课程63电性能综述.ppt

第六章 材料的性能 第三节材料的电性能  6.3.1 电导率和电阻率  6.3.2 材料的结构与导电性  6.3.3 材料的半导体性  6.3.4 材料的超导性  6.3.5 材料的介电性  6.3.5 静电现象 6.3.1 电导率和电阻率 • 6.3.1.1 电导率：电导是指真实电荷在电场作用下在介质中 的迁移电导率的单位为S.m-1，它是衡量材料导电能力的 表观物理量，它定义为在单位电位下流过每立方厘米材料的 电流I（A） • ＝IL/VS （S/m）(L是样品厚，m；S是样品面积，m2；V是电位，V) 2 电阻率： 3 相对电导率：把国际标准软铜（室温20ºC下电阻率为 0.01724Ω∙mm2/m）的电导率作为100%，其它材料的电导 率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电导率 材料电阻率/.m电导率/S.m-1 超导体0∞ 导体10-810-5105 108 半导体10-510710-7105 绝缘体107102010-2010-7 材料的分类及其电导率 • 6.3.1.2 决定电导率的基本参数 • 电导率与两个基本参数相关，即载流子密度n(cm-3) 和载流子迁移率(cm2.V-1.S-1)。

研究材料的电导性就 是弄清楚载流子的品种、来源和浓度，迁移方式和迁 移率大小等 • A 载流子 电流是电荷在空间的定向运动任一物质， 只要存在电荷的自由粒子－－载流子（电子、空穴，正离子、 负离子），就可以在电场作用下产生导电电流金属中为电子 ，高分子和无机材料为电子或离子载流子为离子或空格点的 电导称为离子电导，载流子为电子和空穴电导称为本征电导 • B 迁移率 物理意义为载流子在单位电场中的迁移速 率μ=σ/nq • 6.3.1.3 影响电导率的因素 • A 影响离子电导率的因素： （1）温度 随着温度的升高，离子电导按指数规律增 加在低温下，杂质电导占主要地位这是由于杂 质活化能比基本点阵的活化能小许多的缘故热运 动能量的增高，使本征电导起主要作用 （2）晶体结构 离子电导率随活化能按指数规律变化 ，而活化能反映离子的固定程度，它与晶体结构有 关 （3）晶格缺陷 具有离子电导的固体物质称为固体电 解质离子晶体成为固体电解质必须具备两个条件 ：电子载流子的浓度小；离子晶格缺陷浓度大并参 与电导离子性晶格缺陷的生成及其浓度的大小是 决定离子电导的关键 • B 影响电子电导率的因素： （1）温度 低温区为杂质电导，高温阶段为本征电导 ，中间出现饱和区，此时杂质全部电离解完，载流 子浓度与温度无关。

金属中∝T-1，半导体和绝缘体 的电导率随温度变化以指数函数增大 （2）杂质与缺陷的影响 杂质对半导体的影响是由于 杂质离子引起了新局部能级价控半导体的掺杂（ 离子半径相近，固定的化合价，具有较高的离子化 势能） 阳离子空位是一个负电中心，能束缚空穴电子跃 迁到导带，形成导电的空穴吸收一定的能量对应 一定波长的可见光能量，从而使晶体具有某种特殊 的颜色俘获了空穴的阳离子空位（负电中心）叫 做V-心，也称色心 阴离子空位？F-心，也称色心 ZnO？ 杂质 声子 6.3.2 材料的结构与导电性 • 6.3.2.1 材料的电子结构与导电性 • A 导体的能带 固体理论指出 1）在无外电场时，无论绝缘体 、半导体或导体都无电流；2）在外场作用下，不满带导电 而满带不导电 • B 绝缘体的能带 惰性气体的原子中各能级原来都是满的，结 合成晶体时能带也为电子所填满，固为绝缘体离子晶体各 外层电子均被填满，能带本来系有两个能量相差较大的能级 分裂而来，禁带宽度较大，因而是典型的绝缘体 • 在满带与导带之间存在一个较大的禁带，约大于6.408×10－ 19J（4eV），禁带越宽，绝缘性越好 • 无机绝缘体对温度的稳定性好。

有机绝缘体随温度升高发生 裂解，因游离出碳而使绝缘体变性 C 半导体的能带 导电性能介于绝缘体与导体之间的物质称为 半导体升高温度或掺入杂质，都可改变其电阻，可广泛用 于晶体管、二极管，镇流器、太阳能电池等方面 （1）本征半导体 半导体的禁带宽度较小，约在1.602X10- 19(1.0 eV)附近例如室温下硅为1.794X10-19J(1.10 eV)固 在室温下晶体中原子的振动就可使少量电子受到热激发，从 满带跃迁到导带，即在导带底部附近存在有少量的电子，从 而在外电场下显示一定的导电性 空穴的概念 半导体的一个电子从价带激发到导带上，便产生两个载流子 ，即形成空穴-电子对，这是与金属导电的最大区别 • （2）杂质半导体 半导体的电阻对晶体中的杂质很敏感，大 多数半导体的性质与杂质的种类和含量有关 n型半导体Si、Ge中掺入少量的P、Sb、Bi或As p型半导体 Si、Ge中掺入少量的B、或Al因缺少一个 电子，以少许的能量就可使电子从价带跃迁到掺杂能级上， 相应地在价带形成一定数量的空穴，这些空穴可看成是参与 导电的带有正电的载流子 • 6.3.2.2 材料的电子结构与光导性 不仅热运动可使材料产生电子-空穴对，当光照射材料时，同 样可使满带中的电子获得足够的能量激发到导带从而产生电 子-空穴对，自由电子和自由空穴的变化导致电阻率的变化， 这种由光照而使满带中的电子激发到导带的现象称为光电导 效应。

光电导的实质是对电子电导作贡献的载流子浓度受光 激发而增大的现象 A. 分子受激过程与能量交换 E＝Ej-Ei=h 当吸收光子的能量大于能带禁隙（能隙）时，电子从价带进 入导带直接产生一个电子空穴对，呈带-带转变但通常电子 -空穴对保持一种松散结合状态，或者说，它们作为一个整体 在结构内部运动，犹似氢原子中电子在绕质子运动这种电 子-空穴对在无机共价化合物中取名Wannier激子有机晶体 分子中叫Frankel激子 Conduction band Valence band 3.2eV Light 385nm e h+Reactants Oxidation Products Reactants Reduction Products B. 光生载流子机理 当吸收吸收光量子，获得足够能量激发电子到导带，光生载流子 可用图来概括 当光量子足以克服材料的能带带隙时，电子从价带直接激发到导 带，这是直接带－带转变（机理A），或叫本征光生载流子过程 为完成直接带－带转变需要较高的光量子，本征光生载流子通 常发生在真空紫外区 在机理B中，基态电子受激发到最低受激发态（单重态），属于 初级光吸收。

单重态激子只有在离解成独立的电子、空穴而达到 导电状态后才对光电流有贡献为此所需能量可从激子－表面相 互作用中而获得，同时存在单重－单重激子、单重－三重激子、 单重激子－光子、三重激子－光子以及双光子等相互作用提供能 量的过程 电子受激进入单重态的过程形成吸收光谱可以推论，那些光电 导谱与吸收谱十分接近的光导体中的光生载流子归属这种机理 C. 光学退陷阱过程 经光辐照，从陷阱态（包括杂质或物理陷阱等）激发被俘获载流 子到达导带是俘获电荷的光学退陷阱过程（机理C） D 通过光诱导，电子可能从金属电极的费米级注射进入聚合物导带 （光注射电子），或者从聚合物基态注射到电极费米级（光注射 空穴），即是图中的D机理 光诱导效应通常用初级量子产率作判断，即每吸收一个光量子 形成自由电子－空穴对数目分子晶体中载流子发生过程与受激 态活化过程同时存在并相互竞争，其结果是量子产率总是偏离极 限值1 6.3.3 材料的半导体性 半导体分为本征半导体和杂质半导体两类，在实用上，大多数 为杂质半导体杂质半导体借助杂质来控制其电学性能本 征半导体是在外界能量作用下其电子从满带激发到导带从而 具有半导体性质 对于本征半导体孔穴迁移率Vh总比电子迁移率Ve低。

与载流子 密度随温度的变化相比，迁移率的变化不大 电导率与温度T的关系为： ln = C-（Eg/2kT）k=8.62*10-5eV/K （与金属的情况相反）热敏电阻或热敏元件  施主(电子型导电，n型半导体)和受主(空穴型导电，p型半导 体) 1 正常导体的电阻率： 2 超导：低温下的奇迹 1911年荷兰物理学家昂尼斯（ H.K.Onnes 1853—1926）发现，汞在 Tc = 4.2K 时，其电阻率ρ→0，汞的这 种现象称为“超导现象” Tc 称为“转变温度” 6.3.4 材料的超导电性 • 实验证实：昂尼斯和他的学生用固态的水银做成 环路，并使磁铁穿过环路使其中产生感应电流 当水银环路处于4K之下的低温时，即使磁铁停止 了运动，感应电流却仍然存在他们坚持定期测 量，经过一年的观察他们得出结论，只要水银环 路的温度低于4K，电流会长期存在，并且没有强 度变弱的任何迹象 • 接着昂尼斯又对多种金属、合金、化合物材料进 行低温下的实验，发现它们中的许多都具有在低 温下电阻消失、感应电流长期存在的现象由于 在通常条件下导体都有电阻，昂尼斯就称这种低 温下失去电阻的现象为超导在取得一系列成功 的实验之后，昂尼斯立即正式公布这一发现，并 且很快引起科学界的高度重视，昂尼斯也因此荣 获1913年诺贝尔物理学奖。

二 超导体的主要特性 1 零电阻率： 将超导体冷却到某一临界温度 （TC）以下时电阻突然降为零 的现象称为超导体的零电阻现 象不同超导体的临界温度各 不相同例如，汞的临界温度 为4.15K（K为绝对温度，0K 相当于零下273℃），而高温 超导体YBCO的临界温度为 94K 超导体中回路内的电流将长久 地维持下去，几乎没有能量的 损耗导体内任意两点间没有 电势差，整个超导体是一个等 势体 2 完全抗磁性： • 当超导体冷却到临界温 度以下而转变为超导态后，只要周围 的外加磁场没有强到 破坏超导性的程度，超导体就会把穿透 到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感 应强度为零超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应“ • 迈斯纳效应的发现使人们认识到超导体的行 为并不是不可逆的在此之后人们才比较全 面地了解了超导体的基本性质迈斯纳效应 与零电阻现象是超导体的两个基本特性，它 们既互相独立，又密切联系 3 通量量子化 三 超导态的临界参数 1 临界温度（TC）--超导体必须冷却 至某一临界温度以下才能保持其 超导性 2 临界电流密度（JC）--通过超导体 的电流密度必须小于某一临界电 流密度才能保持超导体的超导性 。

3 临界磁场（HC）--施加给超导体的 磁场必须小于某一临界磁场才能 保持超导体的超导性 以上三个参数彼此关联，其相互 关系如右图所示 YxBa1-xCuO3 ABO3结构 四 超导体的分类 • 目前已查明在常压下具有超导电性的元素 金属有32种（如右图元素周期表中青色方 框所示），而在高压下或制成薄膜状时具 有超导电性的元素金属有14种（如右图元 素周期表中绿色方框所示） 1 第Ⅰ类超导体 • 第Ⅰ类超导体主要包括一些在常温下具有良好导 电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等 ， 该类超导体的熔点较低、质地较软，亦被称作软 超导体”其特征是由正常态过渡到超导态时没有 中间态，并且具有完全抗磁性第Ⅰ类超导体由 于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很 好的实用价值 3 第Ⅱ类超导体 • 除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括 金属化合物及其合金 • 第Ⅱ类超导体和第Ⅰ类超导体的区别主要在于： ■ 第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间 态（混合态）； ■ 第Ⅱ类超导体的混合态中有磁通线存在，而第Ⅰ 类超导体没有； ■ 第Ⅱ类超导体比第Ⅰ类超导体有更高的临界磁场 、更大的临界电流密度和更高的临界温度。

理想第Ⅱ类超导体：晶体结构比较完整，不 存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列 时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消， 其体内无电流通。