1、第三章 導電材料一、導電材料的分類 導電材料按導電機理可分為電子導電材料和離子導電材料兩大類。 電子導電材料包括導體、超導體和半導體。導體的電導率105 S/m ，超導體的電導率為無限大（在溫度小于臨界溫度時），半導體的電導率為10-7104 S/m 。當材料的電導率小于10-7S/m時，就認為該材料基本上不能導電，而稱為絕緣體。 導體、超導體、半導體和絕緣體的區別不僅是電導率的大小，它們的能帶結構和導電機理也有很大的不同。1第三章 導電材料一、導體的能帶結構 導體的能帶結構如圖1所示，有三種結構：（a）有未充滿的能帶，能帶間相互重疊，無禁帶；（b）價電子充滿下面的能帶，上面緊接著另一個空能帶

2、，無禁帶；（c）有未充滿的能帶，該能帶與上面的空帶間有禁帶。但是，不論何種結構，導體中均存在電子運動的通道即導帶。 （a）類的導帶由未滿帶、重帶和空帶構成，（b）類的導帶由空帶組成，（c）類的導帶由未滿帶構成。電子進入導帶運動均不需要能帶間躍遷。2導體材料二、導體的導電機理 經典理論是自由電子理論，認為電子在金屬導體中運動時不受任何外力作用，相互之間也無作用，即金屬導體中電子的勢能是個常數。但實際上，電子勢能是個周期函數，不是常數，因此，它不是自由電子，這就是能帶理論。3第三章 導電材料三、導體材料的種類導體材料按照化學成分主要有以下三種：（1）金屬材料。這是主要的導體材料，電導率在10710

3、8S/m之間，常用的有銀、銅和鋁等。（2）合金材料。電導率在105107S/m之間，如黃銅，鎳鉻合金等。（3）無機非金屬材料。電導率在105108S/m之間。如石墨在基晶方向為2.5106S/m。4第三章 導電材料四、導體材料的應用 導體材料在電力、電器、電子、信息、航空、航天、兵器、汽車、儀表儀器、核工業和船舶等行業中有著廣泛的應用。 金屬導體材料主要用作：電纜材料、電機材料、導電引線材料、導體布線材料、輻射屏蔽材料、電池材料、開關材料、傳感器材料、信息傳輸材料、釋放靜電材料和接點材料等，還可以作成各種金屬填充材料和金屬復合材料。5第三章 導電材料 合金導體材料主要用作電阻材料和熱電偶材料，

4、如鉑-銠熱電偶等。 非金屬導體材料主要用作耐腐蝕導體和導電填料。6六、超導材料及應用7超導體 superconductivity 某些物質在一定溫度條件下電阻降為零的性質稱為超導電性。 低于某一溫度出現超導電性的物質稱為超導體。 從電阻不為零的正常態轉變為超導態的溫度稱為超導臨界溫度Tc。 超導體的電阻率小于目前所能檢測的最小電阻率10-26cm，可以認為電阻為零。 特性一：完全導電性，超導體進入超導態時，其電阻率實際上等于零。例如：室溫下將超導體放入磁場中，冷卻到低溫進入超導狀態，去掉外加磁場后，線圈產生感生電流，由于沒有電阻，此電流將永不衰減。即超導體的“持久電流”，見圖 特性二：完全抗磁

5、性，不論開始時有無外磁場，只有TTc，超導體變為超導態后，體內的磁感應強度恒為零，即超導體能把磁力線全部排斥到體外，這種現象稱為邁斯納效應。見圖 8特性三：即使在低于臨界溫度以下，若進入超導體內的電流強度以及周圍磁場的強度超過某一臨界值時，超導狀態被破壞，而成為普通的常導狀態，電流和磁場的這種臨界值分別稱為臨界電流Ic和臨界磁場Hc臨界。 臨界溫度（Tc）、臨界磁場（Hc）、臨界電流Ic是約束超導現象的三大臨界條件。當溫度超過臨界溫度時，超導態就消失；同時，當超過臨界電流或者臨界磁場時，超導態也會消失，三者具有明顯的相關性。只有當上述三個條件均滿足超導材料本身的臨界值時，才能發生超導現象。91

6、、金屬超導體 目前發現具有超導電性的金屬元素有30種，其中過渡族元素19種，如Ti、V、Zr、Nb、Mo、W等，非過渡族元素有11種如Pb、Sn、 Al、 Ga等。10 超導金屬中，鉛（Pb）的臨界溫度最高，達7.196K，（Rh）的臨界溫度最低，為0.000325K。 超導合金很多，臨界溫度有所提高，如NbTi二元合金，其臨界溫度為810K；NbTiZr三元合金，其臨界溫度為10K。112、氧化物超導體氧化物超導材料12 1986年，Bednorz和Muller發現了具有較寬轉變溫度范圍的超導體，屬于LaBaCu系，進入超導態的開始溫度為30K，因為該項工作而獲得了諾貝爾獎。13 1987年

7、2月我國科學家趙忠賢等人獲得臨界溫度在93K的YBaCu系超導體，化學計量式為YBa2Cu3O7，即所謂的123材料，通常材料都有氧空位，因此寫成YBa2Cu3O7-x。 從結構上看，具有以下特征： （1）鈣鈦礦式的層狀結構； （2）同時存在Cu2+和Cu3+； （3）存在氧空位。14 有機超導體主要有摻堿金屬的C60，其中K3C60的Tc為18K，Cs-Rb-C60的Tc為33K。高分子超導體主要是非碳高分子（SN）x。3、有機高分子超導體15 超導的應用，基本上可以分為強電強磁和弱電弱磁兩大類。（1）超導強電強磁應用 主要基于超導體的零電阻特性和完全抗磁性以及非理想第二類超導體所特有的高臨

8、界電流密度和高臨界磁場。 主要應用在電力方面如超導電纜，超導磁體如超導磁懸浮列車，巨大環形超導磁體、超導磁分離等。4、超導材料的應用16（2）超導弱電弱磁的應用 基于Josephson效應為基礎，建立極靈敏的電子測量裝置為目標的超導電子學，發展了低溫電子學。如超導量子干涉器件是一種高靈敏度的測量裝置，主要功能是測量磁場。它可以在電工儀表、醫學、生物、資源開發、環境保護、固體材料、地球物理等領域應用。4、超導材料的應用17利用Josephson結的交流伏安特性可以進行微波檢測。可做成視頻檢測器、混頻器、變頻器以及高頻電磁波發生器等，這些都是在無線電技術上的重要應用。超導計算機將是第五代計算機的“

9、種子選手” ， Josephson結具有極高的開關速度和極低的功耗，從而為制造亞納秒級的電子計算機提供了途徑。我國的超導研究，在世界先進行列占有一席之地。4、超導材料的應用18六、半導體材料1、半導體的能帶結構 本征半導體能帶結構見圖。下面是價帶，由于純半導體的原子在絕對零度時，其價帶是充滿電子的。因此是一個滿價帶。上面是導帶，而導帶是空的。滿價帶和空導帶之間是禁帶，其禁帶寬度比較窄，一般在1ev左右。19六、半導體材料2、半導體的導電機理 半導體價帶中的電子受激發后從滿價帶躍到空導帶中，躍遷電子可在導帶中自由運動，傳導電子的負電荷。同時，在滿價帶中留下空穴，空穴帶正電荷，在價帶中空穴可按電子

10、運動相反的方向運動而傳導正電荷。因此，半導體的導電來源于電子和空穴的運動，電子和空穴都是半導體中導電的載流子。20六、半導體材料3、半導體的分類按成分分類：可分為元素半導體和化合物半導體。元素半導體又可分為本征半導體和雜質半導體。化合物半導體又分為合金、化合物、陶瓷和有機高分子四種半導體。按摻雜原子的價電子數分類：可分為施主型（又叫電子型或n型）和受主型（又叫空穴型或p型）。前者摻雜原子的價電子大于純元素的價電子，后者正好相反。按晶態分類：可分為結晶、微晶和非晶半導體。21六、半導體材料4、本征半導體1）導電機理 半導體中價帶上的電子借助于熱、電、磁等方式激發到導帶叫本征激發。滿足本征激發的半

11、導體叫本征半導體。2）本征半導體材料的性質和應用A、性質 本征半導體是高純度，無缺陷的元素半導體，其雜質小于10-9。主要元素是Si、Ge和金剛石B、應用 本征半導體應用不多，因為單位體積內載流子數目比較小，需要在高溫下工作。22六、半導體材料5、雜質半導體1）定義 利用將雜質元素摻入純元素中，把電子從雜質能級（帶）激發到導帶上或者把電子從價帶激發到雜質能級上，從而在價帶中產生空穴的激發叫非本征激發或雜質激發。這種半導體叫雜質半導體。2）種類A、n型半導體（電子型，施主型）A族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以VA族元素（P、Sb、Bi）后，造成摻雜元素的價電子多于純元素的價電子，其導電機理

12、是電子導電占主導，這類半導體是n型半導體。B、p型半導體A族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以族元素（如B）時，摻雜元素的價電子少于純元素的價電子，它們的原子間生成共價鍵以后，還缺一個電子，而在價帶其中產生空穴。以空穴導電為主，摻雜元素是電子受主，這類半導體是p型半導體。23六、半導體材料6、化合物半導體1）分類按成分分：無機合金化合物、陶瓷、高分子半導體；按n、p型分：n型和p型半導體按組分分：二元化合物半導體和多元化合物半導體。二元半導體有-V族半導體，其化學式為ABV，如GaAs、GaP、InP、GaSB、GaN等。-族化合物半導體，如ZnS、CdS、ZnSe、CdSe、HgS等。多元化合物半導體有（Ga1-xAlx）As、 （In1-xAlx）P等三元化合物半導體和GaxIn（1-x）AsyP（1-y）等四元化合物半導體。2）特點化合物半導體最突出的特點是禁帶和遷移率范圍寬，禁帶在（0.210.48）10-19J（0.130.30eV）；遷