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1、第第5章章 导电物理导电物理 本章将介绍金属材料和半导体材料的导电机本章将介绍金属材料和半导体材料的导电机制，着重从能带结构的角度分析材料的导电制，着重从能带结构的角度分析材料的导电行为。本章还介绍了利用材料的导电物理特行为。本章还介绍了利用材料的导电物理特性制得的一些功能材料，例如性制得的一些功能材料，例如p-n结、晶体管结、晶体管等。等。本章提要本章提要概述在许多情况下，材料的导电性能比力学在许多情况下，材料的导电性能比力学性能还重要。性能还重要。导电材料、电阻材料、电热材料、半导体导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材料和绝缘材料等都是以材料材料、超导材料和绝缘材料等都是以材料
2、的导电性能为基础的。的导电性能为基础的。概述举例：举例：长距离传输电力的金属导线应该具有很高长距离传输电力的金属导线应该具有很高的导电性，以减少由于电线发热造成的电力的导电性，以减少由于电线发热造成的电力损失。损失。陶瓷和高分子的绝缘材料必须具有不导电陶瓷和高分子的绝缘材料必须具有不导电性，以防止产生短路或电弧。性，以防止产生短路或电弧。作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要求更高，以追求尽可能高的太阳能利用效率。求更高，以追求尽可能高的太阳能利用效率。能够携带电荷的粒子称为载流子。能够携带电荷的粒子称为载流子。在金属、半导体和绝缘体中携带电荷的在金属、半
3、导体和绝缘体中携带电荷的载流子是电子载流子是电子 在离子化合物中，携带电荷的载流子在离子化合物中，携带电荷的载流子则是离子。则是离子。概述控制材料的导电性能实际上就是控制材控制材料的导电性能实际上就是控制材料中的载流子的数量和这些载流子的移料中的载流子的数量和这些载流子的移动速率。动速率。对于金属材料来说，载流子的移动速率特对于金属材料来说，载流子的移动速率特别重要。别重要。对于半导体材料来说，载流子的数量更为对于半导体材料来说，载流子的数量更为重要。重要。载流子的移动速率取决于原子之间的结合载流子的移动速率取决于原子之间的结合键、晶体点阵的完整性、微结构以及离子键、晶体点阵的完整性、微结构以
4、及离子化合物中的扩散速率。化合物中的扩散速率。概述部分材料的电导率部分材料的电导率 材料材料电子结构电子结构电导率电导率（-1cm-1）碱金属碱金属Na1s22s22p63s12.13105碱土金属碱土金属 Mg1s22s22p63s22.25105A族金属族金属Al1s22s22p63s23p13.77105过渡族金属过渡族金属Fe.3d64s21.00105族元素材料族元素材料Si.3s23p2510-6高分子材料聚乙烯高分子材料聚乙烯10-15陶瓷材料陶瓷材料Al2O310-14概述经典自由电子论经典自由电子论 量子自由电子论量子自由电子论能带理论能带理论分析理论分析理论概述经典自由电子
5、论经典自由电子论金属是由原子点阵组成的，价电子是完全自金属是由原子点阵组成的，价电子是完全自由的，可以在整个金属中自由运动由的，可以在整个金属中自由运动 自由电子自由电子的运动遵守经典力学的运动规律，遵守气体的运动遵守经典力学的运动规律，遵守气体分子运动论。这些电子在一般情况下可沿所分子运动论。这些电子在一般情况下可沿所有方向运动有方向运动 等等 这些电子在一般情况下可沿所有方向运动。这些电子在一般情况下可沿所有方向运动。在电场作用下自由电子将沿电场的反方向运在电场作用下自由电子将沿电场的反方向运动，从而在金属中产生电流。电子与原子的动，从而在金属中产生电流。电子与原子的碰撞妨碍电子的继续加速
6、，形成电阻。碰撞妨碍电子的继续加速，形成电阻。概述成功：成功：困难：困难：可以推导出欧姆定律、可以推导出欧姆定律、焦尔焦尔-楞次定律等楞次定律等 一价金属和二价金一价金属和二价金属的导电问题属的导电问题 电子比热电子比热 问题根源在于它是立足于牛顿力学问题根源在于它是立足于牛顿力学概述一价金属和二价金属的导电问题一价金属和二价金属的导电问题 按照自由电子的概念，二价金属的价电子比按照自由电子的概念，二价金属的价电子比一价金属多，似乎二价金属的导电性比一价一价金属多，似乎二价金属的导电性比一价金属好很多。但是实际情况并不是这样。金属好很多。但是实际情况并不是这样。材料材料电子结构电子结构电导率电
7、导率（-1cm-1）碱金属碱金属Na1s22s22p63s12.13105碱土金属碱土金属 Mg1s22s22p63s22.25105概述电子比热问题电子比热问题 按照经典自由电子论，金属中价电子如同按照经典自由电子论，金属中价电子如同气体分子一样，在温度气体分子一样，在温度T下每下每1个电子的平个电子的平均能量为均能量为3kBT/2(kB为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数)。对。对于一价金属来说，每于一价金属来说，每1mol电子气的能量电子气的能量Ee=NA3kBT/2=3RT/2，式中，式中NA为阿佛加德为阿佛加德罗常数，罗常数，NA=6.0221023mol-1,R为气体为气体常数。常数。1m
8、ol电子气的热容电子气的热容 Cev=dEe/dT=3R/23cal/mol。这一结果。这一结果比试验测得的热容约大比试验测得的热容约大100倍。倍。概述经典自由电子论的问题根源在于它是立经典自由电子论的问题根源在于它是立足于牛顿力学的，而对微观粒子的运动足于牛顿力学的，而对微观粒子的运动问题，需要利用量子力学的概念来解决。问题，需要利用量子力学的概念来解决。概述量子自由电子论量子自由电子论 金属离子所形成的势场各处都是均金属离子所形成的势场各处都是均匀的，价电子是共有化的，它们不束匀的，价电子是共有化的，它们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内缚于某个原子上，可以在整个金属内自由地运动，电子
9、之间没有相互作用。自由地运动，电子之间没有相互作用。电子运动服从量子力学原理电子运动服从量子力学原理。概述由于在量子自由电子中，电子的能级是分立由于在量子自由电子中，电子的能级是分立的不连续的，只有那些处于较高能级的电子的不连续的，只有那些处于较高能级的电子才能够跳到没有别的电子占据的更高能级上才能够跳到没有别的电子占据的更高能级上去，那些处于低能级的电子不能跳到较高能去，那些处于低能级的电子不能跳到较高能级去，因为那些较高能级已经有别的电子占级去，因为那些较高能级已经有别的电子占据着。这样，热激发的电子的数量远远少于据着。这样，热激发的电子的数量远远少于总的价电子数，所以用量子自由电子论推导
10、总的价电子数，所以用量子自由电子论推导出的比热可以解释实验结果。出的比热可以解释实验结果。而经典自由电子论认为所有电子都有可能被而经典自由电子论认为所有电子都有可能被热激发，因而计算出的热容量远远大于实验热激发，因而计算出的热容量远远大于实验值。值。概述量子自由电子论的问题在于认为势场是均量子自由电子论的问题在于认为势场是均匀的，因此还是不能很好地解释诸如铁磁匀的，因此还是不能很好地解释诸如铁磁性、相结构以及结合力等一些问题。性、相结构以及结合力等一些问题。概述能带理论则是在量子自由电子论的基础上，能带理论则是在量子自由电子论的基础上，考虑了离子所造成的周期性势场的存在，从考虑了离子所造成的周期性势场的存在，从而导出了电子在金属中的分布特点，并建立而导出了电子在金属中的分布特点，并建立了禁带的概念。了禁带的概念。能带理论能带理论概述从连续能量分布的价电子在均匀势场中的从连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动，到不连续能量分布的价电子在均匀运动，到不连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动，再到不连续能量分布的价势场中的运动，再到不连续能量分布的价电子在周期性势场中的运动，分别是经典电子在周期性势场中的运动，分别是经典自由电子论、量子自由电子论、能带理论自由电子论、量子自由电子论、能带理论这三种分析材料导电性理论的主要特征。这三种分析材料导电性理论的主要特征。概述