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电子类载流子导电离子类载流子导电半导体超导体电性能测量及其应用举例第二章材料的电性能2.1引言电荷的定向运动形成电流,其载体称为载流子。载流子可以是电子、空穴,也可以是正离子、负离子金属——电子无机材料——电子(空穴)、离子(空穴)。半导体——电子(空穴)表征材料电性能的主要参量电阻R:不仅与导体的性质有关,还与样品的几何尺寸有关。电阻率ρ:与几何尺寸无关,仅取决于导体材料的本性。(Ω·m)电导率σ:反映导体中电场强度和电流密度关系的物理量。(s/m)1EJ电导G:表示整个物体导电能力大小的物理量RG1SLR表1.常见材料的电阻率(×10-8Ωm)材料AgCuAlFeMn电阻率1.461.541.725.882602.2电子类载流子导电2.2.1金属导电机制2.2.1金属导电机制Ve++++____lnmenme2222FFefeflnmenme*2*222FFefeflnmenme2222电阻产生原因:当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶体点阵时,将不受到散射而无阻碍地传播。这时ρ=0,而σ为无穷大,即此时的材料是一个理想的导体由于温度引起的离子运动(热振动)振幅的变化(通常用振幅的均方值表示),以及晶体中异类原子、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。这样,电子波在这些地方发生不相干散射而产生电阻,降低导电性。电阻:电子波运动的阻力,即电子波会遭到散射。散射:电子波的速度(能量)或方向改变。即电子的波矢由kk′可定义为散射系数,记为因此电阻率为Fl122enmefF对于金属而言,温度升高离子热振动的振幅愈大,电子就愈易受到散射,故可认为μ与温度成正比,则ρ也就与温度成正比,这就是金属的电阻随温度升高而增大的原因。若金属中含有少量杂质,杂质原子使金属晶格发生畸变,破坏晶体点阵的完整性,引起额外的散射。与杂质浓度成正比,与温度无关。可见散射系数μ和电阻率ρ成正比。思考:为何金属的电阻率随着温度升高而增大?散射系数可写成两部分:因此,电阻率记为此即为Matthiessen定律。马西森定律:与温度有关的电阻率(基本电阻率,即理想晶体电阻率))(T:与杂质浓度、点缺陷、位错有关的电阻率(剩余电阻率)'TTefFefFenmenm2222T2.2.2影响电阻率的因素(一)电阻率与温度的关系:一般规律:温度升高,电阻率增大。尽管温度对有效电子数和电子平均速度几乎没有影响,然而温度升高会使晶格振动加剧,瞬间偏离平衡位置的原子数增加,偏离理想晶格的程度加大,使电子运动的自由程减小,散射几率增加导致电阻率增大。V____++++e低温下杂质、晶体缺陷对金属电阻的影响1——理想金属晶体ρ=ρ(T)2——含有杂质金属ρ=ρ0+ρ(T)3——含有晶体缺陷ρ=ρ0’+ρ(T)绝对零度下,纯净又无缺陷的金属,其电阻率等于零。随温度的升高金属的电阻率也增加。理想晶体的电阻率是温度的单值函数。若晶体中存在杂质和结构缺陷,电阻与温度的关系曲线将发生变化(注意三条曲线绝对0度时的电阻率)不同温度区间电阻率与温度的关系声子:声子就是晶格振动的能量量子。)21(nE德拜温度:点阵的热振动在不同温区存在差异。由德拜理论,原子热振动的特征在两个温度区域存在本质的差别,划分这两个区域的温度称为德拜温度或特征温度。常用的非过渡族金属的德拜温度一般不超过500K。D);(25DTT声电);32(1DTT声电)2(32KTT电电在德拜温度以上,可以认为电子是完全自由的,金属的电阻取决于离子的热振动。此时,纯金属的电阻率与温度关系为当温度较低(低于ΘD)时,则应考虑振动原子与导电电子之间的相互作用当温度接近于0K时(T2K),电子的散射主要是电子与电子间的相互作用,而不是电子与离子之间的相互作用,并应以ρ∝T2的规律趋于零,但对大多数金属,此时的电阻率表现为一常数,ρ=ρ’。这是点阵畸变造成的残留电阻所引起,即ρ’为残留电阻率。T声电5T声电)1(00CTT)1(1CdTdTT在高于室温以上温度时平均电阻温度系数真电阻温度系数纯金属的近似为4×10-3℃-1。过渡族金属,特别是铁磁性金属具有较高的值。Fe:6×10-3℃-1,Co:6.6×10-3℃-1,Ni:6.2×10-3℃-1TT10锑、钾、钠熔化时电阻率变化曲线金属熔体的电阻反常金属熔化时晶体结构遭到破坏,导电性能急剧下降,电阻增加1.5-2倍。Sb半金属,熔化时导电性急剧增大。大多数金属在熔化成液态时电阻约增大1.5-2倍.如K,Na等。原因:熔化时金属原子规则排列遭到破坏,增强了对电子的散射。反常下降,如Sb等,原因:Sb在固态时为层状结构,共价键类型,变成液体后,共价键被破坏,原子间成为金属键结合,造成反常下降。金属熔体的电阻反常温度对具有磁性转变金属电阻温度系数的影响(a)铁磁性金属(b)金属镍磁性材料电阻温度系数α(dρ/dT)特殊,居里点处最大。反常情况:铁磁金属过渡族金属,特别是铁磁性金属的电阻率与温度明显偏离线性关系,在居里点温度附近更加明显。如图,镍金属的电阻温度系数随着温度的升高而不断增大,过了居里温度后开始明显降低。铁磁性金属电阻-温度反常是由于铁磁性金属内参与自发磁化的d及s壳层电子云相互作用引起的。(二).电阻率与压力的关系)1(0pp原因:原子在压力作用下相互靠近,原子间距缩小,使金属内部的电子结构、费密能和能带结构发生变化,从而影响了金属的导电性。Ρ0:真空条件下电阻率,P:压力,Φ:压力系数(负值,10-5-10-6)大部分金属受压力情况下电阻率下降。正常金属元素:电阻率随压力增大而下降;(铁、钴、镍、钯、铂、铱、铜、银、金、锆、铪等)反常金属元素:碱金属、碱土金属、稀土金属和第V族的半金属,它们有正的电阻压力系数,但随压力升高一定值后系数变号。研究表明,这种反常现象和压力作用下的相变有关。压力对金属电阻的影响(a)(b)正常元素(c)反常元素元素p极限/GPaρ/(μΩ·m)元素p极限/GPaρ/(μΩ·m)S40-H200-Se12.5-金刚石60-Si16-P2060±20Ge12-AgO2070±20I22500-一些半导体和绝缘体转变为导体的压力极限____++++Ve(1)晶体缺陷使金属的电阻率增加(三).冷加工和缺陷对电阻率的影响空位、间隙原子以及它们组成、位错等晶体缺陷使金属电阻率增加。根据马西森定律,在极低温度下,纯金属电阻率主要由其内部缺陷(包括杂质原子)决定,即由剩余电阻率决定。研究晶体缺陷对电阻率的影响,对于估价单晶体结构完整性有重要意义。掌握这些缺陷对电阻的影响,可以研制具有一定电阻的金属。半导体单晶体的电阻值就是根据这个原则进行人为控制的。不同类型的晶体缺陷对金属电阻率的影响程度不同。1%原子空位浓度或1%原子间隙原子:点缺陷(Ω·Cm/原子百分数)单位体积中位错线的单位长度:线缺陷(Ω·Cm·cm-3)单位体积中晶界的单位面积:面缺陷(Ω·Cm·cm-2·cm-3)所引起的电阻率变化表征对金属电阻率的影响空位、位错对一些金属电阻率的影响金属(Δρ位错/ΔN位错)/(10-19Ω.Cm.cm-3)(Δρ空位/C空位)/(10-6Ω.Cm/原子百分数)金属(Δρ位错/ΔN位错)/(10-19Ω.Cm.cm-3)(Δρ空位/C空位)/(10-6Ω.Cm/原子百分数)Cu1.32.3;1.7Pt1.09.0Ag1.51.9Fe2.0Au1.52.6W29Al3.43.3Zr100Ni9.4Mo11空位和间隙原子对电阻率的影响和杂质原子的影响相似,其影响大小是同一数量级。大量的实验结果表明,点缺陷所引起的剩余电阻率的变化远比线缺陷的影响大。主要研究点缺陷对电阻率的影响。(2)冷加工使金属的电阻率增大现象:冷加工(冷轧/锻、冷冲、冷拔等)后,一般金属电阻率上升2-6%,变形量越大,电阻率越高;特例,W30-50%,Mo15-20%原因:冷加工直接造成晶格畸变,产生大量位错、空位,增加电子散射几率。冷加工使原子间距有所改变,也会对电阻率产生一定影响。冷加工金属退火后,消除晶格缺陷,电阻率可恢复。变形量对金属电阻的影响根据马西森定率,冷加工金属的电阻率可写成:ρ=ρ(T)+Δρ式中,ρ(T)表示与温度有关的退火金属电阻率;Δρ表示冷加工变形产生的附加电阻率,亦称为残余电阻率。Δρ与温度无关。当温度降低到0K时,冷加工金属仍保留残余电阻率。如果认为冷加工变形所引起的电阻率增加是由于晶格畸变、晶体缺陷所致,则增加的电阻率可表示为:Δρ(空位)表示电子在空位处散射引起电阻率的增加值,当退火温度足以使空位扩散时,这部分电阻将消失。Δρ(位错)是电子在位错处散射引起电阻率的增加值,这部分电阻经回复和再结晶后消失。位错空位mnBAPt,n=1.9,m=1.3W,n=1.73,m=1.2A,B:常数;ε:变形量n,m=0~2范比伦关系(VanBeuren)nC考虑到空位、位错的影响C:常数n:0-2(四)合金化对导电性的影响①一般固溶体的导电性一般规律:当形成固溶体时合金的电导率降低,电阻率增高。成分与固溶体电阻:a.由非过渡族元素所形成的连续固溶体,最大电阻率通常出现在50%原子浓度处。b.当固溶体中含有过渡族金属时,最大电阻率不在50%原子浓度处,而偏向过渡族组元方向。过渡族金属组成固溶体后,其电阻值显著提高。对于连续固溶体,当组元A溶入组元B时,电阻由B组元的电阻值逐渐增大至极大值后再逐渐减小到A组元的电阻值。原因:异类原子的溶入引起溶剂晶格畸变,破坏了溶剂晶格势场的周期性,增加了对电子的散射作用,从而增大了电阻。同时由于组元之间化学相互作用的加强使有效电子数减少,造成ρ增大。Au-Ag合金电阻率与成分的关系Cu-Pd,Ag-Pd,Au-Pd合金电阻率与成分的关系因为价电子转移到过渡族金属内较深而末填满的d-或f-壳层中,造成价电子/导电电子数目减少的缘故。低浓度下固溶体的电阻率服从马西森定律。说明:马西森定律正确的前提是:(1)合金元素不改变金属的能带结构;(2)合金元素的加入不引起德拜特征温度的改变;C00'溶剂金属的电阻C为杂质原子含量表示杂质原子为1%时引起的附加电阻率实验证明,除过渡族金属外,在同一溶剂中溶人1%原子溶质金属所引起的电阻率增加,由溶剂和溶质金属的价数而定,它们的价数差愈大,增加的电阻率愈大,其数学表达式为Δρ=a+b(ΔZ)2式中:a、b是常数;ΔZ表示低浓度合金溶剂和溶质间的价数差。此式称为诺伯里—林德(Nor-bury-Lide)法则。1%杂质原子对铜剩余电阻率的影响②有序固溶体的导电性固溶体发生有序化对导电性影响具有两重性(物理本质):一是有序化使原子间相互作用加强,因此所有电子结合比无序固溶体中强,减少了有效电子数而引起电阻率的升高。二是有序化使点阵规律性加强,晶体的离子势场在有序化时变得更对称,减少了电子的散射而引起电阻率的降低。通常情况下,第二个因素占优势固溶体发生有序化时,其电阻率将明显降低。无序合金(淬火态)同一般合金电阻率的变化规律相似,有序合金的电阻率比无序合金的电阻率低得多;当温度高于有序-无序转变温度,有序合金的有序态被破坏,转为无序态,电阻率明显上升。Cu-Au合金的电阻淬火后无序固溶体的电阻率曲线退火后形成的有序固溶体的电阻率曲线仅由温度决定的那部分电阻率③不均匀固溶体的电阻反常在含过渡族金属的合金中,如镍-铬、镍—铜—锌、铁—铬—铝、铁—镍—钼、银—锰等合金中微结构分析表明合金是单相的,但在回火过程中发现合金电阻反常升高;而且冷加工会降低合金电阻率。Thomas首先发现,并称此组织状态为K状态。起因—固溶体不均匀组织:“相内分解”导致了不均匀组织,不形成固定
本文标题:第二章材料物理性能
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