材料物理性能電第1頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月第2頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月第3頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的電學(xué)性能導(dǎo)電性能電荷長(zhǎng)程遷移介電性能感應(yīng)方式第5頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的導(dǎo)電性？導(dǎo)電電阻電阻率電導(dǎo)率能夠攜帶電荷的粒子稱為載流子金屬、半導(dǎo)體和絕緣體中載流子——電子離子化合物中的載流子——離子

微觀機(jī)理：材料中帶有電荷的粒子響應(yīng)電場(chǎng)作用發(fā)生定向移動(dòng)的結(jié)果。歐姆定律第6頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻率和電導(dǎo)率歐姆定律：U=RIR表示導(dǎo)體的電阻，不僅與導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)，而且還與其長(zhǎng)度l及截面積S有關(guān)，其值R＝ρl/S，式中ρ

稱為電阻率或比電阻。電阻率只與材料特性有關(guān)，而與導(dǎo)體的幾何尺寸無關(guān)，因此評(píng)定材料導(dǎo)電性的基本參數(shù)是電阻率或電導(dǎo)率，電阻率的單位為Ω·m,Ω·cm,μΩ·cm。第7頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)施加的電場(chǎng)產(chǎn)生電流時(shí)，電流密度J正比于電場(chǎng)強(qiáng)度E，其比例常數(shù)σ即為電導(dǎo)率：電阻率ρ的倒數(shù)σ即為電導(dǎo)率，即σ=1/ρ，電導(dǎo)率的單位為S/m或Ω-1·m-1。工程上用相對(duì)電導(dǎo)率IACS%=σ/σCu%表征導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。國際標(biāo)準(zhǔn)軟純銅電導(dǎo)率第8頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)體：ρ<10-3Ω·cm；絕緣體：ρ>108Ω·cm；半導(dǎo)體：ρ

值介于10-3～108

Ω·cm之間。第9頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬導(dǎo)電理論第10頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)典自由電子論1900年德魯特/洛倫茲第11頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月1.經(jīng)典自由電子理論（量子理論發(fā)展前）第12頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月霍耳效應(yīng)當(dāng)金屬導(dǎo)體處于與電流方向相垂直的磁場(chǎng)內(nèi)時(shí)，則在?？鐦悠返膬擅娈a(chǎn)生一個(gè)與電流和磁場(chǎng)都垂直的電場(chǎng)，此現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。

kc第13頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月表征霍耳場(chǎng)的物理參數(shù)：霍耳系數(shù)又因可得由式可見，霍爾系數(shù)只與金屬中的自由電子密度有關(guān)?；魻栃?yīng)證明了金屬中存在自由電子，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果對(duì)典型金屬相一致。第14頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月jc電導(dǎo)率：第15頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)典電子論的局限性

經(jīng)典電子論模型成功地說明了歐姆定律，導(dǎo)電與導(dǎo)熱的關(guān)系。但在說明以下問題遇到困難：實(shí)際測(cè)量的電子自由程比經(jīng)典理論估計(jì)值大許多；電子比熱容測(cè)量值只是經(jīng)典理論值的百分之一；霍爾系數(shù)按經(jīng)典自由電子理論只能為負(fù)，但在某些金屬中發(fā)現(xiàn)有正值；無法解釋半導(dǎo)體，絕緣體導(dǎo)電性與金屬的巨大差異。這些都表明經(jīng)典電子論的不完善，其主要原因在于它機(jī)械地搬用經(jīng)典力學(xué)去處理微觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，因而不能正確反映微觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。第16頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月2.量子自由電子理論第17頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月量子理論的一些法則

第18頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月3.能帶理論晶體的能帶理論是在量子力學(xué)研究金屬導(dǎo)電理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的成功之處是在于定性地闡明了晶體中電子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。特征：不連續(xù)能量分布的價(jià)電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。原子核電子內(nèi)層電子外層電子離子實(shí)價(jià)電子構(gòu)成等效勢(shì)場(chǎng)第19頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體的能帶價(jià)電子的共有化使單個(gè)原子的價(jià)電子能級(jí)分裂，形成了能帶。第20頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月電子的填充規(guī)則電子填充在一系列準(zhǔn)連續(xù)分布的能級(jí)上，服從泡利不相容原理，即依次從低向上填充，每一個(gè)能級(jí)上最多可填充2個(gè)電子；電子的分布服從費(fèi)米-狄拉克分布：電子占據(jù)幾率為1/2的能級(jí)位置稱為費(fèi)米能級(jí)，它反映了電子的填充水平。（表述一）電子的某一能級(jí)上的分布幾率：第21頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月費(fèi)米分布函數(shù)0K時(shí)為一折線，在能量高于費(fèi)米能量的區(qū)域幾率為零溫度的升高將使得少量能量較高的電子躍遷到高能級(jí)。費(fèi)米能級(jí)第22頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬、半導(dǎo)體及絕緣體的比較導(dǎo)帶和價(jià)帶重疊絕緣體的禁帶一般大于5eV半導(dǎo)體的禁帶一般小于3eV第24頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬絕緣體半導(dǎo)體特征：最高占有帶僅部分充滿，即除了滿帶外，存在不滿帶。特征：電子恰好填滿了最低的一系列能帶，能量更高的能帶都是空的，而且禁帶很寬（5-10eV）。特征：禁帶寬度較窄（0.2-3eV）。第25頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際晶體總會(huì)有雜質(zhì)，存在缺陷。傳導(dǎo)電子在輸運(yùn)過程中的散射：電子—電子(電子散射)電子—聲子(聲子散射)電子與雜質(zhì)原子電子與晶體點(diǎn)陣靜態(tài)缺陷的相互作用金屬中的電阻基本電阻0K下為零理想金屬的電阻只與電子散射和聲子散射兩種機(jī)制有關(guān)。殘余電阻第27頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月 由經(jīng)典自由電子理論得到：

由能帶理論得到：為考慮晶體點(diǎn)陣對(duì)電場(chǎng)作用后電子的有效質(zhì)量為Fermi面附近電子的平均自由程導(dǎo)電機(jī)制第28頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)電子波通過完整晶體點(diǎn)陣時(shí)(0K)，將不受散射，電阻為0；為無窮大；在晶體點(diǎn)陣完整性遭到破壞的地方，電子才受到散射，形成金屬的電阻?？啥x為散射系數(shù)，記為因此電阻率為與絕對(duì)溫度成正比；雜質(zhì)原子使晶體點(diǎn)陣的周期性破壞，增加散射系數(shù)的值；第29頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月馬基申定則為金屬的基本電阻率，與溫度有關(guān)；為化學(xué)缺陷和物理缺陷引起的殘余電阻率，與溫度無關(guān)。聲子散射和電子散射雜質(zhì)和缺陷上的散射反映了金屬的電學(xué)純度和完整性第30頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月常常采用相對(duì)電阻率晶體越純，越完善，相對(duì)電阻率越大，許多完整的金屬單晶可得到高達(dá)2×l04的相對(duì)電阻率。對(duì)理想的金屬（沒有缺陷和雜質(zhì)），其電阻率在絕對(duì)零度時(shí)為零；jc金屬的電阻率隨溫度升高而增大；高溫時(shí)金屬的電阻率取決于，低溫時(shí)取決于。第31頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月4.影響導(dǎo)電性的因素溫度的影響受力情況的影響冷加工的影響晶體缺陷的影響熱處理的影響幾何尺寸效應(yīng)的影響第32頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度對(duì)金屬電阻的影響一般規(guī)律過渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變鐵磁金屬的電阻-溫度關(guān)系的反常第33頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月一般規(guī)律1——理想金屬晶體2——含有雜質(zhì)的金屬3——含有晶體缺陷的金屬第34頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月在室溫和更高溫度下，非過渡金屬的電阻率：非過渡族金屬的電阻—溫度曲線電子-聲子散射電子-電子散射電阻溫度系數(shù)電阻—溫度關(guān)系在低溫條件下較復(fù)雜，室溫以上則較簡(jiǎn)單。第35頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻溫度系數(shù)0~T℃溫區(qū)的平均溫度系數(shù)在溫度T時(shí)的真電阻溫度系數(shù)為純金屬：α≈4×10－3過渡族金屬，特別是鐵磁性金屬α較高Fe：6×10－3Co：6.6×10－3

Ni：6.2×10－3

第36頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月過渡族金屬過渡族金屬的電阻可以認(rèn)為是由一系列具有不同溫度關(guān)系的成分疊加而成。過渡族金屬的反常往往是由兩類載體的不同電阻與溫度關(guān)系決定的。第37頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月過渡族金屬多晶型轉(zhuǎn)變多晶型金屬電阻率與溫度的關(guān)系線性關(guān)系只保持到350℃850~900℃出現(xiàn)了多晶型轉(zhuǎn)變?？昭▽?dǎo)電線性關(guān)系破壞第38頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月受力情況的影響拉力的影響壓力的影響在彈性范圍內(nèi)單向拉伸或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力能提高金屬的ρ。對(duì)大多數(shù)金屬來說，在受壓力情況下電阻率降低。原因：金屬在壓力作用下，其原子間距縮小，內(nèi)部缺陷形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)、費(fèi)米面和能帶結(jié)構(gòu)以及電子散射機(jī)制等都將發(fā)生變化。為負(fù)為正第39頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月正常金屬元素kc

反常金屬元素電阻率隨壓力升高而下降，如Fe、Co、Ni、Pt、Cu、Ag、Ti等。電阻率隨壓力升高到一定值后下降，即電阻率有極大值，如堿金屬、堿土金屬、稀土金屬和第Ⅴ族的半金屬等。與壓力作用下的相變有關(guān)第40頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月R/R0R/R0p×10-8Pap×10-8Pa正常元素反常元素第41頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月冷加工對(duì)金屬電阻的影響冷加工變形使純金屬電阻率增加冷加工變形使一般固溶體電阻增加10-20%，使有序固溶體增加100%甚至更高對(duì)Ni-Cu，Ni-Cu-Zn，F(xiàn)e-Cr-Al等合金，冷加工變形則使電阻降低低溫時(shí)用電阻法研究金屬的冷加工更為有效第42頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體缺陷對(duì)電阻的影響晶體缺陷（空位、位錯(cuò)、間隙原子等）會(huì)使金屬電阻率增加點(diǎn)缺陷引起的殘余電阻率變化遠(yuǎn)比線缺陷的影響大對(duì)多數(shù)金屬，當(dāng)形變量不大時(shí)，位錯(cuò)引起的電阻率變化與位錯(cuò)密度變化之間呈線性關(guān)系第43頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月空位、位錯(cuò)對(duì)一些金屬電阻率的影響第44頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月熱處理對(duì)金屬電阻的變化一般，淬火使晶格畸變，電阻增加，退火使畸變回復(fù)．電阻降低。當(dāng)退火溫度接近再結(jié)晶溫度時(shí)，電阻可恢復(fù)到接近冷加工前的水平；但當(dāng)退火溫度高過再結(jié)晶溫度時(shí)，電阻反又增大，原因是再結(jié)晶后新晶粒的晶界阻礙了電子運(yùn)動(dòng)。淬火能夠固定金屬在高溫時(shí)空位的濃度，從而產(chǎn)生殘余電阻。淬火溫度愈高空位濃度愈高，則殘余電阻率就越大。第45頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月冷加工變形Fe的電阻在退火時(shí)的變化退火溫度/℃1—形變量99.8%2—形變量97.8%3—形變量93.5%4—形變量80%5—形變量44%第46頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月幾何尺寸的影響隨著鉬、鎢單晶體厚度變薄，4.2K時(shí)晶體的電阻增大薄膜試樣的電阻率L——電子的散射自由程d——薄膜厚度第47頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)金屬導(dǎo)電的物理機(jī)制馬基申定則影響金屬電阻的因素第48頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月合金的導(dǎo)電性

合金基礎(chǔ)知識(shí)固溶體的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電性多相合金的導(dǎo)電性第49頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月什么是合金？jc兩種或兩種以上的金屬（或金屬與非金屬）熔合（物理變化）而成具有金屬特性的物質(zhì)叫做合金。合金的特點(diǎn)：熔點(diǎn)低于任一組分的金屬；硬度大，耐磨損；導(dǎo)電性低于任一組分的金屬；具有較強(qiáng)的抗腐蝕性。由于合金的許多優(yōu)于純金屬的性能，因而在實(shí)際應(yīng)用中多使用合金。第50頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月固溶體的最大特點(diǎn)是保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)。固溶體第51頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月

連續(xù)固溶體的導(dǎo)電性形成固溶體時(shí)，導(dǎo)電性能降低。即使是在低導(dǎo)電性的金屬中溶入高導(dǎo)電性的金屬溶質(zhì)也是如此，但電阻隨成分連續(xù)變化而無突變。對(duì)于連續(xù)固溶體，當(dāng)組元A溶入組元B時(shí)，電阻由B組元的電阻值逐漸增大至極大值后再逐漸減小到A組元的電阻。第52頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月Ag-Au合金電阻率與成分的關(guān)系最大電阻率通常在50%濃度處原因：晶體點(diǎn)陣畸變；雜質(zhì)對(duì)理想晶體的局部破壞；合金化對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的影響；合金化對(duì)彈性常數(shù)的影響。第53頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月Cu—Pd、Ag—Pd和Au—Pd合金電組率與成分的關(guān)系鐵磁性和強(qiáng)順磁性金屬組成的固溶體，不僅電阻的極大值出現(xiàn)在較高濃度處，而且電阻也異常的高。原因：價(jià)電子轉(zhuǎn)移使有效導(dǎo)電的電子數(shù)減小。第54頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月低濃度固溶體的電阻率除過渡族金屬外，在同一溶劑中溶入1%原子溶質(zhì)金屬所引起的電阻率增加，由溶劑和溶質(zhì)金屬的價(jià)數(shù)決定諾伯里-林德法則第55頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月合金的導(dǎo)電性合金基礎(chǔ)知識(shí)固溶體的導(dǎo)電性

金屬化合物的導(dǎo)電性多相合金的導(dǎo)電性第56頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬化合物的導(dǎo)電性金屬化合物的電阻率要比各組元的電阻率高，原子鍵和方式發(fā)生質(zhì)的變化。中間相的導(dǎo)電性介于固溶體和化合物之間。溫度升高，電阻率升高，但當(dāng)超過熔點(diǎn)，電阻率反而下降。金屬鍵PK離子鍵或共價(jià)鍵第57頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月合金的導(dǎo)電性合金基礎(chǔ)知識(shí)固溶體的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電性

多相合金的導(dǎo)電性第58頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月多相合金的導(dǎo)電性多相合金的導(dǎo)電性是由組成相的導(dǎo)電性決定的但是計(jì)算多相合金的電阻率十分困難，因?yàn)殡娮杪蕦?duì)于組織是敏感的。多相合金電導(dǎo)率與組元的體積濃度呈線性關(guān)系

、

——組元的體積分?jǐn)?shù)（+

=1）第59頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月

對(duì)處于多相區(qū)每一合金的電導(dǎo)率可由極限濃度固溶體的和值的連線找出來。有限溶解度的合金的電導(dǎo)率變化kcT/℃

對(duì)于任意多相合金電阻率總是處于組元電阻率之間；第60頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月電導(dǎo)功能材料導(dǎo)電材料電阻材料電接觸材料用來傳導(dǎo)輸送電流的材料，如電線電纜等。Cu、Al及其合金，其電導(dǎo)率高、延展性好、阻抗損失小。繞線電阻：要求精度高，溫度系數(shù)小，采用錳銅合金等。電熱合金：要求能耐高溫，采用Ni-Cr合金、Fe-Cr-Al合金等。純金屬材料合金材料復(fù)合材料用來減小接觸電阻。廣泛應(yīng)用于大型電力系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)中。第61頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻分析的應(yīng)用通過測(cè)量金屬材料電阻率變化來研究金屬組織結(jié)構(gòu)等變化的方法，稱為電阻法。應(yīng)用：研究合金的時(shí)效測(cè)定固溶體的溶解度第62頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月合金時(shí)效的基本過程是固溶體內(nèi)溶質(zhì)原子的偏聚，形成過渡相和析出穩(wěn)定相。脫溶過程，電阻顯著變化，所以電阻分析是研究合金時(shí)效最有效的方法之一。

研究合金的時(shí)效第63頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月測(cè)定固溶體的溶解度選定一系列不同成分的合金，分別在不同溫度下淬火，并測(cè)量其電阻值，給出不同淬火溫度下的電阻率與合金成分的關(guān)系。第64頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月不同溫度下電阻率隨濃度變化及與狀態(tài)圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系第65頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

半導(dǎo)體材料及其能帶導(dǎo)電機(jī)制

PN結(jié)第66頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體材料及其能帶導(dǎo)帶和價(jià)帶重疊絕緣體的禁帶一般大于5eV半導(dǎo)體的禁帶一般小于3eV第67頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性定義：分類：電阻率為（10-3~109

Ωcm）或禁帶寬度（0.2~3eV）的一類材料。晶體半導(dǎo)體非晶半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體Si，Ge

化合物半導(dǎo)體GaN，InGaN，GaAs等第68頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月金剛石、硅和鍺的對(duì)比kc三者均為金剛石結(jié)構(gòu)；禁帶寬度分別為~5.4eV、~1.2eV和~0.7eV。在硅和鍺中，一些電子在一般溫度下就能受到熱激發(fā)，越過禁帶占據(jù)一些導(dǎo)電的能級(jí)。而當(dāng)施加電場(chǎng)作用時(shí)，占據(jù)導(dǎo)帶的電子就能引起電導(dǎo)。為半導(dǎo)體。只有在0K時(shí)，硅和鍺才變得和金剛石一樣，為絕緣體。第69頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月硅和鍺是兩類十分重要的元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體第70頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月鍺鍺是一種稀散元素，在地殼中分布很分散，沒有集中的礦藏。煤中含有微量的鍺，煤燃燒后鍺以GeO2

富集在煙道灰里，但含量也不高。將GeO2

收集、氯化、還原、提純后可以得到金屬鍺。工藝流程長(zhǎng)，不利于大批量生產(chǎn)。所以應(yīng)用極為有限。第71頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月硅硅資源十分豐富，僅次于氧列第二位硅的制備原料主要是石英砂。第72頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月具有良好的熱導(dǎo)率和高溫力學(xué)性能、優(yōu)異的半導(dǎo)體性質(zhì)，可以穩(wěn)定地制備大直徑無位錯(cuò)的單晶。世界上幾乎所有的集成電路都是單晶硅制成的，而且集成電路用硅占單晶硅整個(gè)用量的80%以上。此外，絕大多數(shù)的電力電子器件(可控硅、整流器等)、功率晶體管都是單晶硅制成的。硅是一種天然的電子元器件材料第73頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體一般是由圍繞周期表中IV族對(duì)稱位置的元素組成的。GaAs第74頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月砷化鎵具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。也就是和硅、鍺具有相似的結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：工作溫度較高，承受的電壓較大，可以在更高的頻率下工作，有較好的抗輻射能力等缺點(diǎn)：提純和制備GaAs單晶比硅困難得多，GaAs的壽命也比較短。

GaAs目前只用于一些特殊的場(chǎng)合，如航空、航天領(lǐng)域等。砷化鎵jcGaAs太陽能電池40%第75頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)是具有范圍較寬的禁帶和遷移率，可以滿足不同場(chǎng)合的特殊要求在一些化合物半導(dǎo)體中，應(yīng)用了非化學(xué)計(jì)量原理來產(chǎn)生雜質(zhì)能級(jí)，此時(shí)組分的控制特別重要由于純度的限制，化合物半導(dǎo)體發(fā)展較為緩慢。事實(shí)上，就整個(gè)半導(dǎo)體工業(yè)來說，材料工藝的限制一直是器件發(fā)展步伐緩慢的原因。盡管理論已經(jīng)非常成熟。第76頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體材料的制備體單晶材料（如Si片）外延薄膜（如GaAs、GaN薄膜）直拉法、區(qū)熔法等化學(xué)氣相沉積法、分子束外延法等第77頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

半導(dǎo)體材料及其能帶

導(dǎo)電機(jī)制

PN結(jié)第78頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月2.導(dǎo)電機(jī)制本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體第79頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月本征半導(dǎo)體“純凈”的半導(dǎo)體單晶體，即沒有雜質(zhì)和缺陷。本征激發(fā)的過程導(dǎo)帶價(jià)帶

0K時(shí)，導(dǎo)帶中無電子，價(jià)帶無空穴；一定溫度下，一部分價(jià)帶中的電子獲得大于Eg的能量，躍遷到導(dǎo)帶中去；在外電場(chǎng)作用下，自由電子和空穴都能導(dǎo)電，統(tǒng)稱為載流子。第80頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月禁帶寬度可以用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定在溫度T

時(shí)，被激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子載流子的濃度ne

與禁帶寬度Eg有關(guān)，當(dāng)Eg>kT

時(shí)，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率

可以表示為第81頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月于是，本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率可以寫成實(shí)驗(yàn)測(cè)得的ln

與1/T

之間的關(guān)系為一直線。由直線的斜率即可算出禁帶寬度。對(duì)溫度十分敏感：隨著溫度的升高，電導(dǎo)率呈指數(shù)增大，與金屬正好相反對(duì)禁帶寬度十分敏感：禁帶越寬，電導(dǎo)率越低第82頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的性能是由導(dǎo)帶中的電子數(shù)和價(jià)帶中的空穴數(shù)決定的電子和空穴可以借助于熱、電、磁等形式的能量激發(fā)產(chǎn)生，稱為本征激發(fā)；相應(yīng)形成本征半導(dǎo)體電子和空穴也可以借助于引進(jìn)雜質(zhì)元素而激發(fā)，稱為非本征激發(fā)；相應(yīng)形成非本征半導(dǎo)體(雜質(zhì)半導(dǎo)體)雜質(zhì)半導(dǎo)體第83頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體中的載流子是電子和空穴，這兩種載流子都可以通過引進(jìn)雜質(zhì)的方法而獲得如果雜質(zhì)的引進(jìn)導(dǎo)致了電子的產(chǎn)生，則相應(yīng)形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體如果雜質(zhì)的引進(jìn)導(dǎo)致了空穴的產(chǎn)生，則相應(yīng)形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體都是固溶體第84頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月n型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體雜質(zhì)中的電子容易脫離其原子的束縛而成為導(dǎo)電電子如V族雜質(zhì)雜質(zhì)中能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴如III族雜質(zhì)施主受主對(duì)Si和Ge來說第85頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月As+4As+5摻入第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb)后，某些電子受到很弱的束縛，只要很少的能量△ED(0.04~0.05eV)就能讓它成為自由電子。這個(gè)電離過程稱為雜質(zhì)電離。施主雜質(zhì)第86頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月被施主雜質(zhì)束縛住的多余電子所處的能級(jí)稱為施主能級(jí)施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶很近的禁帶施主能級(jí)上的電子吸收少量的能量△ED后可以躍遷到導(dǎo)帶施主能級(jí)電子能量電子濃度分布空穴濃度分布施主雜質(zhì)電離使導(dǎo)帶電子濃度增加第87頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)饺氲贗II族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)，晶體只需要很少的能量△EA<Eg

就可以產(chǎn)生自由空穴B受主雜質(zhì)第88頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月被受主雜質(zhì)束縛的空穴所處的能級(jí)稱為受主能級(jí)受主能級(jí)位于靠近價(jià)帶EV的禁帶中空穴獲得較小的能量△EA后就能反向躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴電子濃度分布空穴濃度分布受主能級(jí)電離使導(dǎo)帶空穴濃度增加電子能量第89頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)半導(dǎo)體的特點(diǎn)摻雜濃度與原子密度相比雖很微小，但卻能使導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)。摻雜濃度越大，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。摻雜只是使一種載流子的濃度增加，雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多子導(dǎo)電。N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體多子少子電阻率自由電子空穴自由電子空穴第90頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化關(guān)系第91頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

半導(dǎo)體材料及其能帶導(dǎo)電機(jī)制

PN結(jié)第92頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月U電勢(shì)2.內(nèi)建電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致載流子做反向漂移運(yùn)動(dòng)n型p型耗盡層1.濃度的差別導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)jc第93頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制，只存在少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)n型p型耗盡層耗盡層U反向偏壓使耗盡區(qū)加寬第94頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月擴(kuò)散>漂移正向偏壓使耗盡區(qū)變窄Un型p型耗盡層耗盡層第95頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月pn結(jié)二極管的整流效應(yīng)PN結(jié)的特征：正向?qū)?，反向截止。?yīng)用于邏輯運(yùn)算電路之中。第96頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月與PN結(jié)直接相關(guān)的半導(dǎo)體器件太陽能電池二極管發(fā)光二極管光探測(cè)器第97頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)kc基本概念本征半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體pn結(jié)第98頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月電介質(zhì)的定義與基本特征在電場(chǎng)作用下，能產(chǎn)生極化與電偶極矩，并存在有內(nèi)電場(chǎng)的物質(zhì)。物質(zhì)電介質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)體是一類特殊的絕緣體。電介質(zhì)導(dǎo)體高電場(chǎng)作用第99頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月介電常數(shù)：是指以電極化的方式傳遞、存貯或記錄電的作用。電導(dǎo)：是指電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下存在泄露電流。介電損耗：是電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下存在電能的損耗。介電強(qiáng)度：是指在強(qiáng)電場(chǎng)下可能導(dǎo)致電介質(zhì)的破壞。電介質(zhì)的四大基本常數(shù)好的電介質(zhì)要求較容易極化，具有較高的介電常數(shù)和介電強(qiáng)度，較低的電導(dǎo)和介電損耗。第100頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月-----++

++++

+++----+-插入電介質(zhì)束縛電荷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。電介質(zhì)的極化第101頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月與極化相關(guān)的物理量電偶極矩極化電荷（束縛電荷）電極化強(qiáng)度P——電介質(zhì)極化程度的量度，即束縛電荷的面密度。由極化而引起的宏觀電荷第102頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月電介質(zhì)的極化機(jī)制電介質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生宏觀的電極化強(qiáng)度，實(shí)際上是電介質(zhì)微觀上各種極化機(jī)制貢獻(xiàn)的結(jié)果。包括電子極化、原子（離子）極化、取向極化和空間電荷極化等。極化電子極化原子（離子）極化取向極化空間電荷極化誘導(dǎo)極化第103頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月①電子極化在外電場(chǎng)作用下，電子云相對(duì)原子核的位移是彈性聯(lián)系，其振動(dòng)頻率在光頻范圍，所以電子極化又稱光極化，極化建立和消除的時(shí)間極短，約10-15—10-16s。E電子極化在外電場(chǎng)作用下，構(gòu)成原子外圍的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移，正負(fù)電荷重心錯(cuò)開。感應(yīng)偶極矩：第104頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月電子極化結(jié)論同族元素：電子極化率

由上到下增大；同周期元素：不定；電子極化率與溫度無關(guān)；極化率為快極化：10-15–10-16秒，該極化無損耗，可逆。在光頻下，只有電子極化，介質(zhì)的光折射率為：第105頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月②原子（離子）極化離子晶體的介電常數(shù)值比n2值大的多，如8.431.99CaF2110-1147.3TiO24.682.13KCl介電常數(shù)n2因此，必然存在電子極化外的其他極化機(jī)制。離子極化：離子晶體中正、負(fù)離子發(fā)生相對(duì)位移而形成的極化，稱為離子極化(Ionicpolarization)。第106頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月-q+qEE離子極化－離子在電場(chǎng)作用下偏移平衡位置的移動(dòng)，相當(dāng)于形成一個(gè)感生偶極矩，也可理解為離子晶體在電場(chǎng)作用下離子間的鍵合被拉長(zhǎng)。第107頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月離子極化率與電子極化率幾乎有相同的數(shù)量級(jí)；離子極化只可能在離子晶體中存在，液體或氣體介質(zhì)中不存在離子極化；離子極化只與離子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與溫度無關(guān)；離子極化建立或消除時(shí)間與離子晶格振動(dòng)周期有相同數(shù)量級(jí)，10-13–10-14秒。jc離子極化結(jié)論第108頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月③取向極化當(dāng)極性分子受外電場(chǎng)作用時(shí)，偶極子就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于偶極子與電場(chǎng)方向相同時(shí)具有最小位能，于是就電介質(zhì)整體來看，偶極矩不再等于零，而出現(xiàn)沿電場(chǎng)方向的宏觀偶極矩，這種極化現(xiàn)象稱為偶極子取向極化。E第109頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月極性分子固有偶極距極化建立時(shí)間：大于10-9秒，為慢極化。取向極化結(jié)論第110頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月④空間電荷極化離子多晶體的晶界以及二維、三維缺陷處存在空間電荷，在外電場(chǎng)作用下，趨向于有序化，即帶有空間電荷的正負(fù)電荷質(zhì)點(diǎn)分別向外電場(chǎng)的負(fù)、正極方向移動(dòng)，從而表現(xiàn)為極化。建立時(shí)間：10-2秒第111頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月基本常數(shù)kc——

靜態(tài)介電常數(shù)——

真空介電常數(shù)——

相對(duì)介電常數(shù)介電常數(shù)可理解為在單位電場(chǎng)強(qiáng)度下，單位體積中所存儲(chǔ)的能量。電容①介電常數(shù)（dielectriccoefficient）第112頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月一些材料的介電性能材料相對(duì)介電常數(shù)介電強(qiáng)度/(kV·cm-1)真空1∞水78—紙3.51.4紅寶石云母5.416琥珀2.79.0瓷器6.50.4熔凝石英3.80.8玻璃4.51.3電木4.81.2聚乙烯2.35.0二氧化鈦1000.6第113頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月

一般電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體、鐵電體之間的關(guān)系如下圖：第114頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月電介質(zhì)的特殊性能(一）壓電性正壓電效應(yīng)－當(dāng)晶體受到機(jī)械力作用時(shí)，一定方向的表面產(chǎn)生束縛電荷，其電荷密度大小與所加應(yīng)力的大小呈線性關(guān)系。這種由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程稱為正壓電效應(yīng)。-+F+-+-F+--+第115頁，課件共125頁，創(chuàng)作于2023年2月逆壓電效應(yīng)－當(dāng)晶體在外電場(chǎng)激勵(lì)下，晶體的某些方向上產(chǎn)生形變（或諧振），且應(yīng)變大小與所加電場(chǎng)在一定范圍內(nèi)有線性關(guān)系，這種由電能轉(zhuǎn)