义：、有关定义：电流：电流：定向移动的电荷。电荷一般由载流子携带。问题问题301301：形成电流的基本条件是什么？：形成电流的基本条件是什么？电流强度电流强度：单位时间内流过某一截面的电荷量电流密度：电流密度：单位时间内流过材料单位横截面的电量材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能电阻：电阻：物体对电流的阻碍特性，实验上其值由加在物体两端的电压与通过这段物体电流的比值表示，即RU/I。物体的电阻由其本身的物理条件决定。电阻率：电阻率：单位横截面积、单位长度的材料的电阻值。电导：电

2、导：物体对电流的导通特性，其值为电阻的倒数。电导率电导率：电导率是电阻率的倒数，表征材料导电能力的物理量。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能迁移率：迁移率：单位电场作用下载流子的漂移运动速度2、载流子的基本类型、载流子的基本类型电子，空穴，正、负离子，（带电空位，极化子）电子，空穴，正、负离子，（带电空位，极化子）问题问题302302：各种载流子分别出现在什么材料中？：各种载流子分别出现在什么材料中？问题问题303303：实验上如何判断载流子的类型？：实验上如何判断载流子的类型？材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能二、基本规律及关系

3、式二、基本规律及关系式 1、欧姆定律：、欧姆定律：积分形式：积分形式：微分形式：微分形式：问题问题304304：欧姆定律在任何情况下都适用吗？：欧姆定律在任何情况下都适用吗？2、电导率与迁移率的关系：、电导率与迁移率的关系：材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能3、电流密度与载流子的漂移运动速度的关系、电流密度与载流子的漂移运动速度的关系：4、有多种载流子参与导电时的电导率与电流密度、有多种载流子参与导电时的电导率与电流密度i-第i种载流子，n-载流子密度，q-载流子带电量，v-载流子漂移速度。注意q的正负和v的方向。问题问题305305：金属中有些什么东西会阻碍载

4、流子流动：金属中有些什么东西会阻碍载流子流动？它们以什么方式阻碍载流子流动？它们以什么方式阻碍载流子流动？问题问题306306：半导体中有些什么因素会影响材料的电导：半导体中有些什么因素会影响材料的电导 率？率？它们是怎么影响的？它们是怎么影响的？材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能三、材料基本导电类型三、材料基本导电类型1、电子导电（包括空穴导电、极化子导电）：、电子导电（包括空穴导电、极化子导电）：离子导指输运电荷中的载流子是离子，电解质溶液(如KCl溶液)的导电就是离子导电。具有离子导电性的固态物质常被称为固体电解质固体电解质。这些物质或因其晶体中的点缺陷或

5、因其特殊结构而为离子提供快速迁移的通道,在某些温度下具有高的电导率(1106西门子/厘米),故又称为快离子导体。2、离子导电（包括空位导电）：、离子导电（包括空位导电）：问题问题307307：电子导电、空穴导电、极化子导电分别在：电子导电、空穴导电、极化子导电分别在什么类型材料中出现？这些导电类型各有何特点？什么类型材料中出现？这些导电类型各有何特点？材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能固体中离子导电的物理图像：固体中离子导电的物理图像：固体中离子导电是离子或空位通过跳跃运动方式在格点间移动而实现的。要有可移动的离子 固体成为离子导体的基本条件：固体成为离子导体的

6、基本条件：问题问题308308：固体中离子是如何实现导电的？什么样的：固体中离子是如何实现导电的？什么样的固体才能成为离子导体？固体才能成为离子导体？离子跳跃前进时前方一定要有空位（该种离子晶格缺陷）。要有离子穿得过去的通道，（特殊的晶体结构，金属大都是密堆积，没有大的通道，不能成为）。还必须使离子获得足够的定向驱动力，就定向而言，要加一定向电场或存在定向离子浓度梯度。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能低价掺杂的另一重要作用，产生氧空位。低价掺杂的另一重要作用，产生氧空位。掺CaO:反应式：缺陷平衡式：掺一个Ca,产生一个例：例：ZrO2基氧离子导体基氧离子导体

7、ZrO2具有立方、四方、单斜三种相。立方相具有最大的通道，可供立方相具有最大的通道，可供氧离子这种大离子通过。氧离子这种大离子通过。但纯ZrO2的立方相只在很高温存在，为了实现较低温度下的氧离子导电，把立方相稳定到较低温度是重要的。在ZrO2中添加适量的二价或三价立方对称性氧化物，如：CaO.MgO.Y2O3 或其他三价稀土氧化物时，就可以使其立方相稳定到较低温度直至室温材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能 La(Ba)Co(Fe)O3-系列透氧膜材料 (Ba,Ca)(Co,Fe)O3-系列材料,具有较高的透氧量和透氧稳定性 Bi-Sr-Fe-O系列透氧膜材料具有

8、良好的化学稳定性 La_(0.2)Sr_(0.8)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-z)钙钛矿型钙钛矿型混合导电体透氧性能混合导电体透氧性能 混合导电材料混合导电材料YBa_2Cu_3O_(7-)的透氧性能的透氧性能 3、电子、电子-离子混合导电离子混合导电 材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能导体：导体：室温情况下的电阻率一般在10-5m以下 半导体：半导体：室温情况下的电阻率一般在10-5108m范围 四、材料按导电性能分类四、材料按导电性能分类导电性是评价材料所具有的传导电流的性质，通常按物体在室温情况下的电阻率大小分为导体、半导体、绝缘体。绝缘体：

9、绝缘体：室温情况下的电阻率一般在108m以上 问题问题309309：材料的导电能力能够转变吗（如不导电变：材料的导电能力能够转变吗（如不导电变成导电，半导型导电变成导体型导电）？在什么情成导电，半导型导电变成导体型导电）？在什么情况下可以转变？况下可以转变？超导体：超导体：物质在某个温度下电阻为零的现象为超导，一般称具有超导性质的材料为超导体。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能五电阻率的测量方法：五电阻率的测量方法：伏安法、电桥、电位差计、四探针 材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能2 2 金属材料的导电性能金属材料的导电性能 一、

10、金属的电阻率一、金属的电阻率 1、金属电阻率的马基申定则金属电阻率的马基申定则 其中，是T=0时的残余电阻，决定于化学缺陷（偶然存在的杂质原子和人工加入的合金元素原子）和物理缺陷（空位、间隙原子、位错等）。的大小可用来评定金属的电学纯度，由于 不能测出，通常用T/4。2K的大小评定金属的电学纯度，比值越大，表示晶体越纯。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能名称电阻率(.cm)相当汞导电率的倍数银1.62 10-659.1铜1.69 10-656.7金2.40 10-639.6铝2.62 10-636.1锌5.92 10-616.0镍7.23 10-613.9铁9.

11、78 10-69.8锡1.14 10-58.3铅2.06 10-54.6汞9.58 10-51.0铋1.06 10-40.8问题问题310310：都是金属，为什么电阻率不同？：都是金属，为什么电阻率不同？材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能即在室温及以上一段温区内，金属具有正的线性阻即在室温及以上一段温区内，金属具有正的线性阻温特性。温特性。原则表达式：原则表达式：2、金属电阻率的温度特性金属电阻率的温度特性对普通非过渡族金属，对普通非过渡族金属，德拜温度D一般不超过500K,当T(2/3)D 时，、等高阶系数都很小，因此近似有 材料物理学材料物理学:第第 3 章

12、章 材料的导电性能材料的导电性能金属材料的电阻应该由这些因素共同决定，因此其电阻率 声子散射：声子散射：即电子声子相互作用）。缺陷（点阵缺陷、杂质原子等）散射：缺陷（点阵缺陷、杂质原子等）散射：电子杂质原子、点阵静态缺陷相互作用。电子散射：电子散射：电子电子相互作用。磁振子散射：磁振子散射：电子磁振子（铁磁和反铁磁体中）相互作用。二、金属传导电子的散射机制：二、金属传导电子的散射机制：其中：依次称为声子散射电阻率、缺陷散射电阻率、磁振子散射电阻率、电子散射电阻率。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能式中 是金属在德拜温度时的电阻。1、声子散射的电阻率 三、金属中各

13、种散射机制的温度特性：三、金属中各种散射机制的温度特性：2、电子散射的对电阻率的贡献主要表现在低温区域，材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能低温（TTc,Tc为磁有序转变温度）情况，源于磁自旋无序散射的电阻率：其中，F是费米能，Jex是交换作用常数，(g-1)2J(J+1)是g因子，此时m对温度的依赖性不强。3、磁振子散射对电阻率的贡献 在铁磁化合物中，材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能从以上分析可知，在各温度范围内，金属的从以上分析可知，在各温度范围内，金属的电阻率都是随温度升高而增大，也就是说，电阻率都是随温度升高而增大，也就是

14、说，金属电导温度特性的典型特征是：金属电导温度特性的典型特征是：材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能另一种情况是电电阻阻随随压压力力增增大大先先增增后后减减，有有一一极极大大值值，属于这种情况的有碱金属，碱土金属，稀土金属和第碱金属，碱土金属，稀土金属和第V族的半金属族的半金属。四、压力对金属电阻特性的影响：四、压力对金属电阻特性的影响：一种情况是电阻随压力增大而减小电阻随压力增大而减小，属于这种情况的有 Fe,Co,Ni,Rh,Pd,Ir,Cu,Au,Zr,Hf,Th,Nb,Ta,Mn,W,U;实验表明，压力对金属，特别是过渡族金属的电阻率有影响，存在两种情况，

15、材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能五、缺陷对金属电阻特性的影响：五、缺陷对金属电阻特性的影响：各种缺陷（空位、间隙原子、杂质、位错、空洞等）都会增大金属的电阻。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能一、一、半导体的电导率：半导体的电导率：3 3 半导体材料的导电性能半导体材料的导电性能二、半导体的激发机制二、半导体的激发机制 1、本本征征半半导导体体：未掺杂的单质半导体为本征半导体。本征半导体中的载流子只能是从价带激发到导带的电子和在价带中留下的空穴，激发可以由任何能给价带电子提供大于禁带宽度能量E的作用方式实现，最常见的激发方式是热

16、激发。在本征激发下，有n=P。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能本征半导体的电子能带结构本征半导体的电子能带结构材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能3、P型半导体：型半导体：以空穴为主要导电载流子的半导体材料被称为P型半导体，也叫受主半导体。受主杂质能级EA靠近价带（EV）顶、EAEV较小，在热激发下价带中电子易于进入受主能级而在价带中留下空穴，使半导体中的空穴浓度大于电子浓度，空穴则成为多数载流子。2、n型型半半导导体体：以电子为主要导电载流子的半导体材料被称为N型半导体，也叫做施主型半导体。施主杂质能级ED一般靠近导带（EC）底

17、，EcED较小。在热激发下杂质能级中的电子很容易跃迁到导带，而本征激发的电子-空穴很少，因此在n型半导体中，电子浓度将大于空穴浓度，电子将成为多数载流子。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能掺杂半导体的能带结构及激发机制掺杂半导体的能带结构及激发机制材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能2、电离杂质散射：电离杂质对载流子的散射作用而言，随温度升高载流子热运动速度加大，相对来源，电离杂质的散射作用相应减弱，导致迁移率增加，电导率上升。三、半导体中的散射机制。有两种三、半导体中的散射机制。有两种：1、点阵振动的声子散射：温度越高，点阵振动越

18、激烈，声子对载流子的散射越强，从而导致载流子迁移率下降、电导率下降。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能在常温下，热激发的能量很小，本征半导体的导电性主要取决于禁带宽度，一般来说都较小。1、本征半导体：、本征半导体：导电性质主要取决于禁带宽度和温度。四、半导体导电性质的影响因素四、半导体导电性质的影响因素随着温度的升高，本征载流子的浓度将迅速增加，因此在高温时，本征半导体也会有很大的导电率位。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能在常温下：当施主杂质能级与导带底之间的间隔或受主杂质能级与价带顶之间的间隔很小时，热激发容易实现。所以在常温

19、下，杂质半导体中载流子的浓度主要取决于掺杂类型和掺杂量。而散射主要来自杂质离子。2、杂质半导体：、杂质半导体：电导率主要取决于掺杂情况（类型和掺杂量）和杂质散射两方面因素。随着温度的升高，热激发产生的本征载流子的浓度将迅速增加，而由掺杂提供的载流子浓度没有多大改变，因此在高温时，杂质半导体中本征激发导电将占越来越重要的地位。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能就散射机制而言：就散射机制而言：电离杂质散射主要由已电离杂质的浓度决定，声子散射是主要散射。对载流子浓度来说，存在三个温区对载流子浓度来说，存在三个温区，低温区：热激活能低,杂质在未全部电离前，随着温度的升高

20、、杂质电离量增多，载流子的浓度增大。常温区：热激发足以使全部杂质电离，但尚未达到本征激发水平，此时，半导体中的载流子（实际为多数载流子）基本保持恒定，常称为温和区。高温区：热激活能进入本征激发水平，温度的升高将使本征载流子迅速增加。五、半导体导电性质的温度特性五、半导体导电性质的温度特性材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能本征半导体的能带结构随温度变化本征半导体的能带结构随温度变化材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能考虑到载流子浓度变化和散射机制变化两种因素，杂质半导体的电阻率随温度升高将作如下变化：低温区：降低；常温区：升高；高温区

21、：降低。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能六、半导体导电的两种模型：六、半导体导电的两种模型：1、热激活导电模型：适用于本征半导体，R=R0 exp(Ea/kBT)其中Ea为热激活能。2、Mott变程跳跃导电模型：适用于杂质半导体，R=R0 exp(T0/T)1/(d+1)其中T0是与费米面附近的电子态密度N（EF）和电子波函数局域化长度有关的参数，d是系统的维度参量，d=1,2,3对应一、二、三维导电体系。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能3、如何确定材料导电模型 将实验所测阻-温特性按下列关系做图，看其曲线是否与直线吻合，如吻

22、合，则是相应模型。lnR-1/TlnR-1/T1/(d+1)材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能七、绝缘材料的半导体化方法：七、绝缘材料的半导体化方法：和半导体相比，绝缘体的差别就是禁带宽得多，但如果有比半导体激活能高的能量去激励绝缘体，绝缘体也会呈现一定的导电性，原则上，前面的热激活模型可适用于绝缘体，只不过激活能比半导体要大。使绝缘材料在通常情况下也能导电的最一般做法是使其半导体化，方法就是用施主杂质或受主杂质对绝缘体进行掺杂，使其禁带中靠近导带底部附近产生施主杂质能级或靠近价带顶部附近产生受主杂质能级，这样的绝缘体就变得和掺杂半导体一样，在一般热激发情况下就

23、有相当的导电能力。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能八、常用半导体材料：八、常用半导体材料：1、元素半导体、元素半导体 实际应用的纯元素半导体只有实际应用的纯元素半导体只有Ge、Si两种两种。硅的半导体性质比锗优良，可使用温度广，可靠性更高，且资源丰富，因此成为元素半导体中的支柱材料。2、掺杂半导体、掺杂半导体主主要要有有Si（P，As）、Ge（As）；p-型型的的有有Si（B、Al）、Ge（Ga）等。）等。杂质元素在Si、Ge中都有一定的溶解度，这在很大程度上取决于杂质原子与硅（或锗）原子半径的差值。一般是半径差越大，则溶解度越小。此外杂质原子的外层电子数与硅

24、（或锗）越不同，其溶解度也越小。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能3、二元化合物半导体、二元化合物半导体 它们的化学键以共价键为主，但由于组成元素间的电负性有差异，故增加了离子键成分。键的离子性增强，其禁带将增大，可工作温度相应提高。例如，硅的禁带宽度约为1.12eV，工作温度约为150。GaAs的禁带宽度为1.4eV，可在250以上工作。周期表中相应元素间可形成多种类型化合物半导体，它们的特点是：化学式一般符合通式AxB8-x(x=1,2,3)，即-、-、-族元素的组合。化合物中每个原子的平均价电子数均为4，与硅、锗等A类元素半导体的价电子相同。它们的晶体结构

25、都属于金刚石型或晶体结构都属于金刚石型或ZnS型型。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能-族化合物有族化合物有硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe)、碲化镉（CdTe)、硫化镉（CdS)、硫化铅（PbS)等等。-族族化化合合物物有有砷化镓（GaAs)、磷化镓（GaP)、磷化铟(InP）、锑化镓（GaN)、锑化铟（InSb)、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC)。其中性能最好的是砷化镓GaAs。它的外观呈亮灰色，有金属光泽，性硬而脆。一般掺入杂质碲Te后，可制备n-型GaAs；掺入杂质Zn或Cd时，得到p-型GaAs半导体。目前实用的化合物半导体：材料物理学材料物理学:

26、第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能许多离子化合物都可能形成正或负离子短缺的缺陷化合物。这些化合物中正、负离子数之比，不再是简单的整数比，故又称非整比化合物。4、缺陷半导体、缺陷半导体负离子短缺的非整比化合物：负离子短缺的非整比化合物：通式为MY1-X（x表示负离子空位数）或M1+XY(x为间隙金属离子数)，均属于n-型半导体。如氧化锌、氧化镉、氧化铬和氧化铁等。材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能空金属短缺的非整比化合物金属短缺的非整比化合物，通式为M1-XY，具有正离子空穴，属于p-型半导体。它们的导电性是由价电子从低氧化态金属离子向高氧化态离子跃迁来

27、实现的，比如电子从一个M+离子跳到一个M2+离子上，因而表面上可看作是M2+在运动，即正“空穴”运动而导电的。Cu2O、FeO、NiO、和FeS等低氧化态金属氧化物或硫化物都属于这类半导体。5、多元化合物半导体：、多元化合物半导体：在二元半导体中通过掺杂，还可获得三元或多元化合物半导体。如 LixNi1-xO材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能本章未完本章未完请请 稍稍 等等 材料物理学材料物理学:第第 3 章章 材料的导电性能材料的导电性能此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢