1、第二章第二章 材料的電學性能材料的電學性能 學習內容：學習內容：2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 導電性導電性 2.3 2.3 晶體的能帶晶體的能帶2.4 2.4 金屬的導電性金屬的導電性2.5 2.5 合金的導電性合金的導電性 2.6 2.6 導電性的測量導電性的測量2.7 2.7 電阻分析的測量電阻分析的測量2.8 2.8 半導體電學性能半導體電學性能2.9 2.9 絕緣體的電學性能絕緣體的電學性能 2.10 2.10 超導電性超導電性2.11 2.11 接觸電性接觸電性2.12 2.12 熱電性熱電性2.13 2.13 壓電性壓電性2.14 2.14 熱釋電性熱釋電性 2.15 2

2、.15 鐵電性鐵電性2.16 2.16 光電性光電性2.17 2.17 磁電性磁電性材料的電學性能：材料的電學性能： 主要包括導電性、超導電性，介電性，磁電性、主要包括導電性、超導電性，介電性，磁電性、熱電性、接觸電性、熱釋電性、壓電性、光電性等等。熱電性、接觸電性、熱釋電性、壓電性、光電性等等。描述材料導電性的基本物理量：描述材料導電性的基本物理量： 電阻電阻R、電阻率、電阻率和電導率和電導率。電阻的測量：電阻的測量： URI 電阻及電阻率的計算：電阻及電阻率的計算： LRS 電阻率電阻率和電導率和電導率的關系的關系: 1 根據電阻率根據電阻率和電導率和電導率的大小，判定材料導電性的大小，判

3、定材料導電性能好壞，并進行分類。能好壞，并進行分類。導導 體：體： 10-5 m半導體：半導體： 10-3 109 m造成材料導電性差異的主要原因造成材料導電性差異的主要原因:能帶結構及其被電子填充的性質有關。能帶結構及其被電子填充的性質有關。晶體的能帶分為：價帶、禁帶和導帶。晶體的能帶分為：價帶、禁帶和導帶。 晶體的導電性是其能帶分布的反映。其價帶是否晶體的導電性是其能帶分布的反映。其價帶是否被填滿，是否存在禁帶，以及禁帶寬度的大小等因素被填滿，是否存在禁帶，以及禁帶寬度的大小等因素決定其導電性能。決定其導電性能。價帶價帶導帶導帶金屬導體的能帶分布特點金屬導體的能帶分布特點:無禁帶無禁帶第一

4、種：第一種：價帶和導帶重疊。價帶和導帶重疊。第二種：第二種：價帶未被價電子填滿，價帶本身就是導帶。價帶未被價電子填滿，價帶本身就是導帶。價帶（導帶）價帶（導帶） 這兩種情況下的價電子就是自由電子，所以金屬這兩種情況下的價電子就是自由電子，所以金屬即使在溫度較低的情況下仍有大量的自由電子，具有即使在溫度較低的情況下仍有大量的自由電子，具有很強的導電能力。很強的導電能力。半導體和絕緣體的能帶分布情況半導體和絕緣體的能帶分布情況:在絕對零度時，滿價帶和空導帶，基本無導電能力。在絕對零度時，滿價帶和空導帶，基本無導電能力。非導體的能帶分布特點非導體的能帶分布特點:有禁帶有禁帶禁帶寬度的大小。禁帶寬度的

5、大小。半導體：禁帶寬度小。半導體：禁帶寬度小。絕緣體：禁帶寬度大。絕緣體：禁帶寬度大。價帶價帶導帶導帶價帶價帶導帶導帶禁帶禁帶E禁帶禁帶E金剛石金剛石 E = 6 eV硅硅 E = 1.1 eV絕緣體絕緣體半導體半導體半導體半導體: 禁帶寬度小。在室溫下，一部分價電子能獲得大禁帶寬度小。在室溫下，一部分價電子能獲得大于禁帶寬度的能量于禁帶寬度的能量E，躍遷到導帶中去，成為自由躍遷到導帶中去，成為自由電子，同時在價帶中形成空穴，這樣就使半導體具有電子，同時在價帶中形成空穴，這樣就使半導體具有一些導電能力。一些導電能力。絕緣體絕緣體: 禁帶寬度大。在室溫下，幾乎沒有價電子能躍遷禁帶寬度大。在室溫下

6、，幾乎沒有價電子能躍遷到導帶中去，故基本無自由電子和空穴，所以絕緣體到導帶中去，故基本無自由電子和空穴，所以絕緣體幾乎沒有導電能力。幾乎沒有導電能力。金屬導電的機制：金屬導電的機制： 在外電場的作用下，自由電子以波動的形式在晶在外電場的作用下，自由電子以波動的形式在晶體點陣中定向傳播。體點陣中定向傳播。 在外電場的作用下，自由電子在導體中定向移動。在外電場的作用下，自由電子在導體中定向移動。經典理論經典理論量子理論量子理論2.4.1 金屬導電的機制與馬基申定律金屬導電的機制與馬基申定律根據量子電子論和能帶理論得出電導率計算公式：根據量子電子論和能帶理論得出電導率計算公式：*n em 22 e

7、電子的電荷量，電子的電荷量，n* 單位體積內的有效電子數，單位體積內的有效電子數，m*電子的有效質量，電子的有效質量，電子兩次相鄰散射的時間間隔。電子兩次相鄰散射的時間間隔。L / v 令：令：/ L 1（散射系數）（散射系數）其中：其中：*m vm vn eLn e 221212則電阻率為：則電阻率為：電阻的本質電阻的本質 電子波在晶體點陣中傳播時，受到散射，從而產電子波在晶體點陣中傳播時，受到散射，從而產生阻礙作用，降低了導電性。生阻礙作用，降低了導電性。 電子波在絕對零度下，通過一個理想點陣時，將電子波在絕對零度下，通過一個理想點陣時，將不會受到散射，無阻礙傳播，電阻率為不會受到散射，無

8、阻礙傳播，電阻率為0。電阻產生電阻產生的機制的機制（3）晶體點陣的完整性被破壞（存在雜質原子、晶）晶體點陣的完整性被破壞（存在雜質原子、晶 體缺陷等），對電子波產生散射。體缺陷等），對電子波產生散射。（1）晶體點陣離子的熱振動（聲子），對電子波產）晶體點陣離子的熱振動（聲子），對電子波產 生散射。生散射。（2）晶體點陣電子的熱振動，對電子波產生散射。）晶體點陣電子的熱振動，對電子波產生散射。原因（原因（1）、（）、（2）產生，）產生，0K時為時為0。電阻電阻基本電阻：基本電阻：殘余電阻：殘余電阻： 原因（原因（3）產生，）產生，0K時的電阻。時的電阻。馬基申定律馬基申定律C(T ) 金屬固溶體

9、金屬固溶體電阻率：電阻率：基本電阻率基本電阻率(T)：由熱運動引起，與溫度有關。：由熱運動引起，與溫度有關。殘余電阻率殘余電阻率C：決定于化學缺陷和物理缺陷，：決定于化學缺陷和物理缺陷， 與溫度無關。與溫度無關。2.4.2 影響金屬導電性的原因影響金屬導電性的原因1. 溫度對金屬電阻的影響溫度對金屬電阻的影響（1）一般規律）一般規律其大小決定于晶體缺陷的類型和數量。其大小決定于晶體缺陷的類型和數量。C 00 K 時：時：極低溫時：極低溫時：電子散射占主要地位，聲子散射很弱，基電子散射占主要地位，聲子散射很弱，基 本電阻與溫度的平方成正比。本電阻與溫度的平方成正比。( T 2 K ) ee(T

10、)T 2 隨著溫度的升高，聲子散射散射作用逐漸增強，隨著溫度的升高，聲子散射散射作用逐漸增強，并占據主導地位。并占據主導地位。 根據根據德拜理論德拜理論，原子熱振動存在兩個規律性區域，原子熱振動存在兩個規律性區域，區分區域的溫度被稱為德拜溫度區分區域的溫度被稱為德拜溫度D。DD(T )T()() 5時：時：DT DT 時：時：DD(T )T()() 電阻率隨溫度的變化規律：電阻率隨溫度的變化規律：(T )(TTT) 2301對于非過渡族金屬：對于非過渡族金屬： D 500 K，當，當 T 2/3 D 時，時， 可略去高次項，具有線性關系。可略去高次項，具有線性關系。 （室溫以上）（室溫以上）(

11、T )(T ) 01TT 00電阻溫度系數電阻溫度系數室溫以上室溫以上 純金屬純金屬的電阻溫度系數大多近似為的電阻溫度系數大多近似為 ，過渡族金屬過渡族金屬特別是磁性金屬較大，如鐵的值為特別是磁性金屬較大，如鐵的值為（2）過渡族金屬和多晶型轉變）過渡族金屬和多晶型轉變 在在過渡族金屬中電阻與溫度的關系復雜，過渡族金屬中電阻與溫度的關系復雜，Mott認認為這是由于為這是由于過渡族金屬中存在著不同的載體。過渡族金屬中存在著不同的載體。 傳導電子有可能從傳導電子有可能從 s- 殼層向殼層向 d- 殼層過渡，對電阻殼層過渡，對電阻帶來明顯影響。另外，在帶來明顯影響。另外，在 時，時，s態電子在態電子在

12、 d 態電子上的散射將變得很可觀。態電子上的散射將變得很可觀。DT 3410 3610 因此，金屬因此，金屬室溫以上的線性關系被破壞。室溫以上的線性關系被破壞。過渡族金屬過渡族金屬金屬多晶型轉變金屬多晶型轉變 多晶型金屬的不同結構具有不同的物理性質，電多晶型金屬的不同結構具有不同的物理性質，電阻溫度系數也不同，電阻率隨溫度變化將發生突變。阻溫度系數也不同，電阻率隨溫度變化將發生突變。（3）鐵磁金屬的電阻）鐵磁金屬的電阻-溫度關系反常溫度關系反常 鐵磁材料隨溫度的變化，在一定溫度下發生鐵磁鐵磁材料隨溫度的變化，在一定溫度下發生鐵磁-順磁的磁相轉變，從而導致電阻順磁的磁相轉變，從而導致電阻-溫度關

13、系反常。溫度關系反常。2. 受力情況對金屬電阻的影響受力情況對金屬電阻的影響（1）拉力的影響）拉力的影響（2）壓力的影響）壓力的影響 在彈性限度內，單向拉伸或扭轉應力能提高金屬在彈性限度內，單向拉伸或扭轉應力能提高金屬的電阻率。的電阻率。() 010 為無負荷電阻率，為無負荷電阻率， 應力系數，應力系數，為拉應力。為拉應力。 對于大多數金屬，壓力能降低金屬的電阻率。對于大多數金屬，壓力能降低金屬的電阻率。(p ) 010 為真空下電阻率，為真空下電阻率， 壓力系數，為負值，壓力系數，為負值，p為拉應力。為拉應力。 在高壓下，原子間距縮小，內部缺陷的形態、電在高壓下，原子間距縮小，內部缺陷的形態

14、、電子結構、費米面、能帶結構及電子散射機制等都發生子結構、費米面、能帶結構及電子散射機制等都發生了變化，從而影響材料的導電性，甚至可能導致物質了變化，從而影響材料的導電性，甚至可能導致物質的金屬化。的金屬化。發生從絕緣體發生從絕緣體半導體半導體金屬金屬 超導體的某些轉變超導體的某些轉變 。 但一些堿金屬、堿土金屬和第但一些堿金屬、堿土金屬和第族的半金屬元素族的半金屬元素 出出現反常。現反常。3. 冷加工對金屬電阻的影響冷加工對金屬電阻的影響 冷加工的形變使金屬的電阻率提高。冷加工的形變使金屬的電阻率提高。4. 晶格缺陷對金屬電阻的影響晶格缺陷對金屬電阻的影響 晶格缺陷使金屬的電阻率提高。晶格缺

15、陷使金屬的電阻率提高。5. 熱處理對金屬電阻的影響熱處理對金屬電阻的影響 冷加工后，再退火，可使電阻降低。當退火溫度冷加工后，再退火，可使電阻降低。當退火溫度接近于再結晶溫度時，可降低到冷加工前的水平。接近于再結晶溫度時，可降低到冷加工前的水平。 但當退火溫度高于再結晶溫度時，電阻反而增大。但當退火溫度高于再結晶溫度時，電阻反而增大。新晶粒的晶界阻礙了電子的運動。新晶粒的晶界阻礙了電子的運動。 淬火能夠固定金屬在高溫時的空位濃度，而產生殘淬火能夠固定金屬在高溫時的空位濃度，而產生殘余電阻。淬火溫度越高，殘余電阻越大。余電阻。淬火溫度越高，殘余電阻越大。6. 幾何尺寸效應對金屬電阻的影響幾何尺寸

16、效應對金屬電阻的影響 當試樣的尺寸與導電電子的平均自由程在同一數當試樣的尺寸與導電電子的平均自由程在同一數量級時，電子在表面發生散射，產生附加電阻。量級時，電子在表面發生散射，產生附加電阻。7. 電阻率的各向異性電阻率的各向異性 一般立方晶系的單晶體電阻表現為各向同性，但一般立方晶系的單晶體電阻表現為各向同性，但對稱性較差的六方、四方、斜方等晶系單晶體的導電對稱性較差的六方、四方、斜方等晶系單晶體的導電性表現為各向異性。性表現為各向異性。 多晶體各向同性。多晶體各向同性。2.5.1 固溶體的導電性固溶體的導電性1. 固溶體的電阻與組元濃度的關系固溶體的電阻與組元濃度的關系 在形成固溶體時，與純

17、組元相比，合金的導電在形成固溶體時，與純組元相比，合金的導電性能降低（電阻增大）。即使是在低導電性的金屬性能降低（電阻增大）。即使是在低導電性的金屬溶劑中加入高導電性的金屬溶質也是如此。溶劑中加入高導電性的金屬溶質也是如此。原因原因主要原因：主要原因：原子半徑差引起的晶格點陣畸變，增加了原子半徑差引起的晶格點陣畸變，增加了 對電子的散射，使得電阻增大。半徑差越對電子的散射，使得電阻增大。半徑差越 大，越明顯。（大，越明顯。（與合金熱阻的規律相同與合金熱阻的規律相同）另外還有：另外還有：（1）雜質對理想晶體的局部破壞。）雜質對理想晶體的局部破壞。 （2）合金化對能帶結構起了作用，改變了）合金化對

18、能帶結構起了作用，改變了 電子能態的密度和有效電子數。電子能態的密度和有效電子數。 （3）合金化影響了彈性常數，點陣振動的）合金化影響了彈性常數，點陣振動的 聲子譜改變。聲子譜改變。 在連續固溶體中，合金在連續固溶體中，合金成分距組元越遠，電阻率越成分距組元越遠，電阻率越高。在二元合金中，最大電高。在二元合金中，最大電阻率一般出現在阻率一般出現在 50% 濃度濃度處，而且比組元電阻高幾倍。處，而且比組元電阻高幾倍。2. 固溶體電阻與溫度的關系固溶體電阻與溫度的關系 固溶體中加熱時，電阻率通常增大，但其電阻溫固溶體中加熱時，電阻率通常增大，但其電阻溫度系數與純金屬相比降低，電阻率隨成分而變。度系

19、數與純金屬相比降低，電阻率隨成分而變。低濃度時電阻率為：低濃度時電阻率為：T T 為溶劑組元的電阻率，為溶劑組元的電阻率， 為殘余電阻率。為殘余電阻率。c C 為雜質原子含量，為雜質原子含量， 為溶入為溶入1%雜質原子時引起的雜質原子時引起的附加電阻率。附加電阻率。 附加電阻率附加電阻率 的大小取決于溶劑和溶質金屬的價數，的大小取決于溶劑和溶質金屬的價數，原子價差別越大，原子價差別越大， 越大。越大。ZJab( ZZ) 2 a、b 為常數，為常數，ZZ 、 ZJ 分別為溶質和溶劑的原子價分別為溶質和溶劑的原子價數。數。3. 有序固溶體（超結構）的電阻有序固溶體（超結構）的電阻 合金有序化時，電

20、阻降低。合金有序化時，電阻降低。主要原因：主要原因：晶體的離子勢場在有序化后對稱性增強，晶體的離子勢場在有序化后對稱性增強， 對電子的散射幾率大大降低，使得有序合對電子的散射幾率大大降低，使得有序合 金的殘余電阻減小。金的殘余電阻減小。4. 不均勻固溶體（不均勻固溶體（ K 狀態）的電阻狀態）的電阻 大多固溶體在冷加工和退火時具有與純金屬同樣的大多固溶體在冷加工和退火時具有與純金屬同樣的規律。即冷加工使得電阻增大、退火使得電阻減小。規律。即冷加工使得電阻增大、退火使得電阻減小。 但有一些含有過渡族金屬元素的合金但有一些含有過渡族金屬元素的合金Ni-Cr，Ni-Cu等，具有在經過冷加工電阻減小、

21、退火后電阻增大的反等，具有在經過冷加工電阻減小、退火后電阻增大的反常狀態，這種反常狀態稱為常狀態，這種反常狀態稱為K 狀態。狀態。 由于組元原子在晶體中不均勻分布的結果。冷加工由于組元原子在晶體中不均勻分布的結果。冷加工在一定程度上促使固溶體不均勻組織的破壞，電阻減小。在一定程度上促使固溶體不均勻組織的破壞，電阻減小。而之后的退火又使其組織恢復到原來狀態。而之后的退火又使其組織恢復到原來狀態。2.5.2 金屬化合物的導電性金屬化合物的導電性 兩種金屬的原子形成化合物兩種金屬的原子形成化合物時，由于原子鍵合的方式發生時，由于原子鍵合的方式發生本質變化，使得化合物的電阻本質變化，使得化合物的電阻較

22、固溶體大大增大，接近于半較固溶體大大增大，接近于半導體的導電性。導體的導電性。原因原因 部分結合方式由金屬鍵變為部分結合方式由金屬鍵變為共價鍵或離子鍵。共價鍵或離子鍵。 利用歐姆定律和一些測試方法，對材料的電阻進行利用歐姆定律和一些測試方法，對材料的電阻進行精確測量。精確測量。2.6.1 導體電阻的測量導體電阻的測量1. 單電橋（惠斯通電橋）法單電橋（惠斯通電橋）法2. 雙電橋（開爾文電橋）法雙電橋（開爾文電橋）法3. 直流電位差計測量法直流電位差計測量法2.6.2 半導體電阻的測量半導體電阻的測量 四探針法四探針法2.6.3 絕緣體電阻的測量絕緣體電阻的測量 沖擊檢流計方法沖擊檢流計方法 材

23、料的電阻對材料的成分、結構和組織變化很敏感，材料的電阻對材料的成分、結構和組織變化很敏感，故可利用測量電阻的方法，間接對材料的成分、結構和故可利用測量電阻的方法，間接對材料的成分、結構和組織變化進行分析。較多的被用于對合金的研究。組織變化進行分析。較多的被用于對合金的研究。2.7.1 研究合金的時效性研究合金的時效性合金的合金的時效性時效性 均勻固溶的合金隨著時間的變化，其均勻固溶的合金隨著時間的變化，其組織結構發生變化。組織結構發生變化。伴隨電阻改變。伴隨電阻改變。電阻隨時間的增長而增大。電阻隨時間的增長而增大。1.低溫時效：低溫時效：原因：原因：低溫時，均勻固溶體隨著時間的增加，低溫時，均

24、勻固溶體隨著時間的增加，溶質原子在晶格點陣中發生優勢偏聚，溶質原子在晶格點陣中發生優勢偏聚，乃至形成小的晶核等結構缺陷。使得電乃至形成小的晶核等結構缺陷。使得電阻增大。阻增大。2.高溫時效：高溫時效：電阻隨時間的增長而減小。電阻隨時間的增長而減小。原因：原因：高溫時，均勻固溶體隨著時間的增加，高溫時，均勻固溶體隨著時間的增加，從固溶體中析出一些有序相，降低了溶從固溶體中析出一些有序相，降低了溶質濃度。使得電阻降低。質濃度。使得電阻降低。2.7.2 合金的有序合金的有序-無序轉變無序轉變2.7.3 測量固溶體的溶解度測量固溶體的溶解度原理：合金有序后電阻率降低。原理：合金有序后電阻率降低。原理：

25、合金溶解度增加，電阻率增大。原理：合金溶解度增加，電阻率增大。2.7.4 研究淬火鋼的回火研究淬火鋼的回火原理：回火過程中發生了馬氏體和奧氏體之間的原理：回火過程中發生了馬氏體和奧氏體之間的 相轉變。伴隨電導率的變化。相轉變。伴隨電導率的變化。2.7.5 研究材料的疲勞性研究材料的疲勞性原理：外應力（拉伸和扭轉應力）使得材料內部原理：外應力（拉伸和扭轉應力）使得材料內部 出現位錯、裂紋等缺陷，是的材料的電阻出現位錯、裂紋等缺陷，是的材料的電阻 率增大。并隨時間的增長，效果變強。率增大。并隨時間的增長，效果變強。半導體電阻率：半導體電阻率：1010-3-310109 9 m m半導體禁帶寬度：半

26、導體禁帶寬度：Eg = 0.2 Eg = 0.2 3.5 eV3.5 eV；半導體的電學性能半導體的電學性能：介于金屬和絕緣體之間。：介于金屬和絕緣體之間。半導體材料分類：半導體材料分類：晶體半導體、非晶半導體和有機半晶體半導體、非晶半導體和有機半 導體。導體。主要半導體材料：主要半導體材料：Si、Ge等元素半導體，等元素半導體，GaP、GaN、 ZnS、ZnO等化合物半導體材料。等化合物半導體材料。應用：應用：半導體電子器件、集成電路、發光器件、光電轉半導體電子器件、集成電路、發光器件、光電轉 換材料等。換材料等。2.8.1 概述概述2.8.2 半導體中的能量狀態半導體中的能量狀態能帶能帶原

27、子結合狀態：原子結合狀態：價電子共有的價電子共有的共價鍵共價鍵。2.8.3 本征半導體的電學性能本征半導體的電學性能本征半導體：本征半導體：純凈的、無結構缺陷的半導體單晶。純凈的、無結構缺陷的半導體單晶。在絕對零度和無外界影響的情況下：在絕對零度和無外界影響的情況下： 半導體的滿帶中被電子占滿，空帶中無電子，不半導體的滿帶中被電子占滿，空帶中無電子，不導電。導電。在溫度升高、光照等熱激發（在溫度升高、光照等熱激發（本征激發本征激發）時：）時： 價電子從外界獲得能量，部分價電子獲得足夠的價電子從外界獲得能量，部分價電子獲得足夠的能量脫離束縛，躍遷到空帶中。能量脫離束縛，躍遷到空帶中。 空帶中有了

28、電子成為導帶，滿帶中的部分價電子空帶中有了電子成為導帶，滿帶中的部分價電子遷出出現了空穴，成為價帶。遷出出現了空穴，成為價帶。 本征激發時，自由電子和空穴成對出現，在外電本征激發時，自由電子和空穴成對出現，在外電場的作用下，電子逆電場方向運動，空穴順電場方向場的作用下，電子逆電場方向運動，空穴順電場方向運動。運動。滿帶滿帶空帶空帶禁帶禁帶E 自由電子和空穴在外電場的作用下定向運動，形自由電子和空穴在外電場的作用下定向運動，形成電流。自由電子和空穴都能導電，統稱為載流子。成電流。自由電子和空穴都能導電，統稱為載流子。1.1.本征載流子的濃度本征載流子的濃度g/iiEnpK Texp()kT 3

29、212自由電子和空穴的濃度均為：自由電子和空穴的濃度均為：（1）本征載流子的濃度與溫度和禁帶寬度有關。）本征載流子的濃度與溫度和禁帶寬度有關。（2）室溫下，本征半導體中載流子的濃度很小，導）室溫下，本征半導體中載流子的濃度很小，導電能力很弱。電能力很弱。2.本征半導體的遷移和電阻率本征半導體的遷移和電阻率遷移率：遷移率：單位場強下，載流子的平均漂移速度。單位場強下，載流子的平均漂移速度。分別用分別用n和和P分別表示自由電子和空穴的遷移率。分別表示自由電子和空穴的遷移率。 自由電子和空穴熱運動，在外電場的作用下做定自由電子和空穴熱運動，在外電場的作用下做定向漂移運動，形成電流。漂移過程中不斷碰撞

30、，有一向漂移運動，形成電流。漂移過程中不斷碰撞，有一定的漂移速度。定的漂移速度。（1）遷移率與外電場強成正比。）遷移率與外電場強成正比。（2）自由電子的遷移率較空穴高。）自由電子的遷移率較空穴高。（3）能帶寬度大的遷移率低。）能帶寬度大的遷移率低。本征半導體電阻率：本征半導體電阻率：inpqn () 1本征半導體的電學特性歸納如下：本征半導體的電學特性歸納如下：（1）本征激發成對產生自由電子和空穴，所自由）本征激發成對產生自由電子和空穴，所自由電子濃度與空穴濃度相等，都是等于本征載流子的電子濃度與空穴濃度相等，都是等于本征載流子的濃度濃度 ni （2）ni 和和 Eg 有近似反比關系，硅比鍺有

31、近似反比關系，硅比鍺 Eg 大，故硅大，故硅比鍺的比鍺的 ni 小小（3）ni 與溫度近似正比，故溫度升高時與溫度近似正比，故溫度升高時 ni 就增大就增大（4）ni 與原子密度相比是極小的，所以本征半導與原子密度相比是極小的，所以本征半導體的導電能力很微弱體的導電能力很微弱2.8.4 雜質半導體的電學性能雜質半導體的電學性能 通常制造半導體器件的材料是雜質半導體。在通常制造半導體器件的材料是雜質半導體。在本征半導體中人為地摻入五價元素和三價元素，分別本征半導體中人為地摻入五價元素和三價元素，分別獲得獲得N （電子）型（電子）型和和P（空穴）型（空穴）型雜質半導體。雜質半導體。1. N型半導體

32、型半導體 在本征半導體中摻入五價元素獲得在本征半導體中摻入五價元素獲得電子型電子型雜質半雜質半導體。導體。 由于的摻入五價元素中的四個價電子與周圍的由于的摻入五價元素中的四個價電子與周圍的原子形成共價鍵，余下一個價電子的能級非常接近導原子形成共價鍵，余下一個價電子的能級非常接近導帶能量，使得其在常溫下進入導帶成為自由電子，因帶能量，使得其在常溫下進入導帶成為自由電子，因此摻雜后的半導體導帶中的自由電子顯著增多。把這此摻雜后的半導體導帶中的自由電子顯著增多。把這個五價元素稱為施主雜質。電子是多數載流子。個五價元素稱為施主雜質。電子是多數載流子。2. P型半導體型半導體 在本征半導體中摻入三價元素

33、獲得在本征半導體中摻入三價元素獲得電子空穴型電子空穴型雜雜質半導體。質半導體。 由于的摻入三價元素中的三個價電子與周圍的由于的摻入三價元素中的三個價電子與周圍的原子形成共價鍵時，缺少一個價電子，形成一個空位原子形成共價鍵時，缺少一個價電子，形成一個空位置（空穴）。因此摻雜后的半導體價帶中的空穴電子置（空穴）。因此摻雜后的半導體價帶中的空穴電子顯著增多。把這個三價元素稱為受主雜質。空穴是多顯著增多。把這個三價元素稱為受主雜質。空穴是多數載流子。數載流子。摻雜半導體與本征半導體相比具有的特征：摻雜半導體與本征半導體相比具有的特征：（1）摻雜濃度雖然很微小，但卻能使載流子濃度得）摻雜濃度雖然很微小，

34、但卻能使載流子濃度得到極大提高，導電能力顯著增強。到極大提高，導電能力顯著增強。（2）摻雜只是使一種載流子的濃度增加，雜質半導）摻雜只是使一種載流子的濃度增加，雜質半導體主要靠多子（多數載流子）導電。分別主要靠自由體主要靠多子（多數載流子）導電。分別主要靠自由電子導電或空穴導電。電子導電或空穴導電。2.8.5 PN結的形成及特性結的形成及特性1. PN結制造工藝的實質結制造工藝的實質 PN結是指同一塊半導體單晶中，在結是指同一塊半導體單晶中，在P型摻雜區與型摻雜區與N型摻雜區交界面附近形成的特殊區域。是構成半導體型摻雜區交界面附近形成的特殊區域。是構成半導體電子器件的基本單元。電子器件的基本單

35、元。 P型摻雜與型摻雜與N型摻型摻雜之間通過擴散實現雜之間通過擴散實現的的雜質互補。的的雜質互補。2. PN結阻擋層的形成過程結阻擋層的形成過程（1）載流子的濃度差引起的載流子的擴散運動）載流子的濃度差引起的載流子的擴散運動（2）擴散運動形成空間電荷區（阻擋層）擴散運動形成空間電荷區（阻擋層）（3）內電場是擴散與漂移達到動態平衡）內電場是擴散與漂移達到動態平衡3. PN結的特性結的特性 單向導電性單向導電性（1）外加正向電壓的情況）外加正向電壓的情況 由于外部正向電壓與內由于外部正向電壓與內電場電位差方向相反，阻擋電場電位差方向相反，阻擋層變窄、消失，內電場減小、層變窄、消失，內電場減小、消失

36、，電阻減小。消失，電阻減小。（2）外加反向電壓的情況）外加反向電壓的情況 由于外部反向電壓與內由于外部反向電壓與內電場電位差方向相同，阻擋電場電位差方向相同，阻擋層增大，內電場增大，電阻層增大，內電場增大，電阻急劇增大。急劇增大。l絕緣體的電子能帶結構是完全被電子充滿的價帶與完全空的導帶之間被一個較寬的禁帶（一般為510eV）所隔開，在常溫下幾乎很少有電子可能被激發越過禁帶，因此電導率很低。l絕大多數陶瓷材料和高聚物材料都屬于絕緣體l絕緣體作為材料使用可以分為絕緣材料和介電材料兩類。l電容器介電材料l壓電材料等l主要功能是實現電絕緣，如高壓絕緣電瓶所用的氧化鋁陶瓷等。l好的介電材料一定是好的絕

37、緣材料，但是反之則不一定成立。l描述絕緣材料和介電材料的主要性能指標有體積電阻率、表面電阻率、介電常數、介電損耗和介電強度等。l導體、半導體在電場作用下都會產生電荷的自由運動，而絕緣體在有限電場的作用下幾乎沒有自由電荷的遷移。l人們常用介電性來描述絕緣體材料的這種效應，故也把絕緣體稱為電介質。l介電性的一個重要標志是材料能夠產生極化現象，材料的介電系數是綜合反應介質內部電極化行為的一個重要的宏觀物理量。l屬于介電性的有壓電性、電致伸縮性和鐵電性。l電介質的極化包括：電子極化、原子（離子)極化、取向極化。l電子極化是指在外電場作用下每個原子中價電子云相對于原子核位移。l原子極化是指外電場引起的原

38、子核之間的相對位移。l這兩類極化有稱為為變形極化或者誘導極化，由此引起的偶極矩稱為誘導偶極矩。超導體的特性超導體的特性1、完全導電性、完全導電性 有報導說用有報導說用Nb0.75Zr0.25合金超導導線制成的超導螺線管，估計其超導合金超導導線制成的超導螺線管，估計其超導電流衰減時間不小于電流衰減時間不小于10萬年。萬年。 超導體沒有電阻，因而是等電位的，其中沒有電場。超導體沒有電阻，因而是等電位的，其中沒有電場。2、完全的抗磁性邁斯鈉效應、完全的抗磁性邁斯鈉效應 試樣表面產生感應磁場，抵消外磁場。試樣表面產生感應磁場，抵消外磁場。評價超導材料的性能指標：評價超導材料的性能指標：1、臨界轉變溫度

39、、臨界轉變溫度Tc2、臨界磁場強度、臨界磁場強度Hc(T)兩類超導體兩類超導體21)0()(cccTTHTH超導現象的物理本質超導現象的物理本質超導態時，電子與晶格點陣相互作用，使電超導態時，電子與晶格點陣相互作用，使電子克服靜電斥力而相互吸引，組成電子對子克服靜電斥力而相互吸引，組成電子對庫柏電子對，通過晶格的阻力為零。庫柏電子對，通過晶格的阻力為零。超導態電子結成庫柏對時能量比正常態的兩超導態電子結成庫柏對時能量比正常態的兩個電子的能量低。溫度和磁場破壞庫柏對的個電子的能量低。溫度和磁場破壞庫柏對的穩定性。穩定性。溫度越低，超導體越穩定。溫度越低，超導體越穩定。l賽貝克效應（材料不同，組成閉合回路，兩接頭存在溫差）賽貝克效應（材料不同，組成閉合回路，兩接頭存在溫差）l熱電勢率熱電勢率dTd12 )(2112TT 溫差電位溫差電位熱端高能電子向冷端擴