材料的导电性能页PPT文档

15.1概述5.2材料的导电性能5.4半导体物理5.3金属电导5.5超导物理2个学时4个学时4个学时第5章导电物理2个学时10个学时25.2材料的导电性能5.2.1能带结构5.2.3导电材料与电阻材料5.2.4其他材料的导电性能3材料的性能决定于：组成结构5.2.1能带结构材料结构的类型•聚集态结构气、液、固；固态中有晶态和非晶态。物相结构：混合物、晶态、非晶态显微结构：取向空间位置分布：多组分、多相材料的均匀性•分子与晶体结构基团结构分子结构：相对分子量、相对分子质量分布、支化度、交联度晶体结构构型与构象•电子结构4从连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动，到不连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动，再到不连续能量分布的价电子在周期性势场中的运动，分别是经典自由电子论、量子自由电子论、能带理论这三种分析材料导电性理论的主要特征。5.2.1能带结构能带理论是在量子自由电子论的基础上，考虑了离子所造成的周期性势场的存在，从而导出了电子的分布特点，并建立了禁带的概念。5电子的运动状态的表征：5.2.1能带结构粒子性与波动性经典物理：状态用物理量描述。量子力学：状态用波函数描述。薛定谔方程Schrodinger在1926年建立了非相对论粒子的波函数随时间演化的方程。量子数（n主，l角，m磁，ms自旋）6原子的壳层结构：5.2.1能带结构1916年柯塞尔(W.Kossel)对多电子的原子系统提出了壳层结构学说：主量子数n相同的电子分布在同一壳层上。主量子数n相同而角量子数l不同的电子分布在不同的分壳层或支壳层上。l=0,1,2,3,4...…如：n=3,l=0,1,2…分别称为3s态,3p态,3d态…主量子数n愈小其相应的能级愈低。在同一壳层中,角量子数l愈小,其相应的能级愈低。7多电子的原子系统中,核外电子在不同的壳层上的分布遵从下面两条基本原理：1.泡利不相容原理一个原子系统内，不能有两个或两个以上电子具有完全相同的量子态(n,l,ml,ms)。利用泡利不相容原理可以计算各个壳层中可能占有的最多电子数。5.2.1能带结构电子的分布规律：8对给定的一个n,l=0,1,2,…,(n-1),共n个值；ml=0,±1,±2,…,±l，共(2l+1)个值；,21sm共2个值;10nl(2l+1)2=2n2所以各壳层能容纳的最多电子数为n=1,2,3,4，5,……KLMNO……最多电子数：28183250…...量子态数为5.2.1能带结构9对给定的一个l(角)的分壳层,ml=0,±1,±2,…,±l，共(2l+1)个值(磁)；,21sm共2个值;量子态数为2(2l+1)所以各分壳层能容纳的最多电子数为l=0,1,2,3,4……spdfg……最多电子数：26101418……5.2.1能带结构10电子在各壳层、分壳层的填充由左向右：n=1234……KLMN……1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f14…...2.能量最小原理原子系统处在正常状态时,每个电子总是尽可能占有最低的能级。5.2.1能带结构11对于由大量原子结合而成,若要研究多原子中电子的运动,原则上说,应当去解多原子、多电子系统的薛定谔方程。下面从泡利不相容原理出发来研究能带的形成。1.电子的共有化固体中的原子排列是很紧密，因而各相邻原子的波函数(或者说外电子壳层)将发生重叠。因此，各相邻原子的外层电子，很难说是属于那个原子，而实际上是处于为各邻近原子乃至整个固体所共有的状态。这种现象称之为电子的共有化。5.2.1能带结构122.能带的形成设有N个原子结合成固体，原来单个原子时处于1s能级的2N个电子现在属于整个原子系统(固体)所共有，根据泡利不相容原理，不能有两个或两个以上电子具有完全相同的量子态(n,l,ml,ms),因而就不能再占有一个能级，而是分裂为N个微有不同的分立能级。由于N是一个很大的数，这些分立能级相距很近，看起来几乎是连续的，从而形成一条有一定宽度E的能带。1s1s能带图5.1能带的形成13图5.2电子数量增加时能级扩展成能带5.2.1能带结构14离子间距aE0能带的重叠现象：15能带类型：填满电子的能带称为满带。未填满电子的能带称为导带。没有电子填充的能带称为空带。显然空带也属导带。由价电子能级分裂而成的能带称为价带。在能带之间没有可能量子态的能量区域叫禁带。5.2.1能带结构16导带中的能级未被占满，一个电子在外力作用下向其它能级转移时，不一定有相反方向的转移来抵消，所以导带具有导电作用。图5.4由于满带中所有能级都被电子占满，因此一个电子在外力作用下向其它能级转移时，必然伴随着相反方向的转移来抵消，所以满带是不导电的。图5.3电子在能带中的填充和运动17从能带上看，半导体和绝缘体的能带没有本质区别：都具有填满电子的满带和隔离满带与空带的禁带。不同的是，半导体的禁带较窄，而绝缘体的禁带较宽。满带空带禁带(a)半导体的能带E=0.10.2eV满带空带禁带(b)绝缘体的能带E=36eVEE材料导电与能带特征18绝缘体的禁带一般很宽,一般的热激发、光照或外加电场不是特别强时,满带中的电子很少能被激发到空带中去,所以绝缘体有较大的电阻率，导电性极差。半导体的禁带宽度较窄,在通常温度下,有较多的电子受到热激发从满带进入空带,不但进入空带的电子具有导电性能,而且满带中留下的空穴也具有导电性能。所以半导体的导电性虽不及导体但却比绝缘体好得多。满带空带禁带(a)半导体的能带E=0.10.2eVE满带空带禁带(b)绝缘体的能带E=36eVE19满带导带(不空)禁带E满带空带E满带导带(不空)E空带导体的能带特点：都具有一个未被电子填满的能带。在外电场作用下,这些能带中的电子很容易从一个能级跃入另一个能级,从而形成电流,所以导体显示出很强的导电能力。材料导电与能带特征20图5.5钠的能带结构导带禁带材料导电与能带特征的具体实例21由于钠只有1个3s电子，所以在3s价带上，只有一半的能级被电子所占据。自然，这些被电子占据的能级应该是能量较低的能级，而3s价带中能量较高的处于上方的能级很少有电子占据。当温度为绝对零度时，只有下面一半的能级被电子占据，上面一半的能级没有电子占据。能带中有一半的能级被电子占据的能级称为费密能级。而当温度大于绝对零度时，有一些电子获得了能量，跳到价带里的较高能级，而在相对应的较低的能级上失去了电子，产生了相同数量的空穴。材料导电与能带特征的具体实例22图5.6能带中电子随温度升高而进行能级跃迁(a)绝对零度时,所有外层电子占据低的能级(b)温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级材料导电与能带特征的具体实例23图5.7镁的能带结构材料导电与能带特征的具体实例24镁原子的核外电子结构为1s22s22p63s2。像镁这样的周期表ⅡA族元素的最外层3s轨道有2个电子，所以按理说它的3s能带就会被电子全部占满。但是，由于固体镁的3p能带与3s能带有重叠，这种重叠使得电子能够激发到3s和3p的重叠能带里的高能级，所以镁具有导电性。材料导电与能带特征的具体实例25从钪到镍的过渡族金属中，未被电子充满的3d能带和4s能带发生重叠。这种重叠使得电子能够被激发到高能量的能级。能带之间的复杂的相互作用使得这些金属的导电性不够理想。但铜是一个例外。铜中的内层3d能带已经被电子充满，这些电子被原子紧紧束缚，不能与4s能带相互作用。由于铜中的3d能带和4s能带之间基本没有相互作用，所以铜的导电性非常好。银和金的情况与铜类似。材料导电与能带特征的具体实例26周期表ⅣA族元素，如碳、硅、锗、锡，在最外层p轨道有2个电子，化合价为4。根据前面的讨论，因为这些元素的p能带没有被电子充满，似乎应该具有良好的导电性。但实际情况却不是这样。这些元素都是以共价键结合的，最外层的s能带电子和p能带电子都被原子紧紧束缚。共价键使能带结构发生比较复杂的变化，即杂化现象。材料导电与能带特征的具体实例27图5.8金刚石中碳的能带结构材料导电与能带特征的具体实例28在金刚石的价带和导带之间有一个较大的禁带Eg。很少有电子具有足够的能量，能够从价带跃迁到导带去。所以金刚石的电导率很低。提高温度或者施加高电压，可以使价带的电子获得能量，跃迁到导带。例如，氮化硼的室温的电导率为10-13Ω-1·cm-1，温度升到800℃时则为10-4Ω-1·cm-1。虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似，但这些材料的禁带宽度Eg较小。实际上，锡的禁带宽度小得使它具有类似导体的导电性。而禁带宽度Eg稍大一点的锗和硅成了典型的半导体。材料导电与能带特征的具体实例29表5.2一些材料的禁带宽度Eg（eV）材料禁带宽度EgC(金刚石)5.48Si1.12Ge0.67Sn（灰锡）0.08GaAs1.35InAs0.36TiO2(锐钛矿)3.2ZnO3.2In2O32.5SrTiO33.2ZrO25.0305.2.3导电材料与电阻材料对一截均匀导电体，存在如下关系：欧姆定律AreaLengthi电阻率（电导率）31表面电阻、体积电阻5.2.3导电材料与电阻材料施加电场时，通过材料的电流为表面电流和体积电流之和。I=Is＋Iv相应地电阻也可以分为体积电阻Rv和表面电阻Rs体积电阻率ρv或式中：h为试样的厚度；S为试样的面积表面电阻率ρs式中：ι为电极的长度；b为电极间的距离。32表面电阻、体积电阻5.2.3导电材料与电阻材料331.对板状样品5.2.3导电材料与电阻材料342.对管状样品5.2.3导电材料与电阻材料353.对圆片状样品5.2.3导电材料与电阻材料36电阻率测试方法5.2.3导电材料与电阻材料ρv和ρs都是用一个三电极装置测定，该装置由主电极、环形电极和下电极组成。测定ρv时样品被测面积就是主电极的面积；测定ρs时电极长度为主电极的周长。37VLAR=Rsample+RcontactR=V/Ir=(RA)/LIOhmeter特征：适用于高导电率材料电阻测试方法1.二探针法5.2.3导电材料与电阻材料385.2.3导电材料与电阻材料CurrentSourceI=V1/R1Rsample=V2/IRsample=(V2R1)/V1r=Rsample(A/L)特征：样品尺寸较大,一般用来测量半导体材料的方阻。LAIV2V1R1Ohmeters2.四探针法电阻测试方法39材料的电阻5.2.3导电材料与电阻材料40CompoundResistivity(-cm)CompoundResistivity(-cm)Ca3.910-6Si~0.1Ti4210-6Ge~0.05Mn18510-6ReO33610-6Zn5.910-6Fe3O45210-6Cu1.710-6TiO29104Ag1.610-6ZrO21109Pb2110-6Al2O311019ResistivitiesofRealMaterials5.2.3导电材料与电阻材料415.2.3导电材料与电阻材料导电材料是以传送电流为主要目的的材料。对于像电力工业这样的强电应用的导电材料，主要有铜、铝及其合金。而像电子工业这样的弱电应用的导电材料则除了铜、铝之外，还常用金、银等。42电阻材料的主要目的是给电路提供一定的电阻。作为精密电阻材料的以铜镍合金为代表，如康铜（Cu-40%Ni-1.5%Mn）。电热合金利用电阻发热的一种电阻材料。对于使用温度为900~1350℃的电热合金，常用镍铬合金。陶瓷电热材料,常见的陶瓷电热材料有碳化硅（SiC）、二硅化钼（MoSi2）、铬酸镧（LaCrO3）和二氧化锡（SnO2）等。5.2.3导电材料与电阻材料435.2.4其他材料的导电性能离子材料中的导电性往往需要通过离子的迁移来实现，因为这类材料中的禁带宽度较大，电子难以跃迁到导带。所以大多数的离子材料是绝缘体。如果在离子材料中引入杂质或空位，能够促进离子的扩散，改善材料的导电性。当然，高温也能促进离子扩散，进而改善导电性。4