1、第06講5-2材料導(dǎo)電性能25.2材料的導(dǎo)電性能 5.2.15.2.3導(dǎo)電材料與電阻材料導(dǎo)電材料與電阻材料 5.2.4其他材料的導(dǎo)電性能其他材料的導(dǎo)電性能3根據(jù)原子結(jié)構(gòu)理論，每個(gè)電子都占有一個(gè)根據(jù)原子結(jié)構(gòu)理論，每個(gè)電子都占有一個(gè)分立的能級(jí)。泡利（分立的能級(jí)。泡利（Pauli）不相容原理指）不相容原理指出，每個(gè)能級(jí)只能容納出，每個(gè)能級(jí)只能容納2個(gè)電子。個(gè)電子。 4當(dāng)當(dāng)N個(gè)原子相互靠近形成一個(gè)固體時(shí)，泡利個(gè)原子相互靠近形成一個(gè)固體時(shí)，泡利不相容原理仍然成立，即在整個(gè)固體中，也不相容原理仍然成立，即在整個(gè)固體中，也只能有只能有2個(gè)電子占據(jù)相同的能級(jí)。當(dāng)這兩個(gè)個(gè)電子占據(jù)相同的能級(jí)。當(dāng)這兩個(gè)原子的距離足

2、夠近時(shí)，它們的原子的距離足夠近時(shí)，它們的2s軌道的電子軌道的電子就會(huì)相互作用，以致不能再維持在相同的能就會(huì)相互作用，以致不能再維持在相同的能級(jí)。當(dāng)固體中有級(jí)。當(dāng)固體中有N個(gè)原子，這個(gè)原子，這N個(gè)原子的個(gè)原子的2s軌道的電子都會(huì)相互影響。這時(shí)就必須出現(xiàn)軌道的電子都會(huì)相互影響。這時(shí)就必須出現(xiàn)N個(gè)不同的分立能級(jí)來(lái)安排所有這些個(gè)不同的分立能級(jí)來(lái)安排所有這些2s軌道軌道的電子（這些電子共有的電子（這些電子共有2N個(gè)）。個(gè)）。2s軌道的軌道的N個(gè)分立的能級(jí)組合在一起，成為個(gè)分立的能級(jí)組合在一起，成為2s的能帶。的能帶。 5圖圖5.1電子數(shù)量增加時(shí)能級(jí)擴(kuò)展成能帶電子數(shù)量增加時(shí)能級(jí)擴(kuò)展成能帶 6圖5.2鈉的能

3、帶結(jié)構(gòu) 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 禁帶禁帶 7由于鈉只有由于鈉只有1個(gè)個(gè)3s電子，所以在電子，所以在3s價(jià)帶上，價(jià)帶上，只有一半的能級(jí)被電子所占據(jù)。自然，這些只有一半的能級(jí)被電子所占據(jù)。自然，這些被電子占據(jù)的能級(jí)應(yīng)該是能量較低的能級(jí)，被電子占據(jù)的能級(jí)應(yīng)該是能量較低的能級(jí)，而而3s價(jià)帶中能量較高的處于上方的能級(jí)很少價(jià)帶中能量較高的處于上方的能級(jí)很少有電子占據(jù)。當(dāng)溫度為絕對(duì)零度時(shí)，只有下有電子占據(jù)。當(dāng)溫度為絕對(duì)零度時(shí)，只有下面一半的能級(jí)被電子占據(jù)，上面一半的能級(jí)面一半的能級(jí)被電子占據(jù)，上面一半的能級(jí)沒(méi)有電子占據(jù)。能帶中有一半的能級(jí)被電子沒(méi)有電子占據(jù)。能帶中有一半的能級(jí)被電子占據(jù)的能級(jí)稱(chēng)為費(fèi)密能級(jí)。而當(dāng)溫度大于絕占

4、據(jù)的能級(jí)稱(chēng)為費(fèi)密能級(jí)。而當(dāng)溫度大于絕對(duì)零度時(shí)，有一些電子獲得了能量，跳到價(jià)對(duì)零度時(shí)，有一些電子獲得了能量，跳到價(jià)帶里的較高能級(jí)，而在相對(duì)應(yīng)的較低的能級(jí)帶里的較高能級(jí)，而在相對(duì)應(yīng)的較低的能級(jí)上失去了電子，產(chǎn)生了相同數(shù)量的空穴。上失去了電子，產(chǎn)生了相同數(shù)量的空穴。8圖圖5.3能帶中電子隨溫度升高而進(jìn)行能級(jí)躍遷能帶中電子隨溫度升高而進(jìn)行能級(jí)躍遷 絕對(duì)零度時(shí)絕對(duì)零度時(shí),所有外層電子占據(jù)低的能級(jí)所有外層電子占據(jù)低的能級(jí);(a)溫度升高溫度升高,部分電子被激發(fā)到原未被填充的能級(jí)部分電子被激發(fā)到原未被填充的能級(jí) 9鎂原子的核外電子結(jié)構(gòu)為鎂原子的核外電子結(jié)構(gòu)為1s22s22p63s2。像。像鎂這樣的周期表鎂這

5、樣的周期表A族元素的最外層族元素的最外層3s軌道軌道有有2個(gè)電子，所以按理說(shuō)它的個(gè)電子，所以按理說(shuō)它的3s能帶就會(huì)被能帶就會(huì)被電子全部占滿。電子全部占滿。但是，由于固體鎂的但是，由于固體鎂的3p能帶與能帶與3s能帶有重疊，能帶有重疊，這種重疊使得電子能夠激發(fā)到這種重疊使得電子能夠激發(fā)到3s和和3p的重疊的重疊能帶里的高能級(jí)，所以鎂具有導(dǎo)電性。能帶里的高能級(jí)，所以鎂具有導(dǎo)電性。 10能帶重疊現(xiàn)象能帶重疊現(xiàn)象 圖圖5.4鎂的能帶結(jié)構(gòu)鎂的能帶結(jié)構(gòu) 11從鈧到鎳的過(guò)渡族金屬中，未被電子充滿的從鈧到鎳的過(guò)渡族金屬中，未被電子充滿的3d能帶和能帶和4s能帶發(fā)生重疊。這種重疊使得能帶發(fā)生重疊。這種重疊使得電

6、子能夠被激發(fā)到高能量的能級(jí)。能帶之間電子能夠被激發(fā)到高能量的能級(jí)。能帶之間的復(fù)雜的相互作用使得這些金屬的導(dǎo)電性不的復(fù)雜的相互作用使得這些金屬的導(dǎo)電性不夠理想。但銅是一個(gè)例外。銅中的內(nèi)層夠理想。但銅是一個(gè)例外。銅中的內(nèi)層3d能帶已經(jīng)被電子充滿，這些電子被原子緊緊能帶已經(jīng)被電子充滿，這些電子被原子緊緊束縛，不能與束縛，不能與4s能帶相互作用。由于銅中的能帶相互作用。由于銅中的3d能帶和能帶和4s能帶之間基本沒(méi)有相互作用，能帶之間基本沒(méi)有相互作用，所以銅的導(dǎo)電性非常好。銀和金的情況與銅所以銅的導(dǎo)電性非常好。銀和金的情況與銅類(lèi)似。類(lèi)似。 12周期表周期表A族元素，如碳、硅、鍺、錫，在族元素，如碳、硅、

7、鍺、錫，在最外層最外層p軌道有軌道有2個(gè)電子，化合價(jià)為個(gè)電子，化合價(jià)為4。根據(jù)。根據(jù)前面的討論，因?yàn)檫@些元素的前面的討論，因?yàn)檫@些元素的p能帶沒(méi)有被能帶沒(méi)有被電子充滿，似乎應(yīng)該具有良好的導(dǎo)電性。但電子充滿，似乎應(yīng)該具有良好的導(dǎo)電性。但實(shí)際情況卻不是這樣。這些元素都是以共價(jià)實(shí)際情況卻不是這樣。這些元素都是以共價(jià)鍵結(jié)合的，最外層的鍵結(jié)合的，最外層的s能帶電子和能帶電子和p能帶電子能帶電子都被原子緊緊束縛。共價(jià)鍵使能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生都被原子緊緊束縛。共價(jià)鍵使能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生比較復(fù)雜的變化，即雜化現(xiàn)象。比較復(fù)雜的變化，即雜化現(xiàn)象。 13圖圖5.5金剛石中碳的能帶結(jié)構(gòu)金剛石中碳的能帶結(jié)構(gòu) 14在金剛石的價(jià)帶和導(dǎo)帶

8、之間有一個(gè)較大的在金剛石的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間有一個(gè)較大的禁帶禁帶Eg。很少有電子具有足夠的能量，能。很少有電子具有足夠的能量，能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶去。所以金剛石的電夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶去。所以金剛石的電導(dǎo)率很低。導(dǎo)率很低。 提高溫度或者施加高電壓，可以使價(jià)帶的提高溫度或者施加高電壓，可以使價(jià)帶的電子獲得能量，躍遷到導(dǎo)帶。例如，氮化電子獲得能量，躍遷到導(dǎo)帶。例如，氮化硼的室溫的電導(dǎo)率為硼的室溫的電導(dǎo)率為10-13-1cm-1，溫度，溫度升到升到800時(shí)則為時(shí)則為10-4-1cm-1。 15雖然鍺、硅和錫的能帶結(jié)構(gòu)與金剛石相似，但雖然鍺、硅和錫的能帶結(jié)構(gòu)與金剛石相似，但這些材料的禁帶寬度這些材料的禁帶寬

9、度Eg 較小。實(shí)際上，錫的較小。實(shí)際上，錫的禁帶寬度小得使它具有類(lèi)似導(dǎo)體的導(dǎo)電性。而禁帶寬度小得使它具有類(lèi)似導(dǎo)體的導(dǎo)電性。而禁帶寬度禁帶寬度Eg稍大一點(diǎn)的鍺和硅成了典型的半導(dǎo)稍大一點(diǎn)的鍺和硅成了典型的半導(dǎo)體。體。 絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體相似，價(jià)帶上都排絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體相似，價(jià)帶上都排滿了電子，而導(dǎo)帶上則沒(méi)有電子。不同之處在滿了電子，而導(dǎo)帶上則沒(méi)有電子。不同之處在于，許多半導(dǎo)體的禁帶寬度為于，許多半導(dǎo)體的禁帶寬度為 0.4 0.5 eV，而絕緣體的禁帶寬度則為而絕緣體的禁帶寬度則為 4 5 eV。不過(guò)，并。不過(guò)，并沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的禁帶寬度數(shù)值以截然區(qū)別半導(dǎo)沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的禁帶寬度數(shù)值以截然

10、區(qū)別半導(dǎo)體和絕緣體。體和絕緣體。 16表表5.2一些材料的禁帶寬度一些材料的禁帶寬度Eg（eV）材料材料禁帶寬度禁帶寬度EgC(金剛石金剛石)5.48Si1.12Ge0.67Sn（灰錫）（灰錫） 0.08GaAs1.35InAs0.36TiO2(銳鈦礦銳鈦礦)3.2ZnO3.2In2O32.5SrTiO33.2ZrO25.0175.2.3導(dǎo)電材料與電阻材料導(dǎo)電材料與電阻材料 導(dǎo)電材料是以傳送電流為主要目的的材料。導(dǎo)電材料是以傳送電流為主要目的的材料。對(duì)于像電力工業(yè)這樣的強(qiáng)電應(yīng)用的導(dǎo)電材對(duì)于像電力工業(yè)這樣的強(qiáng)電應(yīng)用的導(dǎo)電材料，主要有銅、鋁及其合金。而像電子工料，主要有銅、鋁及其合金。而像電子工業(yè)

11、這樣的弱電應(yīng)用的導(dǎo)電材料則除了銅、業(yè)這樣的弱電應(yīng)用的導(dǎo)電材料則除了銅、鋁之外，還常用金、銀等。鋁之外，還常用金、銀等。 18電阻材料的主要目的是給電路提供一定的電阻材料的主要目的是給電路提供一定的電阻。作為精密電阻材料的以銅鎳合金為電阻。作為精密電阻材料的以銅鎳合金為代表，如康銅（代表，如康銅（Cu-40%Ni-1.5%Mn）。銅）。銅鎳合金的電阻率隨著成分的變化而連續(xù)變鎳合金的電阻率隨著成分的變化而連續(xù)變化，在含鎳為化，在含鎳為40wt%左右具有最大的電阻左右具有最大的電阻率、最小的溫度系數(shù)、最大的熱電勢(shì)。率、最小的溫度系數(shù)、最大的熱電勢(shì)。 195.2.4其他材料的導(dǎo)電性能其他材料的導(dǎo)電性能

12、離子材料中的導(dǎo)電性往往需要通過(guò)離子的離子材料中的導(dǎo)電性往往需要通過(guò)離子的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@類(lèi)材料中的禁帶寬度遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@類(lèi)材料中的禁帶寬度較大，電子難以躍遷到導(dǎo)帶。所以大多數(shù)較大，電子難以躍遷到導(dǎo)帶。所以大多數(shù)的離子材料是絕緣體。如果在離子材料中的離子材料是絕緣體。如果在離子材料中引入雜質(zhì)或空位，能夠促進(jìn)離子的擴(kuò)散，引入雜質(zhì)或空位，能夠促進(jìn)離子的擴(kuò)散，改善材料的導(dǎo)電性。當(dāng)然，高溫也能促進(jìn)改善材料的導(dǎo)電性。當(dāng)然，高溫也能促進(jìn)離子擴(kuò)散，進(jìn)而改善導(dǎo)電性。離子擴(kuò)散，進(jìn)而改善導(dǎo)電性。20高分子材料中的電子都是共價(jià)鍵結(jié)合的，所以高分子材料中的電子都是共價(jià)鍵結(jié)合的，所以高分子材料的禁帶寬度都非常大，電導(dǎo)率也非高分子材料的禁帶寬度都