2.1-2.2-导体、绝缘体和半导体的划分

SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology第八章电学性能第一节导电性第二节介电性第三节热电性第四节压电性第五节热释电性第六节铁电性SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology第一节导电性能一、导电性表征1导电当在材料的两端施加电压时，材料中有电流流过欧姆定律2R电阻与材料的性质有关，还与材料的长度及截面积有关单位：Ω(欧)UIRLRSSITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology5材料分类导电能力相差很大，决定于材料的结构与导电本质4σ电导率愈大，材料导电性能就越好单位：S/m(西/米)13ρ电阻率只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸无关评定导电性的基本参数单位：Ω·m(欧·米)Ω·m10-5109导体半导体绝缘体一、导电性表征SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology二、导电机理1金属及半导体的导电机理(1)经典电子理论离子构成了晶格点阵，形成一个均匀电场价电子是完全自由的（自由电子弥散）遵循经典力学气体分子的运动规律：电子气无E有E正离子自由电子自由电子加速运动形成电流自由电子与正离子碰撞形成电阻自由电子沿各个方向运动几率相同不产生电流SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology二、导电机理1金属及半导体的导电机理(1)经典电子理论其中：l：电子两次碰撞之间运动的平均距离(自由程)：电子平均运动速度n：单位体积内的自由电子数m：电子质量e：电子电荷：两次碰撞之间的平均时间vt金属的导电性取决于自由电子的数量、平均自由程和平均运动速度SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology二、导电机理1金属及半导体的导电机理(1)经典电子理论经典电子理论的缺点：自由电子数越多导电性越好：二、三价金属比一价金属自由电子数多，但导电性差；不能解释电阻率与温度间的定量关系；不能解释超导现象。SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology(2)量子自由电子理论原子的内层电子保持着单个原子时的能量状态价电子按量子化具有不同的能级电子具有波粒二象性．运动着的电子作为物质波：量子自由电子理论：价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。二、导电机理hphmphmh222其中，电子质量；电子速度；电子动量；普朗克常数。mph一价金属中，自由电子动能：28821222222KmhKmhmE为常数波数频率，它表征金属中自由电子具有的能量状态关系曲线为抛物线KE一价金属量子自由电子理论：价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。二、导电机理hphmphmh222其中，电子质量；电子速度；电子动量；普朗克常数。mph一价金属中，自由电子动能：28821222222KmhKmhmE为常数波数频率，它表征金属中自由电子具有的能量状态关系曲线为抛物线KE自由电子动能常数量子自由电子理论：价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。二、导电机理hphmphmh222其中，电子质量；电子速度；电子动量；普朗克常数。mph一价金属中，自由电子动能：28821222222KmhKmhmE为常数波数频率，它表征金属中自由电子具有的能量状态关系曲线为抛物线KE量子自由电子理论：价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。二、导电机理hphmphmh222其中，电子质量；电子速度；电子动量；普朗克常数。mph一价金属中，自由电子动能：28821222222KmhKmhmE为常数波数频率，它表征金属中自由电子具有的能量状态关系曲线为抛物线KE波长：频率：SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology(2)量子自由电子理论粒子的观点：E-K曲线表示自由电子的能量与速度(或动量)之间的关系波动的观点：E-K曲线表示电子的能量和波数之间的关系。电子的波数越大，则能量越高没有加外加电场，自由电子沿正、反方向运动的电子数量相同，没有电流产生外加电场作用下，正向移动电子能量降低；反向运动的电子能量升高，使金属导电；即不是所有自由电子参与导电，仅高能态电子参与导电SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology(2)量子自由电子理论此外：实际情况中，金属内部存在缺陷和杂质。缺陷和杂质产生的静态点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电磁波造成散射，形成电阻penmtenmmpentmenefefefef222221222单位体积内参与导电电子数，称为有效自由电子数；两次反射之间的平均时间；单位时间内散射的次数，称为散射几率。efntp解释了金属导电本质但是离子所产生的势场是均匀的，与实际情况相悖。电导率电阻率SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology(3)能带理论：晶体中电子能级间隙很小，能级分布是准连续的，或称能带；金属中由离子产生的势场是不均匀的，而且是呈周期性变化的。同样：金属中的价电子是公有化，能量是量子化不同：金属中由离子所造成的势场是成周期性变化的价电子在金属中的运动要受到周期场的作用结果导致：不同能量状态分布的能带发生分裂，即有某些能态是电子不能取值的SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology(3)能带理论：1E2E允带允带允带能隙，禁带能隙，禁带允带和禁带交替结构能带发生分裂，即有某些能态是电子不能取值的定义？SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology能带结构：受价电子数、禁带宽度和允带空能级影响空能级：允带中未被填满电子的能级。导带：空能级允带中电子是自由的，参与导电禁带宽窄：取决于周期势场的变化幅度，变化幅度越大，禁带越宽若势场没有变化，则能带间隙为零。(3)能带理论：SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology----导体、绝缘体、半导体能带结构特点(3)能带理论：允带能级未被填满允带之间没有禁带允带之间互相重叠满带上面相邻较宽禁带满带上面相邻较窄禁带电子易发生能级跃迁电子较易跃迁电子很难跃迁禁带：能隙所对应的能带称为禁带。禁带的宽窄取决于周期势场的变化幅度，变化越大，禁带越宽允带：电子可以具有的能级所组成的能带称为允带。在允带中每个能级只允许有两个自旋反向的电子存在空能级：允带中未被填满电子的能级，具有空能级允带中的电子是自由的，在外加电场的作用下参与导电，所以这样的允带称为导带满带：一个允带所有的能级都被电子填满的能带SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology(3)能带理论：半导体：Eg≈0.2~3.5eV例如：Si：Eg＝1.1eVGe：Eg＝0.71eV绝缘体：Eg＞3.5eV例如：金刚石Eg＝6.0eVSITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology二、导电机理2无机非金属导电机理能带理论可以解释金属和半导体的导电现象，却难以解释陶瓷、玻璃和高分子等非金属材料的导电机理。载流子理论电流是电荷在空间的定向流动。任何物质，只要存在带电荷的自由粒子（载流子），就可以在电场作用下产生电流。•金属：载流子是自由电子，故称电子电导；•无机材料中，载流子有两类：–离子（正、负离子、空位），故称离子电导；–电子（负电子、空穴）；•高分子聚合物：载流子是孤对电子；•超导材料：载流子是双电子库柏对。SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology二、导电机理2无机非金属导电机理离子晶体导电机理：离子晶体中空位的迁移。涉及离子运动本征电导：晶体点阵中基本离子的运动产生电导。杂质电导：结合力弱的离子运动造成，主要是杂质离子。离子移位产生电流晶体的离子电导可以分为两类)exp(kTEAss)exp(TBAiiSITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology玻璃的导电机理：二、导电机理2无机非金属导电机理原因：某些离子在结构中的可动性(在空位之间跳跃)所导致的。玻璃的组成对玻璃的电阻影响很大高温ρ↓SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology三、影响材料导电性的因素主要有温度、化学成分、晶体结构、杂质及缺陷浓度及迁移率等。金属：自由电子机理，电导率随温度升高下降；离子晶体陶瓷：电导率随温度升高增加。对象：金属SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology金属电阻率随温度升高而增大（1）电子运动自由程减小，散射几率增加导致电阻率增大（2）在德拜温度以上，电子是完全自由的完整的晶体中电子的散射取决于温度造成的点阵畸变，金属的电阻取决于离子的热振动（3）纯金属的电阻率与温度关系对象：金属)1(0TtTxDedxxAT/025142TDTDT220T0T残留电阻率1、温度SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology2、应力弹性拉应力，使原子间距增大，点阵畸变增大，电阻增大关系如下ρ0－未加载荷时的电阻率，α－应力系数，σ－拉应力压应力使原子间距减小，点阵动畸变减小，电阻率降低关系如下ρ0－真空下的电阻率，φ－压力系数（负数），p－压力)1(0)1(0pSITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnologySITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnologySITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology3、冷加工变形一般单向固溶体经过冷加工后，电阻可增加10%~20%，而有序固溶体电阻增加100%，甚至更高，也有极个别相反情况的例子使晶体点阵畸变、晶格缺陷增加（特别是空位浓度），造成点阵电场的不均匀而加剧对电子的散射，原子间距改变，导致电阻率改变马西森定则：式中：ρ(T)：与温度有关的退火金属电阻率Δρ：冷加工变形产生的附加电阻率，与温度无关)(TSITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnology2.2.3固溶体的电阻率SITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnologySITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnologySITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnologySITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnologySITMaterialPerformancesShanghaiInstituteofTechnologySITMater