1、第四章 导电物理与性能学,北方民族大学材料科学与工程学院,Contents,材料的导电机理,材料的导电性,超导现象,导电性的测量与应用,半导体相关知识,4.1 电阻与导电的基本概念,电阻： 用电阻的大小可以评价材料的导电性能。但电阻值不仅与材料的性能有关，还与材料的尺寸有关，因此 电阻率： 为与材料性质有关的系数，称为电阻率。 由于只与材料的本身性质有关，而与导体的几何尺寸无关，因此在评定不同材料的导电性能时，用 比 更确切。,4.1 电阻与导电的基本概念,电导率： 在研究材料的导电性能时，还常用电导率 ，其与 的关系为 的单位为-1m-1或S/m（西门子/米），显然， 值越大， 值越小，说明
2、材料的导电性能愈好。,4.1 电阻与导电的基本概念,电阻与电导基础知识导体分类：,4.2 材料的导电机理,4.2 材料的导电机理,基本观点：金属晶体中离子构成晶体点阵并形成均匀电场，价电子完全自由（电子气）。,基本观点：金属晶体中离子构成晶体点阵并形成不连续均匀电场，价电子具有不同的能量状态（能级）。,基本观点：电子受周期场作用，不同分离能级电子的共有化。,导电机理（金属及半导体）,经典自由电子理论,量子自由电子理论,能带理论,经典自由电子理论,基本观点：正离子均匀电场气体分子运动力学规律（公共的电子电子气）自由电子与正离子仅机械碰撞,经典自由电子理论,- 自由电子数量越多导电性越好，导热性好
3、,二、三价金属的价电子比一价金属的多，但导电性却差？电阻率与温度成反比（按照气体动力学的关系，电阻率与温度的平方根成正比）？超导现象？比热出现偏差的原因？,- 忽略了电子之间的排斥作用和正离子点阵周期场的作用，立足于牛顿力学的宏观运动,可以解释的现象,无法解释的现象,理论的不足,量子自由电子理论,基本观点：正离子均匀电场价电子的存在能量量子化不连续服从量子力学运动规律,图4.1 自由电子的曲线 图4.2 电场对曲线的影响E能量；K波数频率无电场：沿正、反方向运动的电子数量相同，没有电流产生。有电场：正反向运动的电子数不等，使金属导电。也就是说，不是所有的自由电子都参与了导电，而是只有处于较高能
4、态的自由电子参与导电。,量子自由电子理论,可解释的现象,解释了一价金属比二、三价金属导电性好的原因导电性随温度降低的原因热容问题,无法解释的现象,Content Title,铁磁性 相结构等,假定离子势场是均匀的,量子自由电子理论,14,晶体的能带,一. 电子共有化,晶体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构。,电子受到周期性势场的作用。,按量子力学须解定态薛定格方程。,15,解定态薛定格方程(略）， 可以得出两点重要结论：,1.电子的能量是分立的能级;,2.电子的运动有隧道效应。,原子的外层电子(高能级)， 势垒穿透概率较大， 电子可以在整个晶体中运动, 称为共有化电子。,原子的内层电
5、子与原子核结合较紧,一般不是 共有化电子。,16,二. 能带 (energy band),量子力学计算表明，晶体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,在晶体中变成了N条靠得很近的能级,称为能带。,晶体中的电子能级有什么特点？,原子结构理论每个电子都占有一个分立的能 级。泡利不相容原理每个能级只能容纳2个电子。例如，一个原子的2s轨道只能有一个能级，可以容纳2个电子。2p轨道则有3个能级，一共可以容纳6个电子。,能带的形成,19,能带的宽度记作E ，数量级为 EeV。,若N1023,则能带中两能级的间距约10-23eV。,一般规律：,1. 越是外层电子，能带越宽
6、，E越大。,2. 点阵间距越小，能带越宽，E越大。,3. 两个能带有可能重叠。,20,21,电子排布时，应从最低的能级排起。,有关能带被占据情况的几个名词：,1满带（排满电子）,2价带（能带中一部分能级排满电子） 亦称导带,3空带（未排电子） 亦称导带,4禁带（不能排电子）,2、3能带，最多容纳 6N个电子。,例如，1、2能带，最多容纳 2N个电子。,2N(2l+1),钠的能带结构,钠原子核外电子结构为 1s22s22p63s1（对应于自由原子内部壳层电子能级分裂成 的能带分别以相应的光谱学符号命名， 一般称s带、p带、d带等）。钠原子的能带内的能级分布取决于原子之间的距离。垂线位置表示固体钠
7、中的钠原子之间的平衡距离。越是处于内层的电子，受到的来自其它原子的影响就越小。最外层的3s电子，受到其它原子的影响最大。,对于钠来说，3s电子是价电子，所以3s能级组成的能带就成为价带（原子基态价电子能级分裂而成的能带称为价带，通常情况下价带为能量最高的能带。价带可能被电子填满，也可能未被填满）。与各原子的激发能级相应的能带，在未被激发的正常情况下没有电子填入，称为空带或导带。3p能带就是导带，在这个导带内现在没有电子。但并不意味着电子不能到3p能带去，事实上，处在下面较低能级的电子如果受到外来能量的激发，是可能跃迁到这个3p能带甚至更高的能带上去的。,在3s（价带）能带和3p（导带）能带之间
8、，可能有一个能量间隔，这个能量间隔称为禁带（或称为带隙）。在这一段能量区域是永远不可能有电子的。 由于钠只有一个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0K绝对温度（1K=273）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称为费米能级（也可以说，在0K时，电子所占据的最高能级，费米能级以上都是空能级）。,26,孤立原子的最外层电子能级可能填满了电子也可能未填满了电子。若原来填满电子的，在形成固体时，其相应的能带也填满了电子
9、。,若孤立原子中较高的电子能级上没有电子，在形成固体时，其相应的能带上也没有电子。,若原来未填满电子的，在形成固体时，其相应的能带也未填满电子。,孤立原子的内层电子能级一般都是填满的，在形成固体时，其相应的能带也填满了电子。,27,导体和绝缘体 （conductor insulator）,它们的导电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。,晶体按导电性能的高低可以分为,28,在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。,从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。,E,导体,29,从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg 约36 e
10、V），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。,在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。,的能带结构,满带与空带之间也是禁带， 但是禁带很窄（E g 约0.12 eV )。,绝缘体,半导体,30,绝缘体与半导体的击穿,当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中的。,绝缘体,半导体,导体,三种导电理论比较,不连续能量分布的价电子在周期势场中运动,不连续能量分布的价电子在均匀势场中运动,连续能量分布的价电子在均匀势场中运动,经典自由电子理论,量子自由电子理论,能带理论,无机非金属的导电机理,金属导电机理无法解释无机非金属的导电现象
11、载流子金属晶体：自由电子无机非金属：电子、空穴、离子、离子空位,无机非金属的导电机理,离子晶体的导电机理：从能带理论也可以理解离子晶体的导电性：离子晶体中存在的带电中心可以是电子或空穴，它的能级处于满带和空带的能隙中，且离空带的带底或满带的带顶较近，从而可以通过热激发向空带提供电子或接受满带电子，使离子晶体表现出类似于半导体的导电特性。,无机非金属的导电机理,非晶态（玻璃态）材料的导电机理在高温下有些玻璃材料就成为了导体材料。玻璃的导电是由于某些离子在结构中的可动性所导致，玻璃材料与离子晶体材料一样也是一种电介质导体。玻璃的组成对玻璃的电阻影响很大，影响方式也很复杂。,4.3材料的导电性,以传
12、输电流为主要目的,为电子线路提供一定的电阻,导电高分子,金属基导电材料,新型导电材料,电阻材料,典型金属基导电材料,1）银及其合金在所有金属中，银具有最好的导电性、导热性，并有良好的延展性。2）铜及其合金铜是电力和电子工业中应用最广的导电材料之一，其导电性比金、铝好，比银差。可在保护气氛下重熔出无氧铜，其性能稳定，抗腐蚀，延展性好，可拉制成很细的丝，适于做海底同轴电缆的外部软线。3）金及其合金在集成电路中常用金膜或金的合金膜，金具有很好的导电性，极强的抗腐蚀能力，但价格较贵。4）铝及其合金铝的导电性仅次于银、铜和金，居第四位。铝的缺点是强度低，可焊性差。如果需要提高强度，可使用铝合金，例如Al
13、-Si-Mg三元铝合金既有高强度，又有好的电导率。,电阻材料,电阻材料包括精密电阻材料和电阻敏感材料。精密电阻材料要求具有恒定的高电阻率，电阻率随温度的变化小，即电阻温度系数小，并且电阻随时间的变化小。因此常用作标准电阻器，在仪器仪表及控制系统中有广泛的应用。以铜镍合金为代表。电阻敏感材料是指制作通过电阻变化来获取系统中所需信息的元器件材料，如应变电阻、热敏电阻、光敏电阻、气敏电阻等。作为电热合金的电阻材料不能使用铜镍合金，因为电热合金的使用温度非常高，一般在9001350，此时需要采用镍铬合金和铁铬铝合金作电阻材料。当使用温度更高时，一般的电热合金会发生熔化或氧化，此时需要使用陶瓷电热材料。
14、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。,4.4超导电性,1908年在荷兰的Leiden大学获得液氮，并得到1K的低温。1911年发现在4.2K附近，水银的电阻突然降低到无法检测的程度。,这种在一定的低温条件下，金属突然失去电阻的现象叫超导电性。发生这种现象的温度称为临界温度（TC）。金属失去电阻的状态称为超导态。超导态的电阻率小于目前所能检测的最小电阻率1025cm，可以认为是零电阻。金属具有电阻的状态称为正常态。,从常导态转变为超导态是一种很复杂的现象。前面已经讲过，一个能级可以容纳2个电子。处于相同能级的这两个电子成为
15、具有相反自旋的电子对。根据（由Bardeen，Cooper，Schriefer三人提出的）BCS理论，当晶格中的原子振动频率（可以用声子来表示）与电子对的波长（即频率）同步时，就会发生超导现象。,巴丁（左）、库珀、施里弗（右）,许多金属和金属间化合物都有超导性，这些材料的超导临界温度在30K以下。如果利用液氮（4K）来冷却这些材料，就可以制成超导线圈。由于电阻为零的超导线圈可以通过极大的电流，从而可以产生很强的磁场。一些需要强磁场的设备，例如磁共振成像仪器（即CT）等医疗设备都使用了超导材料。,处于超导状态的材料能够将磁力线排斥开来，也就是说磁力线不能穿过超导材料。如图5.7所示，如果将磁性材
16、料放在超导体的上方，磁性材料就会悬浮起来。这是迈斯纳（Meissner）效应。是一种与强磁性物体相反的物理现象。,迈斯纳效应示意图（a）强磁性物体会吸引磁力线 （b）超导体会排斥磁力线,导体做成的盘子中 ，由于磁铁的磁力线无法穿透超导体 ，两者之间将产生一个斥力，磁铁就会悬浮起来。,超导体的主要特性,完全导电性实验：先将超导体做成的圆环放入磁场中，此时TTC，环中无电流，然后再将环冷却至TC以下，使环变成超导态，此时环中仍无电流；但若突然去掉磁场，则环内有感应电流产生。这是由于电磁感应作用的结果，如果此环的电阻确实为零，那么这个电流就应长期无损地存在。事实上经过长达几年的观察，没发现电流有任何
17、衰减，这就有力地证明了超导体的电阻确实为零，是完全导电性的。有报道说，用Nb0.75Zr0.25合金超导线制成的超导螺管磁体，估计其超导电流衰减时间不小于10万年。,超导体的主要特性,2、完全抗磁性,由于外磁场在试样表面感应产生一个感应电流，此电流由于所经路径电阻为零，故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相反，因而使超导体内的合成磁场为零。 此感应电流能将外磁场从超导体内挤出。,超导体的主要特性,3、临界电流密度 除磁场影响超导转变温度外，通过的电流密度也会对超导态起影响作用。它们相互依存、相互影响。如果把温度T从超导转变温度下降，则超导体的临界磁场也随之增加。如果输入电流所产生的磁
18、场与外加磁场之和超过超导体的临界磁场Hc时，则超导态就被破坏，此时通过的电流密度称为临界电流密度Jc。随着外磁场的增加，Jc必须相应减小，才能保持超导态。,超导体的超导性只有在由TC、HC、JC组成的三维区域内才会呈现超导性。,超导电性的应用,用超导材料制造电缆可实现无损耗输电。,用超导材料制造电机，可以大大提高效率。,用超导线圈制造电磁体可以得到很强的磁场，可应用于受控核聚变、高能加速器、磁流体发电、磁悬浮列车、核磁共振成像装置等。,磁悬浮列车,碳60分子（C60）,C60是由60个碳原子构成的空心大分子，外形酷似足球。,固态C60类似于Ga-As的半导体，在其中掺入碱金属，它将转变为超导体
19、。,有科学家预言，如能制成C540，它将可能成为室温超导体。,C60的示意图,半导体与P-N结,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。大多数半导体器件所用的主要材料是硅（Si）和锗（Ge）。,本征半导体: 纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,半导体原子结构,1. 本征半导体与非本征半导体,半导体与P-N结,54,共价键中的电子受原子核的吸引力很强，称为束缚电子。绝对零度即T=0K，或无外界激发时，半导体不能导电而成为绝缘体。,共价健,硅单晶中的共价健结构,制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为 “九个9”。,55,本征半导体中的两种载流子
20、,(1) 本征激发,本征激发：指半导体在加热或光照作用下，产生电子空穴对的现象。,半导体与P-N结,价电子,本征激发：价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子，同时共价键中留下一个空位，称为空穴。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,半导体与P-N结,57,(2) 载流子,半导体与P-N结,58,本征半导体中载流子的浓度,复合：运动中的电子重新被共价键束缚起来，电子空穴对消失。,半导体与P-N结,59,非本征半导体
21、,1. N型半导体 在本征半导体中掺入少量五价元素原子，称为电子半导体或N型半导体。,多数载流子：电子少数载流子：空穴 np,在本征半导体中掺入微量的杂质元素，成为杂质半导体，也叫非本征半导体。,半导体与P-N结,多余电子,磷原子,像磷这样向本征半导体提供电子作为载流子的杂质称为施主。,60,在本征半导体中掺入少量三价元素原子，称为空穴半导体或P型半导体。,多数载流子：空穴少数载流子：电子 pn,2. P型半导体,半导体与P-N结,空穴,硼原子,像硼这样向本征半导体提供空穴作为载流子的杂质称为受主。,半导体与P-N结,非本征半导体与本征半导体相比具有如下特性： 掺杂浓度与原子密度相比虽然微小，
22、但却极大地提高了载流子浓度，导电能力因而也显著增强。掺杂浓度越高，其导电能力也越强。 虽然非本征半导体中掺入的杂质原子数量与本征半导体中原子数量相比只是少数，但非本征半导体由于杂质原子而形成的载流子称为多数载流子，而本征半导体由于热激发所产生的载流子称为少数载流子。 本征半导体中电子载流子和空穴载流子数量相等，而非本征半导体中电子载流子和空穴载流子数量不相等。 掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此非本征半导体主要依靠多数载流子导电。当掺入5价元素（施主）时，主要靠电子导电；当掺入3价元素（受主）时，主要靠空穴导电。,62,将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。
23、,1. PN结的形成：,漂移运动：载流子在电场作用下的定向运动。,扩散运动：浓度差引起的非平衡载流子的运动。,载流子的两种运动,P-N结,半导体与P-N结,63,多子扩散 形成空间电荷区 建立内电场 少子漂移,方向相反动态平衡I j = 0,PN结内电场的形成,半导体与P-N结,64,2. P-N结的单向导电性,(1) PN结外加正向电压时处于导通状态,外电场与内电场的方向相反，空间电荷区变窄，内电场被削弱，多子扩散得到加强，少子漂移将被削弱，扩散电流大大超过漂移电流，最后形成较大的正向电流。,半导体与P-N结,65,(2) PN结外加反向电压时处于截止状态,外电场与内电场方向一致，空间电荷区
24、变宽内电场增强，不利于多子的扩散，有利于少子的漂移。在电路中形成了基于少子漂移的反向电流。由于少子数量很少，因此反向电流很小。,结论：PN结具有单向导电性， 即正偏导通，反偏截止。,半导体与P-N结,2018/3/4,66,pn结,2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动,1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动,2018/3/4,67,反向偏压使耗尽区加宽,扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动,2018/3/4,68,正向偏压使耗尽区变窄,扩散 漂移,n型,p型,2018/3/4,69,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总电流0,70,(1) PN结的电流方程,令: uT=kT/q 称温
25、度电压当量,T=300K时， uT=26mV,3. PN结的伏安特性,半导体与P-N结,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,2018/3/4,72,3. PN结的伏安特性曲线及表达式,根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IF（多子扩散）,IR（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆,半导体二极管的结构示意图,半导体二极管,(a) 点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于
26、检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于大功率整流和开关电路中。,(c) 平面型,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor,简称BJT）。 BJT是由两个PN结组成的。,BJT的结构,NPN型,PNP型,符号:,三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。,BJT工作模式,放大模式（Active, Amplifier mode） 发射结正偏，
27、集电结反偏饱和模式（Saturation mode） 发射结正偏，集电结正偏截止模式（Cutoff mode） 发射结反偏，集电结反偏,2.1 放大模式下BJT工作原理（NPN管）,三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。,若在放大工作状态：发射结正偏：,+UCE ,UBE,UCB,集电结反偏：,由VBB保证,由VCC、 VBB保证,UCB=UCE - UBE, 0,（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子 ，形成了扩散电流IEN 。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。 所以发射极电流I E I EN 。,（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数
28、载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流I B I BN 。大部分到达了集电区的边缘。,一BJT内部的内部载流子传输过程,（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN 。,另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。,动画演示,2、三极管的放大作用： 晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将Ic/Ib的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。 三极管还可以作电子开
29、关，配合其它元件还可以构成振荡器。,半导体的物理效应,热敏效应半导体的导电主要是由电子和空穴造成的。温度增加，使电子动能增大，造成晶体中自由电子和空穴数目增加，因而使电导率升高。通常情况下，电导率与温度的关系为,式中：B为与材料有关的常数，表示材料的电导活化能。某些材料的B值很大，它在感受微弱温度变化时电阻率的变化十分明显。,用途：热敏温度计、无触点开关、火灾报警器等,半导体的物理效应,光的照射使某些半导体材料的电阻明显下降，这种用光的照射使电阻率下降的现象称为“光电导”。光电导是由于具有一定能量的光子照射到半导体时把能量传给它，在这种外来能量激发下，半导体材料产生大量的自由电子和空穴，促使电
30、阻率急剧下降。“光子”的能量必须大于半导体禁带宽度才能产生光电导。把光敏材料制成光敏电阻器，广泛应用于各种自动控制系统，如利用光敏电阻可以实现照明自动化等。,压敏效应包括电压敏感效应和压力敏感效应。1）电压敏感效应某些半导体材料对电压的变化十分敏感，例如半导体氧化锌陶瓷，通过它的电流和电压之间不成线性关系，即电阻随电压而变。用具有压敏特征的材料制成压敏电阻器，可用于过电压吸收、高压稳压、避雷器等。2）压力敏感效应能带结构和禁带结构与材料中的原子间距有关。处于高压下的半导体材料，其原子间距变小，禁带也随之变小，电导率增大。所以通过测量电导率的变化，就可以测量压力。利用这种特性可以制作压力传感器。
31、,受光激发后，在两者的结合区域，会产生大量的空穴载流子和电子载流子。这些正负电荷载流子还有可能再次结合。但一部分电子载流子会移动到能级较低的n型导带，空穴载流子会移动到能级较高p的型价带，其结果是在n型半导体中负电荷增加，在p型半导体中，正电荷增加，形成电流。但是这种电荷的增加不会无限地进行下去，正负电荷相互分离后，会产生反电位to阻止正负电荷进一步积累。这种反电位与正负电荷移动的趋势相互平衡后达到平衡状态，就是太阳能电池产生的电动势的最大值。,光生伏特效应：1）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n结；2）p、n区都产生电子空穴对，产生非平衡载流子；3）非平衡载流子破坏原来的热平衡；4）非平衡载流子在内建电场作用下，n区空穴向p区扩散，p区电子向n区扩散；5）若p-n结开路，在结的两边积累电子空穴对,产生开路电压。,一 固体的能带,每个能级有 个量子态,每个能级容纳 个电子,每个能带容纳 个电子,实验表明:,二 本征半导体和杂质半导体,1 本征半导体：纯净的无杂质的半导体,2 杂质半导体,电子型（简称 n 型）半导体,空穴型（简称 p 型）半导体,三 pn 结,四 光生伏特效应,这种由光的照射，使 pn 结产生电动势的现象，叫做光生伏特效应 .,Thank You !,北方民族大学材料科学与工程学院,
