5.2导电物理-材料的导电性能

15.2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2根据原子结构理论，每个电子都占有一个分立的能级。泡利（Pauli）不相容原理指出，每个能级只能容纳2个电子。3当N个原子相互靠近形成一个固体时，泡利不相容原理仍然成立，即在整个固体中，也只能有2个电子占据相同的能级。当这两个原子的距离足够近时，它们的2s轨道的电子就会相互作用，以致不能再维持在相同的能级。当固体中有N个原子，这N个原子的2s轨道的电子都会相互影响。这时就必须出现N个不同的分立能级来安排所有这些2s轨道的电子（这些电子共有2N个）。2s轨道的N个分立的能级组合在一起，成为2s的能带。4图5.1电子数量增加时能级扩展成能带5图5.2钠的能带结构导带禁带6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。7图5.3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8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。9能带重叠现象图5.4镁的能带结构10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。11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。12图5.5金刚石中碳的能带结构13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。14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。绝缘体的能带结构与半导体相似，价带上都排满了电子，而导带上则没有电子。不同之处在于，许多半导体的禁带宽度为0.4~0.5eV，而绝缘体的禁带宽度则为4~5eV。不过，并没有一个严格的禁带宽度数值以截然区别半导体和绝缘体。15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)3.2ZnO3.2In2O32.5SrTiO33.2ZrO25.0165.2.3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。17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）。铜镍合金的电阻率随着成分的变化而连续变化，在含镍为40wt%左右具有最大的电阻率、最小的温度系数、最大的热电势。18电热合金的使用温度非常高。对于使用温度为900~1350℃的电热合金，常用镍铬合金。当使用温度更高时，一般的电热合金不是会发生熔化，就是会发生氧化。此时需要采用陶瓷电热材料。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。195.2.4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。20高分子材料中的电子都是共价键结合的，所以高分子材料的禁带宽度都非常大，电导率也非常低。因此高分子材料常用作绝缘体。有时，低电导率也会对材料造成损害。解决这些问题的方法有两种，一是在高分子材料中引入添加剂，改善材料的导电性，二是开发本身就具有导电性的高分子材料。