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1、材料物理材料物理主讲教员：刘呈燕 博士桂林电子科技高校材料科学与工程学院桂林电子科技高校材料科学与工程学院为什么要学材料物理材料的应用大都基于其物理现象、物理效应。是对物理现象与本质、微观机制的探讨，从而指导工程实践。有助于更好地探讨材料的物理性能及运用性能，更好地选材、用材。随着新材料产业与信息时代的飞速发展，对材料提出了更高的要求，因此，对材料的物理性能的学习与探讨显得更加重要。运用教材：运用教材：邱成军等邱成军等 主编材料物理性能，哈尔滨工主编材料物理性能，哈尔滨工业高校出版社，业高校出版社，2003。参考书目：参考书目：1.马向东马向东,王振廷王振廷.材料物理性能材料物理性能.中国矿业
2、高中国矿业高校出版社校出版社,2002.2.田莳田莳,材料物理性能材料物理性能.北京航空航天高校出北京航空航天高校出版社版社,20013.关振铎关振铎,张中太张中太,焦金生焦金生.无机材料物理性能无机材料物理性能.清华高校出版社清华高校出版社,1998.主要内容及学时支配1、材料的电学性能、材料的电学性能 20学时学时2、材料的磁学性能、材料的磁学性能 16学时学时3、材料的光学性能、材料的光学性能 12学时学时留意事项留意事项 期末成果考评方法：平常成果占期末成果考评方法：平常成果占30%，考核，考核70%。作业缺交作业缺交1次平常成果扣次平常成果扣6分，缺交分，缺交2次以上平常成果次以上平
3、常成果为为0分。分。旷课旷课1次平常成果扣次平常成果扣5分，旷课分，旷课3次以上平常成果为次以上平常成果为0分。分。第一章第一章 材料的电学性能材料的电学性能导电性总论金属及合金的电学性能半导体的电学性能绝缘体的电学性能超导体的电学性能接触电性热电性三大热电效应1.1 1.1 固体的导电性和晶体能带固体的导电性和晶体能带物物质质三三态态气态气态液态液态固态固态大多数气体是不导电大多数气体是不导电多数液态物质均是导电多数液态物质均是导电导电导电性具性具有复有复杂性杂性绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体一般塑料、木材、橡胶一般塑料、木材、橡胶硅、锗硅、锗 金金 属属一、基本现象一、基本现象 不同材料
4、的电阻率（不同材料的电阻率（或电导率或电导率 1）：）：导导 体：体：=106108 s/m Cu:r=10r=10-8-8 绝缘体：绝缘体：=10-2010 9 s/m 金刚石金刚石r=10r=101212 半导体：半导体：=10 9105s/m Si:Si:r=10r=103 3 物质物质导电导电性的性的表征表征电阻率（电阻率（）材料固有的特征值材料固有的特征值i：电流密度，电流密度，：电阻率，：电阻率，E：电场强度：电场强度 二、晶体的能带二、晶体的能带导体和非导体的区分导体和非导体的区分半导体和绝缘体的区分半导体和绝缘体的区分(a)金属：满带、空带和未满带；(b)绝缘体：满带和空带，禁
5、带宽度Eg比较大；(c)半导体：满带和空带，禁带宽度很小；(d)半金属：满带和空带，无禁带宽度有关能带被占据状况的几个名词：有关能带被占据状况的几个名词：1满带（排满电子）满带（排满电子）2价带（排满电子或部分排满电子）价带（排满电子或部分排满电子）3导带（未排电子）导带（未排电子）4禁带（不能排电子）禁带（不能排电子）它们的导电性能不同，它们的导电性能不同，是因为它们的能带结是因为它们的能带结构不同。构不同。晶体按导电性能的凹凸可以分为晶体按导电性能的凹凸可以分为导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体 在外电场的作用下，大量共有化电子很在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流淌形
6、成电流。易获得能量，集体定向流淌形成电流。从能级图上来看，从能级图上来看，是因为其共有化电子是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。很易从低能级跃迁到高能级上去。E导体导体从能级图上来看，是因为满带与空带之间从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个有一个较宽的禁带较宽的禁带（Eg 约约36 eV），），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。高能级（空带）上去。在外电场的作用下，共有化电子很难接在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。受外电场的能量，所以形不成电流。的能带结构的能带结构,满带与空带之间也是
7、禁带，满带与空带之间也是禁带，但是但是禁带很窄禁带很窄（E g 约约0.12 eV )。绝缘体绝缘体半导体半导体三、导电性的表征参数三、导电性的表征参数1.1.电阻电阻R R与电阻率与电阻率2.2.电导与电导率电导与电导率：电阻率的倒数，电导率越：电阻率的倒数，电导率越大，材料导电性越好。大，材料导电性越好。3.3.导体、半导体与绝缘体导体、半导体与绝缘体 导导 体：体：10 10 。纯金属纯金属：10 10 10 10 合金合金：10 10 10 10 。半导体：半导体：在在10 10 10 10 。绝缘体：绝缘体：10 10 。58775399一、金属的导电机制与马基申定则一、金属的导电机
8、制与马基申定则 用量子电子理论和能带理论可导出全部材料的电用量子电子理论和能带理论可导出全部材料的电导率：导率：此式完整地反应了晶体导电的物理本质。此式完整地反应了晶体导电的物理本质。量子力学可以证明，当电子波在确定零度下通过量子力学可以证明，当电子波在确定零度下通过一个志向的晶体点阵时，它将不会受到散射而无阻碍一个志向的晶体点阵时，它将不会受到散射而无阻碍地传播，即地传播，即 无穷大，这时无穷大，这时0 0，而，而为无穷大，即为无穷大，即此时的材料是一个志向的导体。此时的材料是一个志向的导体。1.2 1.2 金属的导电性金属的导电性在晶体点阵的在晶体点阵的完整性完整性及由于晶体点阵离子的及由
9、于晶体点阵离子的热振动热振动，晶体中的，晶体中的异类原子、位错和点缺陷等异类原子、位错和点缺陷等使晶体点阵的使晶体点阵的周期性遭到破坏周期性遭到破坏，电，电子波就会受到散射，子波就会受到散射，减小，从而产生了阻碍作用，降低导电减小，从而产生了阻碍作用，降低导电性，这就是性，这就是材料产生电阻的本质材料产生电阻的本质所在。所在。令令 为散射系数，可导出：为散射系数，可导出：即材料的电阻与散射系数成正比。即材料的电阻与散射系数成正比。金属电阻随温度升高而升高原因：金属电阻随温度升高而升高原因：金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，
10、可认为子就愈易受到散射，可认为与温度成正比，则与温度成正比，则也也与温度成正比。与温度成正比。由于实际的晶体并非志向，会有杂质和缺陷。因此，传导电由于实际的晶体并非志向，会有杂质和缺陷。因此，传导电子的散射发生在电子子的散射发生在电子-声子、电子声子、电子-杂质以及其它点阵静态缺陷相杂质以及其它点阵静态缺陷相相互碰撞的时候。相互碰撞的时候。金属电阻包括：金属电阻包括：（1 1）基本电阻）基本电阻(T)(T)：对应声子散射和电子散射两机制，由热：对应声子散射和电子散射两机制，由热振动产生，与温度有关，振动产生，与温度有关，0K0K时为时为0 0。纯金属电阻率。纯金属电阻率。（2 2）残余电阻）残
11、余电阻残残 ：对应电子在杂质和缺陷上的散射机制，：对应电子在杂质和缺陷上的散射机制，0K0K时金属的电阻。反应了金属的纯度和完整性。时金属的电阻。反应了金属的纯度和完整性。马基申定律马基申定律 马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率(T)和残余电阻和残余电阻残组成。残组成。即即（T）残残 称为马基称为马基申定律。申定律。问题：马基申定律忽视了电子各种散射机制间的交互问题：马基申定律忽视了电子各种散射机制间的交互作用，但简明描述了合金的导电性，并对于低浓度固溶体作用，但简明描述了合金的导电性，并对于低浓度固溶体与试验事实符合的很好。与试验事实符合
12、的很好。依据马基申定律，在高温时金属的电阻率基本上取决依据马基申定律，在高温时金属的电阻率基本上取决于于(T)，而在低温时取决于，而在低温时取决于残。既然残。既然残是电子在杂质和残是电子在杂质和缺陷上的散射引起的，那么缺陷上的散射引起的，那么残的大小就可以用来评定金残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。属的电学纯度。考虑到考虑到残测量困难，事实上常接受相对电阻率残测量困难，事实上常接受相对电阻率(300K)/(4.2K)的大小来评定金属的电学纯度。晶体越的大小来评定金属的电学纯度。晶体越纯、越完善，相对电阻率越大。很多完整的金属单晶相对纯、越完善，相对电阻率越大。很多完整的金属单晶相对电阻率可
13、高达电阻率可高达20000。二、影响金属导电性的因素二、影响金属导电性的因素 主要因素：温度，受力状况，冷加工，晶体缺陷，热处理，几何尺寸效主要因素：温度，受力状况，冷加工，晶体缺陷，热处理，几何尺寸效应，电阻率各向异性。应，电阻率各向异性。1.1.温度温度 加热时发生点阵热振动和振幅的变更，出现相变、回复、空位、再结晶以加热时发生点阵热振动和振幅的变更，出现相变、回复、空位、再结晶以及合金相成分和组织的变更，这些现象对电阻的变更有重要影响。及合金相成分和组织的变更，这些现象对电阻的变更有重要影响。测量电阻与温度的关系是探讨这些现象和过程的一个重要方法。对于简洁测量电阻与温度的关系是探讨这些现
14、象和过程的一个重要方法。对于简洁金属，状况如下。金属，状况如下。(1)(1)一般规律（指一般金属的规律）一般规律（指一般金属的规律）在确定零度下，纯净又无缺陷的金属，电阻率等于零。随温度的上升金属在确定零度下，纯净又无缺陷的金属，电阻率等于零。随温度的上升金属电阻率增加。志向晶体的电阻率是温度的单值函数，若晶体中存在杂质和结电阻率增加。志向晶体的电阻率是温度的单值函数，若晶体中存在杂质和结构缺陷，那么电阻率与温度的关系曲线将发生变更。构缺陷，那么电阻率与温度的关系曲线将发生变更。(T)与D 之间的关系 (T)在D 以上和以下与温度有不同的函数关系：（电子声子散射）T D 时：电子-电子 T D
15、时：电子-声子 因此，当研制具有确定电阻值和电阻温度系数值的材料时，知道金属在哪个温区工作，怎样限制和发挥其性能特别重要。在室温顺更高一些的温度下(T 2/3D）：对于正常元素，出现电阻温度线性关系及电阻温度系数 过渡族以外的金属 410-3-1过渡族金属特殊是磁性金属较大，如铁的610-3性能见图2.4低温时 电阻主要来源于“电子电子”散射，电阻与温度的平方成正比。高温时，增加1.52倍，金属原子规则排列遭到破坏，电子散射增加所致；也有例外，如Sb金属。2一般非过渡族金属的电阻与温度的关系如下：一般非过渡族金属的电阻与温度的关系如下：(2)过渡族金属和多晶型转变 过渡族金属电阻与温度间有着困
16、难的关系。缘由：在过渡族金属中存在着不同的载体，传导电子有可能从s-壳层向d-壳层过渡，可能对电阻带来明显的影响。另外，在T D 时，s态电子在d态电子上的散射将变得很可观。多晶型金属 由于不同结构，电阻温度系数变更显著，T曲线发生转折。转折缘由：转折缘由：s-s-壳层基壳层基本被填满，且其中电本被填满，且其中电流的载体是空穴；而流的载体是空穴；而在在d-d-壳层中却是电子。壳层中却是电子。(3)(3)铁磁金属的电阻温度关系反常铁磁金属的电阻温度关系反常 铁磁性金属的电阻温度系数，在居里点旁边出现极大值。居里铁磁性金属的电阻温度系数，在居里点旁边出现极大值。居里点温度以下，随着温度的上升点温度
17、以下，随着温度的上升增大，居里点温度以上，随着温度增大，居里点温度以上，随着温度的上升的上升急剧减小。急剧减小。此现象在很多仪器制造中被用来获得电阻温度系数很高的合金。此现象在很多仪器制造中被用来获得电阻温度系数很高的合金。2.2.受力状况受力状况（1 1）拉力）拉力 在弹性范围内单向拉伸或扭转应力能提高金属的在弹性范围内单向拉伸或扭转应力能提高金属的，并，并有有（2 2）外界气压压力）外界气压压力 对大多数金属来说，在受压力状况下电阻率降低。对大多数金属来说，在受压力状况下电阻率降低。缘由：金属在压力的作用下其原子间距缩小，内部缺缘由：金属在压力的作用下其原子间距缩小，内部缺陷的形态、电子结
18、构、费米面和能带结构以及电子散射机陷的形态、电子结构、费米面和能带结构以及电子散射机制等都将生变更，引起金属的导电性能变更。尤其对过渡制等都将生变更，引起金属的导电性能变更。尤其对过渡族金属，由于其内部存在着具有能量差别不大的未填满电族金属，由于其内部存在着具有能量差别不大的未填满电子的壳层，在压力的作用下，有可能使外壳层电子转移到子的壳层，在压力的作用下，有可能使外壳层电子转移到未填满的内壳层，这就必定会表现出性能的变更。未填满的内壳层，这就必定会表现出性能的变更。人们在探讨中发觉几乎全部纯元素随温度的变更电阻压力系数几乎人们在探讨中发觉几乎全部纯元素随温度的变更电阻压力系数几乎不变不变,说
19、明电阻压力系数与温度无关。说明电阻压力系数与温度无关。压力对电阻的影响，金属可分为两类：压力对电阻的影响，金属可分为两类：正常金属元素电阻率随压力增大而下降；（见正常金属元素电阻率随压力增大而下降；（见P60P60图图2.92.9（a and b).a and b).反常金属元素：碱金属、碱土金属、稀土金属和第反常金属元素：碱金属、碱土金属、稀土金属和第V V族的半金属，它们有族的半金属，它们有正的电阻压力系数，但随压力上升确定值后系数变号，探讨表明，这种正的电阻压力系数，但随压力上升确定值后系数变号，探讨表明，这种反常现象和压力作用下的相变有关。见图反常现象和压力作用下的相变有关。见图2.9
20、2.9（c c）。）。高压力还能导致物质的金属化，引起导电类型的变更，而且有助于高压力还能导致物质的金属化，引起导电类型的变更，而且有助于从绝缘体从绝缘体-半导体半导体-金属金属-超导体的某种转变。高压力能导致物质的金属化超导体的某种转变。高压力能导致物质的金属化见见P60 P60 表表2.12.1冷加工（具体见材料科学基础）：通常指金属的切削加冷加工（具体见材料科学基础）：通常指金属的切削加工，即用切削工具从金属材料（毛坯）或工件上切除多余的工，即用切削工具从金属材料（毛坯）或工件上切除多余的金属层，从而使工件获得具有确定形态、尺寸精度和表面粗金属层，从而使工件获得具有确定形态、尺寸精度和表
21、面粗糙度的加工方法。如车削、钻削、铣削、刨削、磨削、拉削糙度的加工方法。如车削、钻削、铣削、刨削、磨削、拉削等。在金属工艺学中，与热加工相对应，冷加工则指在低于等。在金属工艺学中，与热加工相对应，冷加工则指在低于再结晶温度下使金属产生塑性变形的加工工艺，如冷轧、冷再结晶温度下使金属产生塑性变形的加工工艺，如冷轧、冷拔、冷锻、冲压、冷挤压等。拔、冷锻、冲压、冷挤压等。3.冷加工冷加工 一般冷加工变形使金属（如一般冷加工变形使金属（如 Fe Fe、CuCu、AgAg、AlAl等）的等）的电阻率增加电阻率增加2 2-6-6；W W、MoMo、SnSn等可分别增加为等可分别增加为30305050、15
22、152020、9090 ；一般单相固溶体经冷加工后，；一般单相固溶体经冷加工后，电阻可增加电阻可增加10102020，而有序固溶体则增加，而有序固溶体则增加100100甚至甚至更高。更高。也有相反的状况，如镍也有相反的状况，如镍-铬、镍铬、镍-铜铜-锌、铁锌、铁-铬铬-铝铝等合金则冷加工变形将使电阻降低。等合金则冷加工变形将使电阻降低。金属经塑性形变电阻率增大的缘由：冷加工使晶金属经塑性形变电阻率增大的缘由：冷加工使晶体点阵发生畸变和缺陷，从而增加了电子散射的几率。同体点阵发生畸变和缺陷，从而增加了电子散射的几率。同时冷加工也会引起金属原子间结合键的变更，导致原子间时冷加工也会引起金属原子间结
23、合键的变更，导致原子间距的变更。距的变更。在在0K0K时，冷加工的金属仍保留有某极限电阻率，时，冷加工的金属仍保留有某极限电阻率，称之为残余电阻率。试验证明，此部分电阻率与温度无关。称之为残余电阻率。试验证明，此部分电阻率与温度无关。4.4.晶体缺陷晶体缺陷 空位、位错、间隙原子及它们的组合等晶体缺陷使空位、位错、间隙原子及它们的组合等晶体缺陷使金属电阻率增加。金属电阻率增加。依据马基申定律，在极低温度下，纯金属电阻率主依据马基申定律，在极低温度下，纯金属电阻率主要由其内部缺陷确定。探讨晶体缺陷对电阻率的影响，要由其内部缺陷确定。探讨晶体缺陷对电阻率的影响，对于估价单晶体结构完整性有重要意义。
24、驾驭这些缺对于估价单晶体结构完整性有重要意义。驾驭这些缺陷对电阻的影响，可以研制具有确定电阻值的金属。陷对电阻的影响，可以研制具有确定电阻值的金属。半导体单晶体的电阻值就是依据这个原则进行人为限半导体单晶体的电阻值就是依据这个原则进行人为限制的。不同类型的晶体缺陷对金属电阻的影响程度不制的。不同类型的晶体缺陷对金属电阻的影响程度不同（见同（见P62P62表表2.22.2）。）。通常，分别用通常，分别用1 1原子空位浓度或原子空位浓度或1 1原子间隙原子、原子间隙原子、单位体积中位错线的单位长度、单位体积中晶界的单单位体积中位错线的单位长度、单位体积中晶界的单位面积所引起的电阻率变更来表征点缺陷
25、、线缺陷、位面积所引起的电阻率变更来表征点缺陷、线缺陷、面缺陷对金属电阻的影响。面缺陷对金属电阻的影响。5.5.热处理热处理 金属冷加工形变后再进行退火，可使电阻降金属冷加工形变后再进行退火，可使电阻降低，尤其当退火温度接近再结晶温度时，电阻低，尤其当退火温度接近再结晶温度时，电阻可复原到接近冷加工前的水平（见可复原到接近冷加工前的水平（见P62P62图图2.112.11）。但当退火温度高过再结晶温度时，电阻反又但当退火温度高过再结晶温度时，电阻反又增大，缘由是再结晶后新晶粒的晶界阻碍了电增大，缘由是再结晶后新晶粒的晶界阻碍了电子运动。子运动。淬火能够固定金属在高温时空位的浓度，从淬火能够固定
26、金属在高温时空位的浓度，从而产生残余电阻。淬火温度愈高空位浓度愈高，而产生残余电阻。淬火温度愈高空位浓度愈高，则残余电阻率就越大。则残余电阻率就越大。6.6.几何尺寸效应几何尺寸效应 当导电电子的自由程同试样尺寸是同一数量当导电电子的自由程同试样尺寸是同一数量级时，将产生显著的级时，将产生显著的“尺寸效应尺寸效应”，电阻率随试，电阻率随试样尺寸减小而显著增大。这一现象对探讨和测试样尺寸减小而显著增大。这一现象对探讨和测试金属薄膜和细丝材料（厚度金属薄膜和细丝材料（厚度 l l 10nm 10nm）的电阻）的电阻特别重要。特别重要。在低温下，随金属纯度的提高，样品尺寸对在低温下，随金属纯度的提高
27、，样品尺寸对电阻的影响更加明显。因为此时导电电子自由程电阻的影响更加明显。因为此时导电电子自由程超过了原子间距（超过了原子间距（42K42K时纯金属电子自由程达几时纯金属电子自由程达几毫米），这样电子在试样表面的散射就构成了新毫米），这样电子在试样表面的散射就构成了新的附加电阻。薄膜厚度对电阻的影响的附加电阻。薄膜厚度对电阻的影响P63P63图图2.12.2.12.7.7.电阻率的各向异性电阻率的各向异性 一般在立方晶系中金属的电阻表现为各向同一般在立方晶系中金属的电阻表现为各向同性。但在对称性较差的六方、四方、斜方晶系中，性。但在对称性较差的六方、四方、斜方晶系中，导电性表现为各向异性。导电
28、性表现为各向异性。其规律太困难，难于总结清晰。一些金属电其规律太困难，难于总结清晰。一些金属电阻的各向异性阻的各向异性P63P63表表2.3.2.3.1.固溶体的导电性双组元固溶体的电阻与组元浓度的关系见P64图2.13.与纯组元相比，合金的导电性降低了。缘由：（1）晶体点阵畸变；（2）杂质对志向晶体的破坏；（3）影响了能带结构，移动费米面及电子能态密度和有效电导电子数；（4）影响了弹性常数。过渡金属与贵金属两组元固溶时：电阻异样高，缘由它们的价电子可以转移到过渡金属的尚未被填满的d-或f-壳层中，从而使有效电导的电子数目削减。三三、合金的导电性、合金的导电性当形成化合物时，合金的导电性变更激
29、烈，其电阻率要比各组元的电阻率高很多。缘由在于原子键合的方式发生了变更，其中至少一部分由金属键变为共价键获离子键，使导电电子削减。此外，对于多相合金，导电性特别困难，具体分析见P69.2.金属化合物的导电性金属化合物的导电性四、四、基于电阻分析金属部分物性的应用基于电阻分析金属部分物性的应用探讨合金的时效探讨合金的有序-无序转变测量固溶体的溶解度探讨淬火钢的回火探讨材料的疲惫过程复习基本概念和基本理论马基申定律：（T）残 金属电阻随温度上升而上升缘由？影响金属导电性的因素有哪些？1.3 1.3 半导体的电学性能半导体的电学性能一、概述一、概述1.1.半导体的概念：能带结构（半导体的概念：能带结
30、构（E Eg g=0.2-3.5 eV=0.2-3.5 eV）和电阻率。）和电阻率。2.2.分类：分类：晶体半导体晶体半导体 元素半导体：十几种，如元素半导体：十几种，如GeGe、SiSi、SeSe、TeTe等；等；化合物半导体：数十种：化合物半导体：数十种：GaNGaN（蓝光）（蓝光）,GaP,GaP（红绿发光）（红绿发光）固溶体半导体：固溶体半导体：BaSbBaSb0.040.04SnSn0.960.96O O3 3 非晶半导体：非晶硅、多孔硅。非晶半导体：非晶硅、多孔硅。有机物半导体：聚乙炔链。有机物半导体：聚乙炔链。二、半导体中的能带二、半导体中的能带 电子的共有化运动电子的共有化运动
31、价电子能级分裂价电子能级分裂能带能带三、本征半导体的电学性能三、本征半导体的电学性能 在纯净无缺陷的半导体单晶中，参与导电的电子在纯净无缺陷的半导体单晶中，参与导电的电子和空穴浓度相等，这种半导体称为本征半导体。和空穴浓度相等，这种半导体称为本征半导体。导电机理：在热、光等外界条件的影响下，满带导电机理：在热、光等外界条件的影响下，满带上的价电子获得足够的能量，跃过禁带跃迁至空带而上的价电子获得足够的能量，跃过禁带跃迁至空带而成为自由电子，同时在满带中留下电子空穴，自由电成为自由电子，同时在满带中留下电子空穴，自由电子和电子空穴在外加电场的作用下定向移动形成电流。子和电子空穴在外加电场的作用下
32、定向移动形成电流。载流子：在电场作用下定向移动形成电流的带电载流子：在电场作用下定向移动形成电流的带电体，如电子、空穴。体，如电子、空穴。1.1.本征载流子的浓度本征载流子的浓度 依据本征载流子占据能级的概率和对其能带的能态依据本征载流子占据能级的概率和对其能带的能态密度进行积分运算等，可得到本征载流子的浓度表达式：密度进行积分运算等，可得到本征载流子的浓度表达式：其中其中nini、pipi分别为自由电子和空穴的浓度分别为自由电子和空穴的浓度;K1=4.821015K-3/2;T;K1=4.821015K-3/2;T为确定温度为确定温度;k;k为玻尔兹曼常数。为玻尔兹曼常数。影响因素：温度和禁
33、带宽度。为什么金属材料导电性影响因素：温度和禁带宽度。为什么金属材料导电性一般随温度上升而降低，而半导体导电性随温度的上升一般随温度上升而降低，而半导体导电性随温度的上升而上升？而上升？室温下有确定的导电实力，但很微弱。室温下有确定的导电实力，但很微弱。2.2.本征半导体的迁移率和电阻率本征半导体的迁移率和电阻率 迁移率的概念：单位场强作用下自由电子和空穴迁移率的概念：单位场强作用下自由电子和空穴的平均漂移速度。的平均漂移速度。由欧姆定律可知，本征半导体的电阻率：由欧姆定律可知，本征半导体的电阻率：电流密度电流密度j：单位时间内流过单位面积的电荷量。：单位时间内流过单位面积的电荷量。本征半导体
34、的电学特性（1）本征激发成对地产生自由和空穴，所以自由电子和空穴浓度相等，都等于本征载流子浓度；（2）ni与Eg有近似反比关系，例如硅的Eg比锗大，故硅的ni比锗小；（3）ni与温度近似成正比，故温度上升时ni就增大；（4）ni与原子密度相比是微小的，所以本征半导体的导电实力很微弱。四、杂质半导体的电学性能四、杂质半导体的电学性能 通常制造半导体器件的材料是杂质半导体。在本征半导体中人为地通常制造半导体器件的材料是杂质半导体。在本征半导体中人为地掺入掺入5 5价元素或价元素或3 3价元素将分别获得价元素将分别获得N N型（电子型）杂质半导体和型（电子型）杂质半导体和P P型（空穴型）型（空穴型
35、）杂质半导体。杂质半导体。1.N1.N型半导体（电子型半导体）型半导体（电子型半导体）本征半导体中掺入本征半导体中掺入5 5价元素（磷，砷，锑）就可使晶体中的自由电子价元素（磷，砷，锑）就可使晶体中的自由电子的浓度极大地增加。因为的浓度极大地增加。因为5 5价元素的原子有价元素的原子有5 5个价电子，当它顶替晶格中的一个价电子，当它顶替晶格中的一个个4 4价元素的原子时，余下了价元素的原子时，余下了1 1个价电子变成多余的，此电子的能级特别靠近个价电子变成多余的，此电子的能级特别靠近导带底，特别简洁进入导带成为自由电子，因而导带中的自由电子较本征半导带底，特别简洁进入导带成为自由电子，因而导带
36、中的自由电子较本征半导体显著增多，导电性能大幅度提高。导体显著增多，导电性能大幅度提高。施主杂质（施主杂质（N N型杂质）、施主能级、施主电离能的概念。型杂质）、施主能级、施主电离能的概念。多数载流子（自由电子）、少数载流子（空穴）。多数载流子（自由电子）、少数载流子（空穴）。N型半导体的电流密度：型半导体的电流密度：nn0为为N型半导体的自由电子浓度。型半导体的自由电子浓度。N型半导体的电阻率为：（型半导体的电阻率为：（ND为掺杂浓度）为掺杂浓度）2.P 2.P型半导体（空穴型半导体）型半导体（空穴型半导体）在本征半导体中，掺入在本征半导体中，掺入3 3价元素的杂质（硼，铝，镓，铟），就可以
37、价元素的杂质（硼，铝，镓，铟），就可以使晶体中空穴浓度大大增加。因为使晶体中空穴浓度大大增加。因为3 3价元素的原子只有价元素的原子只有3 3个价电子，当它顶替晶个价电子，当它顶替晶格中的一个格中的一个4 4价元素原子，并与四周的价元素原子，并与四周的4 4个硅（或锗）原子组成个硅（或锗）原子组成4 4个共价键时，个共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位。因为，缺少一个价电子，形成一个空位。因为，3 3价元素形成的空位能级特别靠近价价元素形成的空位能级特别靠近价带顶的能量，在价电子共有化运动中，相邻的原子上的价电子就很简洁来填补带顶的能量，在价电子共有化运动中，相邻的原子上的价电子就很简洁来填
38、补这个空位（较跃迁至禁带以上的空带简洁的多），从而产生一个空穴。所以每这个空位（较跃迁至禁带以上的空带简洁的多），从而产生一个空穴。所以每一个三价杂质元素的原子都能接受一个价电子，而在价带中产生一个空穴。一个三价杂质元素的原子都能接受一个价电子，而在价带中产生一个空穴。理解：理解：受主杂质（受主杂质（P型杂质）型杂质）、受主、受主能级，其中的电离能、能级，其中的电离能、多数载流子、少多数载流子、少数载流子。数载流子。P型半导体的电流密度：型半导体的电流密度：np0为为P型半导体的空穴浓度。型半导体的空穴浓度。P型半导体的电阻率为：型半导体的电阻率为：杂质半导体与本征半导体相比的特性：杂质半导体
39、与本征半导体相比的特性：（1 1）掺杂浓度与原子密度相比虽然微小，但是却能使载流子浓度极大地提）掺杂浓度与原子密度相比虽然微小，但是却能使载流子浓度极大地提高，导电实力因而也显著增加。掺杂浓度愈大，其导电实力也愈强。高，导电实力因而也显著增加。掺杂浓度愈大，其导电实力也愈强。（2 2）掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠一种载流）掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠一种载流子导电。当掺入三价元素（受主杂质）时，主要靠空穴导电；当掺入子导电。当掺入三价元素（受主杂质）时，主要靠空穴导电；当掺入5 5价元价元素（施主杂质），主要靠电子导电。素（施主杂质），主要靠电子
40、导电。PN结的特性PN结的构成（作图）PN结的特性是其单向导电性，即当外加电压极性不同时其表现出的导电性迥然不同。（1）外加正向电压的状况(PN结正向注入）外加反向电压（PN结的反向抽取）明显，PN结正、反向导电的显著差异反映出其具有整流特性，所以由一个PN结组成的半导体二极管常用来做整流二极管，检波二极管，发光二极管等。金属-绝缘体-半导体系统和MOS反型层假如金属-绝缘体-半导体中绝缘体为氧化物则称MOS系统。耗尽层反型层P型半导体的表面反型层是由电子构成的，所以称为N沟道。N沟道晶体管 在P型衬底的MOS系统中增加两个N型扩散区，分别称为源区（S表示）和漏区（D表示）。V+较小V+较大通
41、过限制栅压G的极性和数值，可以使MOS晶体管分别处于导通或截止的状态：源、漏之间的电流将受到栅压的调制，这就是MOS晶体管工作原理的基础，利用这一性质做成的MOS集成电路是大规模集成电路中最重要的类型之一。光生伏特效应-太阳能电池四、四、BaTiO3材料半导化机制材料半导化机制 能带结构能带结构Eg=2.90 eV，属于，属于ABO3钙钛矿结构。钙钛矿结构。1、掺杂五价元素如、掺杂五价元素如Nb等等 属于施主掺杂（微量替代属于施主掺杂（微量替代Ti），杂质在），杂质在带隙中供应带有电子的能级，能级略低带隙中供应带有电子的能级，能级略低于导带底的能量，和价带中的电子比较，于导带底的能量，和价带中
42、的电子比较，很简洁激发到导带中去，形成电子载流很简洁激发到导带中去，形成电子载流子（子（carrier)。Eg=0.21.0 eV2、掺杂3价元素如Fe等 属于受主掺杂（微量替代Ti），杂质供应带隙中空的能级，电子由价带激发到受主能级要比激发到导带简洁的多。主要含有受主杂质的半导体，因价带中的一些电子被激发到施主能级，而在价带中产生很多空穴，主要依靠这些空穴导电-P性半导体。Eg=0.21.4 eV五、纳米TiO2半导体的半导化机制及试验论证结果（STM/STS技术）Eg=3.2 eV，纳米二氧化钛半导体 掺杂Ce的纳米TiO2半导体 同时掺杂Ce和Ag的纳米TiO2半导体六、半导体随温度的上
43、升导电率上升举例 最为常见的为NTC热敏材料（以BaFexSn1-xO3为例）。电阻率109绝缘材料主要用途：绝缘、介电（电容器）主要性能指标：极化、介电常数、耐电压主要性能指标：极化、介电常数、耐电压强度强度(或者击穿电压）、损耗因数、或者击穿电压）、损耗因数、电阻率例如：微波电容器、压电铁电器件等。1.4 1.4 绝缘体的电学性能绝缘体的电学性能一、电介质的极化一、电介质的极化1.1.极化极化 介质在电场作用下，其内部的束缚电荷发生弹性介质在电场作用下，其内部的束缚电荷发生弹性位移和偶极子定向取向，从而产生表面感应电荷的现位移和偶极子定向取向，从而产生表面感应电荷的现象。（图示）象。（图示
44、）2.2.电介质电介质 在电场中可产生极化的材料。多是优良的绝缘材在电场中可产生极化的材料。多是优良的绝缘材料，故二者常通用。料，故二者常通用。-+-+-3.3.组成电介质的粒子（原子、分子或离子组成电介质的粒子（原子、分子或离子)可分为：极性和非可分为：极性和非极性两类。极性两类。1 1）非极性电介质粒子（中性电介质）：结构对称的中性分）非极性电介质粒子（中性电介质）：结构对称的中性分子构成。子构成。无外电场作用下，正负电荷中心重合，对外不显示极性。无外电场作用下，正负电荷中心重合，对外不显示极性。有外电场作用时，正电荷沿有外电场作用时，正电荷沿E E方向移动，形成电偶极子，方向移动，形成电
45、偶极子，定义电偶极矩定义电偶极矩 P=qd P=qd（d d是矢量，规定其方向从负电荷指向正是矢量，规定其方向从负电荷指向正电荷）。电荷）。材料被极化后，全部电偶极子方向都沿外材料被极化后，全部电偶极子方向都沿外E E方向，电介质方向，电介质表面出现正负束缚电荷（类似表面出现正负束缚电荷（类似P89P89图图2.51b2.51b）。）。E E越强，越强，P P越大，越大，表面束缚电荷越多。表面束缚电荷越多。E E消逝，消逝，P P0 0，束缚电荷消逝。，束缚电荷消逝。2）极性电介质（偶极电介质）：极性分子）极性电介质（偶极电介质）：极性分子或离子型电介质。或离子型电介质。无外加电场时，每个分子
46、都有确定的电无外加电场时，每个分子都有确定的电偶极矩，但由于分子热运动，偶极矩，但由于分子热运动，P的排列杂乱的排列杂乱无章，对外不显示极性。在无章，对外不显示极性。在E中，在电力矩中，在电力矩作用下，使各电偶极矩有转向外作用下，使各电偶极矩有转向外E的趋势，的趋势，电介质表面出现的束缚电荷越多，极化程电介质表面出现的束缚电荷越多，极化程度越高。度越高。二、极化类型二、极化类型二、极化类型二、极化类型弹性位移极化弹性位移极化（瞬时极化）（瞬时极化）取向极化取向极化（弛豫极化）（弛豫极化）电子位移极化（Electronic Polarizability）Response is fast,Resp
47、onse is fast,is small离子位移极化（Ionic Polarizability）Response is slower偶极子取向极化（Dipolar Polarizability）Response is still slower空间电荷极化(Space Charge Polarizability)Response is quite slow,is large 1 1）电子式极化（电子位移极化）：在）电子式极化（电子位移极化）：在E E作用下，原子外围的电子云中心作用下，原子外围的电子云中心相对于原子核发生位移，形成感应电矩而使介质极化的现象。相对于原子核发生位移，形成感应电矩而
48、使介质极化的现象。形成很快（形成很快（10-1410-1410-16 s),10-16 s),是弹性可逆的，极化过程不消耗能量。是弹性可逆的，极化过程不消耗能量。在全部电介质中都存在，唯一存在此种极化（没有别的）的电介质只有中在全部电介质中都存在，唯一存在此种极化（没有别的）的电介质只有中性的气体、液体和少数非极性固体。性的气体、液体和少数非极性固体。2 2）离子式极化）离子式极化(离子位移极化）离子位移极化）:离子晶体中，除离子中的电子产离子晶体中，除离子中的电子产生位移极化外，正负离子也在生位移极化外，正负离子也在E E作用下发生相对位移而引起的极化。作用下发生相对位移而引起的极化。又分为
49、：又分为：a a.离子离子弹性弹性位移极化：在离子键构成的晶体中，离子间约束力位移极化：在离子键构成的晶体中，离子间约束力很强，离子位移有限，极化过程很快（很强，离子位移有限，极化过程很快（1010-12-121010-13-13s s），不消耗），不消耗能量，可逆。能量，可逆。b.b.热离子极化（离子松弛式位移极热离子极化（离子松弛式位移极化）：在有些离子晶体和无定形体中，化）：在有些离子晶体和无定形体中，存在一些约束力较弱的离子，无存在一些约束力较弱的离子，无E E时作时作无规则热运动，宏观无电矩；有无规则热运动，宏观无电矩；有E E时，时，正负离子反向迁移，形成正负离子分别正负离子反向迁
50、移，形成正负离子分别而产生介质极化。极化建立时间较长（而产生介质极化。极化建立时间较长（10-210-210-5s10-5s），有极化滞后现象，需），有极化滞后现象，需消耗确定能量，不行逆。消耗确定能量，不行逆。3 3）偶极子极化）偶极子极化(固有电矩的转向极化）固有电矩的转向极化）:有有E E时，偶极子有沿电场方向排列时，偶极子有沿电场方向排列的趋势，而形成宏观电矩，形成的极化。所需时间较长（的趋势，而形成宏观电矩，形成的极化。所需时间较长（10-210-210-10s10-10s），），不行逆，需消耗能量。不行逆，需消耗能量。4 4）空间电荷极化：有些电介质中，存在可移动的）空间电荷极化：