材料的导电性能.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,*,*,5.1,概述,5.2,材料的导电性能,5.4,半导体物理,5.3,金属电导,5.5,超导物理,2,个学时,4,个学时,4,个学时,第5,章 导电物理,2,个学时,10,个学时,1,5.2,材料的导电性能,5.2.,1 能带结构,5.2.,3 导电材料与电阻材料,5.2.,4 其他材料的导电性能,2,材料的性能决定于：组成 结构,5.2.1,能带结构,材料结构的类型,聚集态结构,气、液、固；固态中有晶态和非晶态。,物相结构：混合物、晶态、非晶态,显微结构：取向,空间位置分布：多组分、多相材料的均匀性,分子与晶体结构,基团结构,分子结构：相对分子量、相对分子质量分布、支化度、交联度,晶体结构,构型与构象,电子结构,3,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。,5.2.,1 能带结构,能带理论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，从而导出了电子的分布特点，并建立了禁带的概念。,4,电子的运动状态的表征：,5.2.,1 能带结构,粒子性与波动性,经典物理：,状态用物理量描述。,量子力学：,状态用波函数描述。,薛定谔方程,Schrodinger,在1926年建立了非相对论粒子的波函数随时间演化的方程。,量子数（,n,主，,l,角，,m,磁，,m,s,自旋）,5,原子的壳层结构：,5.2.,1 能带结构,1916年柯塞尔(,W.Kossel),对多电子的原子系统提出了壳层结构学说：,主量子数,n,相同的电子分布在同一,壳层,上。,主量子数,n,相同而角量子数,l,不同的电子分布在不同的,分壳层,或支壳层上。,l=0,1,2,3,4.,如：,n=3,l,=,0,1,2,分别称为,3,s,态,3,p,态,3,d,态,主量子数,n,愈小其相应的能级愈低。在同一壳层中,角量子数,l,愈小,其相应的能级愈低。,6,多电子的原子系统中,核外电子在不同的壳层上的分布遵从下面两条基本原理：,1.,泡利不相容原理,一个原子系统内，不能有两个或两个以上电子具有完全相同的量子态,(,n,l,m,l,m,s,)。,利用泡利不相容原理可以计算各个壳层中可能占有的最多电子数。,5.2.,1 能带结构,电子的分布规律：,7,对给定的一个,n,l=0,1,2,(n-1),共,n,个值；,m,l,=0,1,2,l，,共,(,2,l+1,),个值；,共,2,个值;,(,2,l+1,),2,=2n,2,所以各壳层能容纳的最多电子数为,n,=,1,2,3,4，5,K L M N O,最多电子数：,2 8 18 32 50.,量子态数为,5.2.,1 能带结构,8,对给定的一个,l(,角),的分壳层,m,l,=0,1,2,l，,共,(,2,l+1,),个值,(,磁),；,共,2,个值;,量子态数为,2(2,l+1),所以各分壳层能容纳的最多电子数为,l,=0,1,2,3,4,s p d f,g,最多电子数：,2 6 10 14 18,5.2.,1 能带结构,9,电子在各壳层、分壳层的填充由左向右：,n,=,1 2 3,4,K L,M,N,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,10,4s,2,4p,6,4d,10,4f,14,.,2.,能量最小原理,原子系统处在正常状态时,每个电子总是尽可能占有最低的能级。,5.2.,1 能带结构,10,对于由大量原子结合而成,若要研究多原子中电子的运动,原则上说,应当去解多原子、多电子系统的薛定谔方程。,下面从泡利不相容原理出发来研究能带的形成。,1.电子的共有化,固体中的原子排列是很紧密，因而各相邻原子的波函数(或者说外电子壳层,),将发生重叠。因此，各相邻原子的外层电子，很难说是属于那个原子，而实际上是处于为各邻近原子乃至整个固体所共有的状态。这种现象称之为,电子的共有化,。,5.2.,1 能带结构,11,2.能带的形成,设有,N,个原子结合成固体，原来单个原子时处于1,s,能级的,2,N,个电子现在属于整个原子系统(固体)所共有，根据泡利不相容原理，不能有两个或两个以上电子具有完全相同的量子态,(,n,l,m,l,m,s,),因而就不能再占有一个能级，而是分裂为,N,个微有不同的分立能级,。,由于,N,是一个很大的数，这些,分立,能级相距很近，看起来几乎是连续的，从而形成一条有一定宽度,E,的,能带,。,1s,1,s,能带,图 5.1 能带的形成,12,图 5,.,2 电子数量增加时能级扩展成能带,5.2.,1 能带结构,13,能带的重叠现象,：,14,能带类型,：,填满电子的能带称为,满带,。,未填满电子的能带称为,导带,。,没有电子填充的能带称为,空带,。显然空带也属导带。,由价电子能级分裂而成的能带称为,价带,。,在能带之间没有可能量子态的能量区域叫,禁带,。,5.2.,1 能带结构,15,导带中的能级未被占满，一个电子在外力作用下向其它能级转移时，不一定有相反方向的转移来抵消，所以导带具有导电作用。,图 5.4,由于满带中所有能级都被电子占满，因此一个电子在外力作用下向其它能级转移时，必然伴随着相反方向的转移来抵消，所以满带是不导电的。,图 5.3,电子在能带中的填充和运动,16,从能带上看，半导体和绝缘体的能带没有本质区别：都具有填满电子的满带和隔离满带与空带的禁带。不同的是，半导体的禁带较窄，而绝缘体的禁带较宽。,满 带,空 带,禁 带,(,a,),半导体的能带,E=0.10.2eV,满 带,空 带,禁 带,(,b,),绝缘体的能带,E=36eV,E,E,材料导电与能带特征,17,绝缘体的禁带一般很宽,一般的热激发、光照或外加电场不是特别强时,满带中的电子很少能被激发到空带中去,所以绝缘体有较大的电阻率，导电性极差。,半导体的禁带宽度较窄,在通常温度下,有较多的电子受到热激发从满带进入空带,不但进入空带的电子具有导电性能,而且满带中留下的,空穴,也具有,导电,性能。所以半导体的导电性虽不及导体但却比绝缘体好得多。,满 带,空 带,禁 带,(,a,),半导体的能带,E=0.10.2eV,E,满 带,空 带,禁 带,(,b,),绝缘体的能带,E=36eV,E,18,满 带,导带(不空),禁 带,E,满 带,空 带,E,满 带,导带(不空),E,空 带,导体的能带特点：都具有一个未被电子填满的能带。,在外电场作用下,这些能带中的电子很容易从一个能级跃入另一个能级,从而形成电流,所以导体显示出很强的导电能力。,材料导电与能带特征,19,图 5,.,5 钠的能带结构,导带,禁带,材料导电与能带特征的具体实例,20,由于钠只有,1个3,s,电子，所以在,3,s,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,3,s,价带中能量较高的处于上方的能级很少有电子占据。当温度为绝对零度时，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级称为费密能级。而当温度大于绝对零度时，有一些电子获得了能量，跳到价带里的较高能级，而在相对应的较低的能级上失去了电子，产生了相同数量的空穴。,材料导电与能带特征的具体实例,21,图 5,.,6 能带中电子随温度升高而进行能级跃迁,绝对零度时,所有外层电子占据低的能级,温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级,材料导电与能带特征的具体实例,22,图 5,.,7 镁的能带结构,材料导电与能带特征的具体实例,23,镁原子的核外电子结构为,1,s,2,2s,2,2p,6,3s,2,。,像镁这样的周期表,A,族元素的最外层,3,s,轨道有,2,个电子，所以按理说它的,3,s,能带就会被电子全部占满。,但是，由于固体镁的,3,p,能带与,3,s,能带有重叠，这种重叠使得电子能够激发到,3,s,和3,p,的重叠能带里的高能级，所以镁具有导电性。,材料导电与能带特征的具体实例,24,从钪到镍的过渡族金属中，未被电子充满的,3,d,能带和,4,s,能带发生重叠。这种重叠使得电子能够被激发到高能量的能级。能带之间的复杂的相互作用使得这些金属的导电性不够理想。但铜是一个例外。铜中的内层,3,d,能带已经被电子充满，这些电子被原子紧紧束缚，不能与,4,s,能带相互作用。由于铜中的,3,d,能带和,4,s,能带之间基本没有相互作用，所以铜的导电性非常好。银和金的情况与铜类似。,材料导电与能带特征的具体实例,25,周期表,A,族元素，如碳、硅、锗、锡，在最外层,p,轨道有,2,个电子，化合价为,4,。根据前面的讨论，因为这些元素的,p,能带没有被电子充满，似乎应该具有良好的导电性。但实际情况却不是这样。这些元素都是以共价键结合的，最外层的,s,能带电子和,p,能带电子都被原子紧紧束缚。共价键使能带结构发生比较复杂的变化，即杂化现象。,材料导电与能带特征的具体实例,26,图 5,.,8 金刚石中碳的能带结构,材料导电与能带特征的具体实例,27,在金刚石的价带和导带之间有一个较大的禁带,Eg,。,很少有电子具有足够的能量，能够从价带跃迁到导带去。所以金刚石的电导率很低。,提高温度或者施加高电压，可以使价带的电子获得能量，跃迁到导带。例如，氮化硼的室温的电导率为,10,-13,-1,cm,-1,，,温度升到,800,时则为,10,-4,-1,cm,-1,。,虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似，但这些材料的禁带宽度,Eg,较小。实际上，锡的禁带宽度小得使它具有类似导体的导电性。而禁带宽度,Eg,稍大一点的锗和硅成了典型的半导体。,材料导电与能带特征的具体实例,28,表5.2,一些材料的禁带宽度,E,g,（,eV）,材料,禁带宽度,E,g,C(,金刚石,),5.48,Si,1.12,Ge,0.67,Sn,（,灰锡）,0.08,GaAs,1.35,InAs,0.36,TiO,2,(,锐钛矿,),3.2,ZnO,3.2,In,2,O,3,2.5,SrTiO,3,3.2,ZrO,2,5.0,29,5.2.,3 导电材料与电阻材料,对一截均匀导电体，存在如下关系：,欧姆定律,Area,Length,i,电阻率（电导率）,30,表面电阻、体积电阻,5.2.,3 导电材料与电阻材料,施加电场时，通过材料的电流为表面电流和体积电流之和。,I=I,s,I,v,相应地电阻也可以分为,体积电阻,R,v,和,表面电阻,R,s,体积电阻率,v,或,式中：,h,为,试样的厚度；,S,为,试样的面积,表面电阻率,s,式中：,为电极的长度；,b,为电极间的距离。,31,表面电阻、体积电阻,5.2.,3 导电材料与电阻材料,32,1.,对板状样品,5.2.,3 导电材料与电阻材料,33,2.,对管状样品,5.2.,3 导电材料与电阻材料,34,3.,对圆片状样品,5.2.,3 导电材料与电阻材料,35,电阻率测试方法,5.2.,3 导电材料与电阻材料,v,和,s,都是用一个三电极装置测定，该装置由主电极、环形电极和下电极组成。测定,v,时样品被测面积就是主电极的面积；测定,s,时电极长度为主电极的周长。,36,V,L,A,R=,R,sample,+,R,contact,R=V/I,r,=(RA)/L,I,Ohmeter,特征：,适用于高导电率材料,电阻测试方法,1.,二探针法,5.2.,3 导电材料与电阻材料,37,5.2.,3 导电材料与电阻材料,Current Source,I=V,1,/R,1,R,sample,=V,2,/I,R,sample,=(V,2,R,1,)/V,1,r,=,R,sample,(A/L),特征：,样品尺寸较大,一般用来测量半导体材料的方阻。,L,A,I,V,2,V,1,R,1,Ohmeters,2.,四探针法,电阻测试方法,38,材料的电阻,5.2.,3 导电材料与电阻材料,39,Resistivities,of Real Materials,5.2.,3 导电材料与电阻材料,40,5.2.,3 导电材料与电阻材料,导电材料,是以传送电流为主要目的的材料。,对于像电力工业这样的,强电,应用的导电材料，主要有铜、铝及其合金。,而像电子工业这样的,弱电,应用的导电材料则除了铜、铝之外，还常用金、银等。,41,电阻材料,的主要目的是给电路提供一定的电阻。作为精密电阻材料的以铜镍合金为代表，如康铜（,Cu-40%Ni-1.5%Mn,）。,电热合金,利用电阻发热的一种电阻材料。,对于使用温度为,9001350,的电热合金，常用镍铬合金。,陶瓷电热材料,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。,5.2.,3 导电材料与电阻材料,42,5.2.,4 其他材料的导电性能,离子材料,中的导电性往往需要通过离子的迁移来实现，因为这类材料中的禁带宽度较大，电子难以跃迁到导带。所以大多数的离子材料是绝缘体。如果在离子材料中引入杂质或空位，能够促进离子的扩散，改善材料的导电性。当然，高温也能促进离子扩散，进而改善导电性。,43,高分子材料,中的电子都是共价键结合的，所以高分子材料的禁带宽度都非常大，电导率也非常低。因此高分子材料常用作绝缘体。有时，低电导率也会对材料造成损害。,解决这些问题的方法有两种，一是在高分子材料中引入添加剂，改善材料的导电性，二是开发本身就具有导电性的高分子材料。,5.2.,4 其他材料的导电性能,44,5.2.,4 其他材料的导电性能,45,46,47,48,49,