材料物理性能測(cè)試技術(shù)講課-電學(xué)特性剖析

1、辦公室：辦公室：10號(hào)樓號(hào)樓402室室TEL：績(jī)主要包括三個(gè)部分：成績(jī)主要包括三個(gè)部分： 課堂出勤及討論課堂出勤及討論 10% 課后大作業(yè)及課堂論文等課后大作業(yè)及課堂論文等 20% 期末考試期末考試 70% 陳凌川，陳樹川，材料物理性能，上海交通陳凌川，陳樹川，材料物理性能，上海交通大學(xué)出版社，大學(xué)出版社，1999 田蒔，材料物理性能，北京航空航天大學(xué)出田蒔，材料物理性能，北京航空航天大學(xué)出版社，版社，2001 耿桂宏，材料物理與性能學(xué)，北京大學(xué)出版耿桂宏，材料物理與性能學(xué)，北京大學(xué)出版社，社，2010 馬如璋，材料物理性能近代分析方法，冶金馬如璋，材料物理性能近代分

2、析方法，冶金工業(yè)出版社，工業(yè)出版社，1997材料（材料（material）：材料是人類用于制造物品、）：材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)分類：金屬材料，無機(jī)非金屬材料，高分分類：金屬材料，無機(jī)非金屬材料，高分 子材料子材料 結(jié)構(gòu)材料與功能材料結(jié)構(gòu)材料與功能材料現(xiàn)代材料發(fā)展的特點(diǎn)現(xiàn)代材料發(fā)展的特點(diǎn)：明顯地超出了傳統(tǒng)組成和工藝范圍；明顯地超出了傳統(tǒng)組成和工藝范圍；創(chuàng)造出具有各種性能的新材料；創(chuàng)造出具有各種性能的新材料；在現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)上獲得廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)上獲得廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代材料科學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容：現(xiàn)代材料科學(xué)的

3、重要研究?jī)?nèi)容：在在嚴(yán)格控制材料組成和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，深入了解和研究各嚴(yán)格控制材料組成和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，深入了解和研究各項(xiàng)物理化學(xué)性能。也是發(fā)展材料的主要途徑項(xiàng)物理化學(xué)性能。也是發(fā)展材料的主要途徑。工程學(xué)看材料：工程學(xué)看材料：首先注意材料的物性，然后考慮它與外界條件相互作用出首先注意材料的物性，然后考慮它與外界條件相互作用出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，最后聯(lián)系到用途，作為制品出售。現(xiàn)的各種現(xiàn)象，最后聯(lián)系到用途，作為制品出售。 材料與物性、現(xiàn)象、用途間的關(guān)系：材料與物性、現(xiàn)象、用途間的關(guān)系：具體化具體化現(xiàn)象現(xiàn)象經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性材料材料作用作用改善改善原料工原料工藝藝條件條件物性物性用途用途以材料為中心，以材料為中心，從

4、物性從物性 現(xiàn)象現(xiàn)象 用途周轉(zhuǎn)循環(huán)，用途周轉(zhuǎn)循環(huán)，巧妙地應(yīng)用此表巧妙地應(yīng)用此表征方法能容易做征方法能容易做到逐步地改進(jìn)材到逐步地改進(jìn)材料，不斷創(chuàng)造出料，不斷創(chuàng)造出性能更好、更穩(wěn)性能更好、更穩(wěn)定的制品。定的制品。性能本質(zhì)：性能本質(zhì)：感應(yīng)物理量與作用物理量呈一定的關(guān)系，感應(yīng)物理量與作用物理量呈一定的關(guān)系，其中有一與材料本質(zhì)有關(guān)的常數(shù)其中有一與材料本質(zhì)有關(guān)的常數(shù)材料的性能材料的性能。 四、材料設(shè)計(jì)的工作思路四、材料設(shè)計(jì)的工作思路改變結(jié)構(gòu)改變結(jié)構(gòu)制備制備觀測(cè)觀測(cè)測(cè)試測(cè)試 實(shí)際使用實(shí)際使用微觀組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)微觀組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備方法設(shè)計(jì)制備方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原料原料材料試樣材料試樣組織

5、結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) 特性特性可否可否評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)要在科研工作中有所作為，真正做出要在科研工作中有所作為，真正做出點(diǎn)有價(jià)值的研究成果，要做到三個(gè)點(diǎn)有價(jià)值的研究成果，要做到三個(gè)“善于善于”：要要善于善于發(fā)現(xiàn)和提出問題。尤其是要提發(fā)現(xiàn)和提出問題。尤其是要提出在科學(xué)研究上有意義的問題。出在科學(xué)研究上有意義的問題。善于善于提出模型或方法去解決問題。提出模型或方法去解決問題。善于善于做出最重要、最有意義的結(jié)論。做出最重要、最有意義的結(jié)論。 黃昆黃昆材料按電性能分類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體材料按電性能分類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體金屬材料的電學(xué)性能的表征量及其影響因素金屬材料的電學(xué)性能的表征量及其影響因素金屬導(dǎo)電性的物理機(jī)

6、制及其認(rèn)識(shí)過程金屬導(dǎo)電性的物理機(jī)制及其認(rèn)識(shí)過程金屬材料的電學(xué)性能影響因素金屬材料的電學(xué)性能影響因素材料電學(xué)性能的測(cè)試技術(shù)材料電學(xué)性能的測(cè)試技術(shù) 第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)載流子電子、空穴正離子、負(fù)離子、空位Txxt某種載流子輸運(yùn)電荷的電導(dǎo)率各載流子輸運(yùn)電荷的總電導(dǎo)率某一種載流子輸運(yùn)電荷占全部電導(dǎo)率的分?jǐn)?shù)ti+、ti-、te-、th+離子遷移數(shù) ti0.99的導(dǎo)體為離子導(dǎo)體； ti0.99的導(dǎo)體為混合導(dǎo)體。一、電阻率和電導(dǎo)率l長(zhǎng)L，橫截面S的均勻?qū)щ婓w，兩端加電壓V,在這樣一個(gè)形狀規(guī)則的均勻材料，電流是均勻的， 歐姆定律：U=RI R表示導(dǎo)體的電阻，不僅與

7、導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)，還與其長(zhǎng)度l及截面積S有關(guān)，其值RL/S，式中 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m, cm, cm。EJ第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)這樣一個(gè)形狀規(guī)則的均勻材料，電流是均勻的，電流密度J在各處是一樣的，總電流強(qiáng)度 I=S J同樣 電場(chǎng)強(qiáng)度也是均勻的LEV RVI RLESJ EESRLJ1EJ電流密度定義：電流密度定義：dsdtdQj Ej電流密度矢量：電流密度矢量：歐姆定律的微分形式反映材料中歐姆定律的微分形式反映材料中電流與電場(chǎng)的逐點(diǎn)

8、對(duì)應(yīng)關(guān)系電流與電場(chǎng)的逐點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系,說明導(dǎo)體中某點(diǎn)的電流密度正比于該點(diǎn)的電場(chǎng)，比例系數(shù)為電導(dǎo)率EjEdsdtnevdtdsEdsdtdQEj11neEvnevvdtdsEv/載流子在單位電場(chǎng)作用下的遷移速率載流子在單位電場(chǎng)作用下的遷移速率遷移率：遷移率：電子：電子：)/(14. 02Vsme空穴：空穴：)/(05. 02VsmhSi 單晶單晶電導(dǎo)率的微電導(dǎo)率的微觀表達(dá)式：觀表達(dá)式：歐姆定律的微分形式反映材料中歐姆定律的微分形式反映材料中電流與電場(chǎng)的逐點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系電流與電場(chǎng)的逐點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系電導(dǎo)率與電阻率的關(guān)系？電導(dǎo)率與電阻率的關(guān)系？ 與材料本質(zhì)密切相關(guān)，是表征材料導(dǎo)電性與材料本質(zhì)密切相關(guān)，是表征材料導(dǎo)

9、電性能的重要參數(shù)，電阻率的單位是能的重要參數(shù)，電阻率的單位是m 第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù) 電導(dǎo)率與我們通常用來表征材料電性能的電阻率電導(dǎo)率與我們通常用來表征材料電性能的電阻率有著直接的關(guān)系有著直接的關(guān)系 1 1S/m=1 -1 m-1 把國際標(biāo)準(zhǔn)軟黃銅（在室溫把國際標(biāo)準(zhǔn)軟黃銅（在室溫20下電阻率下電阻率 0.01724mm2/m）的電導(dǎo)率作為）的電導(dǎo)率作為100%，其他，其他導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與之相比的百分?jǐn)?shù)即為該導(dǎo)導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與之相比的百分?jǐn)?shù)即為該導(dǎo)體材料的相對(duì)電導(dǎo)率體材料的相對(duì)電導(dǎo)率相對(duì)電導(dǎo)率IACS%= / Cu%第一章第一章 材料的電學(xué)性能及

10、其測(cè)試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)導(dǎo)體： 108 cm；半導(dǎo)體： 值介于10-3108 cm之間。金屬的導(dǎo)電性：金屬的導(dǎo)電性：幾乎不隨電壓變化幾乎不隨電壓變化恒定恒定半導(dǎo)體的導(dǎo)電性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電性：隨電壓明顯變化隨電壓明顯變化)(V伏安特性曲線為直線伏安特性曲線為直線伏安特性曲線為曲線伏安特性曲線為曲線 材料物理性能與材料的材料物理性能與材料的晶體結(jié)構(gòu)、原子間的鍵合、電子晶體結(jié)構(gòu)、原子間的鍵合、電子能量狀態(tài)能量狀態(tài)方式有密切的關(guān)系。由于固體中原子、分子、離子方式有密切的關(guān)系。由于固體中原子、分子、離子的排列方式不同，因此固體材料的的排列方式不同，因此固體材料的電子結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)電子結(jié)構(gòu)和能量

11、狀態(tài)呈現(xiàn)呈現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)材料的電學(xué)將產(chǎn)生很大影響不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)材料的電學(xué)將產(chǎn)生很大影響電子類載流子導(dǎo)電金屬導(dǎo)電性主要以電子、空穴作為載流子導(dǎo)電的材料，可以是金屬或半導(dǎo)體離子類載流子導(dǎo)電固體電解質(zhì)主要以帶電荷的離子作為載流子導(dǎo)電的材料，主要是固體電解質(zhì)，分為本征導(dǎo)電和雜質(zhì)導(dǎo)電n金屬導(dǎo)電性的物理本質(zhì)研究的三個(gè)理論階段金屬導(dǎo)電性的物理本質(zhì)研究的三個(gè)理論階段 經(jīng)典自由電子論1900年特魯?shù)?洛倫茲 第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)經(jīng)典自由電子理論經(jīng)典自由電子理論：假設(shè)所有自由電子都對(duì)金屬：假設(shè)所有自由電子都對(duì)金屬電導(dǎo)率作出貢獻(xiàn)電導(dǎo)率作出貢獻(xiàn) vmlne22主

12、要以電子、空穴作為載流子導(dǎo)電的材料，可以是金屬或半導(dǎo)體經(jīng)典自由電子理論（量子理論發(fā)展前）經(jīng)典自由電子理論（量子理論發(fā)展前）正離子構(gòu)成了晶體經(jīng)典，形成一個(gè)均勻的電場(chǎng)價(jià)電子是完全自由的，稱為自由電子，彌散分布于整個(gè)點(diǎn)陣之中，具有相同的能量，稱為“電子氣”自由電子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律遵循經(jīng)典力學(xué)氣體分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律f=qE=ma 沒有外電場(chǎng)作用：金屬中的自由電子沿各方向運(yùn)動(dòng)幾率相同，不產(chǎn)生電流 施加外電場(chǎng)后：自由電子受電場(chǎng)作用，獲得附加速度，沿外電場(chǎng)方向發(fā)生定向移動(dòng)，形成電流 電阻的產(chǎn)生：自由電子在定向移動(dòng)過程中不斷與正離子點(diǎn)陣發(fā)生碰撞，使電子移動(dòng)受阻，產(chǎn)生電阻。量子自由電子理論：量子自由電子理論：只有在費(fèi)米面附

13、近能級(jí)的電只有在費(fèi)米面附近能級(jí)的電子才能對(duì)導(dǎo)電作出貢獻(xiàn)，因而，利用能帶理論才子才能對(duì)導(dǎo)電作出貢獻(xiàn)，因而，利用能帶理論才嚴(yán)格導(dǎo)出電導(dǎo)率的表達(dá)式嚴(yán)格導(dǎo)出電導(dǎo)率的表達(dá)式 FFefvmlen*2式中的變化有二點(diǎn)：式中的變化有二點(diǎn)： nnef表示單位體積內(nèi)實(shí)際參加傳導(dǎo)過程的電子數(shù)；表示單位體積內(nèi)實(shí)際參加傳導(dǎo)過程的電子數(shù)； mm*，m*為電子的有效質(zhì)量，為電子的有效質(zhì)量， 考慮晶體點(diǎn)陣對(duì)電場(chǎng)作用的結(jié)果。考慮晶體點(diǎn)陣對(duì)電場(chǎng)作用的結(jié)果。 第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)量子力學(xué)可以證明，當(dāng)電子波在絕對(duì)零度下通過量子力學(xué)可以證明，當(dāng)電子波在絕對(duì)零度下通過一個(gè)完整的晶體點(diǎn)陣時(shí)，將

14、不受到散射而無阻礙一個(gè)完整的晶體點(diǎn)陣時(shí)，將不受到散射而無阻礙的傳播，這時(shí)電阻率的傳播，這時(shí)電阻率0。第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)電子在理想晶體運(yùn)動(dòng)時(shí)不受晶格散射，電場(chǎng)的電子在理想晶體運(yùn)動(dòng)時(shí)不受晶格散射，電場(chǎng)的作用下自由電子作勻加速運(yùn)動(dòng)、電流不斷增大作用下自由電子作勻加速運(yùn)動(dòng)、電流不斷增大量子理論：量子理論：理想晶體：理想晶體：實(shí)際晶體：實(shí)際晶體： 施加一定的電場(chǎng)于導(dǎo)體后，電流迅速達(dá)到平衡值。施加一定的電場(chǎng)于導(dǎo)體后，電流迅速達(dá)到平衡值。而只有在晶體點(diǎn)陣的完整性遭到破壞的地方電子而只有在晶體點(diǎn)陣的完整性遭到破壞的地方電子波才受到散射，因而產(chǎn)生電阻。波才受到散射

15、，因而產(chǎn)生電阻。由溫度引起的點(diǎn)陣離子的振動(dòng)由溫度引起的點(diǎn)陣離子的振動(dòng)晶體中異類原子、點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的存在晶體中異類原子、點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的存在使理想晶體的點(diǎn)陣周期性遭到破壞，電子波在這使理想晶體的點(diǎn)陣周期性遭到破壞，電子波在這些地方發(fā)生散射而產(chǎn)生附加電阻，降低導(dǎo)電性。些地方發(fā)生散射而產(chǎn)生附加電阻，降低導(dǎo)電性。 實(shí)際晶體：實(shí)際晶體： 施加一定的電場(chǎng)于導(dǎo)體后，電流迅速達(dá)到平衡值。施加一定的電場(chǎng)于導(dǎo)體后，電流迅速達(dá)到平衡值。原因原因: 實(shí)際晶體中存在實(shí)際晶體中存在缺陷缺陷缺陷使電子運(yùn)動(dòng)受到散射，電場(chǎng)作用下缺陷使電子運(yùn)動(dòng)受到散射，電場(chǎng)作用下金屬中電子的運(yùn)動(dòng)軌跡為復(fù)雜的曲折線金屬中電子的運(yùn)動(dòng)軌跡為復(fù)雜的曲折線

16、遷移遷移（如同容器中氣體分子的運(yùn)動(dòng)）（如同容器中氣體分子的運(yùn)動(dòng)）遷移率：遷移率：反映晶體缺陷對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)的散射程度反映晶體缺陷對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)的散射程度neEv/載流子受晶體缺陷散射的頻率、強(qiáng)載流子受晶體缺陷散射的頻率、強(qiáng)度越高，遷移率越低、電阻率越高度越高，遷移率越低、電阻率越高導(dǎo)電材料：導(dǎo)電材料：應(yīng)有良好的導(dǎo)電性、力學(xué)及熱學(xué)性能應(yīng)有良好的導(dǎo)電性、力學(xué)及熱學(xué)性能Ag：導(dǎo)電性最好，但力學(xué)性能差、價(jià)格貴導(dǎo)電性最好，但力學(xué)性能差、價(jià)格貴Cu：導(dǎo)電性好，應(yīng)用最廣泛導(dǎo)電性好，應(yīng)用最廣泛Al：導(dǎo)電性較好、價(jià)格低廉，常用的導(dǎo)電材料導(dǎo)電性較好、價(jià)格低廉，常用的導(dǎo)電材料 在晶體點(diǎn)陣完整性遭到破壞的地方，電子才受到

17、散射，形成金屬的電阻。 可定義為散射系數(shù)，記為 因此電阻率為 與溫度成正比； 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；1/Fl*2Fefm vn e 散射系數(shù)可分成兩部分：因此，電阻率記為此即為Matthiessen定律。 基本電阻； 金屬剩余電阻。 根據(jù)Matthiessen定律可以測(cè)定金屬晶體的純度電學(xué)純度。指標(biāo)為：T*22FFTTefefm vm vnene 3004.2/KK理想金屬理想金屬的電阻對(duì)應(yīng)著兩種散射機(jī)制（聲子散射的電阻對(duì)應(yīng)著兩種散射機(jī)制（聲子散射和電子散射），可以看成為基本電阻。這個(gè)電阻和電子散射），可以看成為基本電阻。這個(gè)電阻在絕對(duì)零度時(shí)降為零。在絕對(duì)零度時(shí)降為

18、零。實(shí)際金屬實(shí)際金屬與理想金屬相比，不僅存在合金元素和與理想金屬相比，不僅存在合金元素和雜質(zhì)元素，而且還存在晶體缺陷。雜質(zhì)元素，而且還存在晶體缺陷。 因此，與理想金屬相比，實(shí)際金屬中還存在第三因此，與理想金屬相比，實(shí)際金屬中還存在第三種機(jī)制（電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射），在有缺種機(jī)制（電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射），在有缺陷的晶體中可以觀察到，是絕對(duì)零度下金屬殘余陷的晶體中可以觀察到，是絕對(duì)零度下金屬殘余電阻的實(shí)質(zhì)，這個(gè)電阻表示了金屬的純度和完整電阻的實(shí)質(zhì)，這個(gè)電阻表示了金屬的純度和完整性。性。 第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技

19、術(shù)材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)殘)(Tii第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測(cè)試技術(shù)化學(xué)缺陷為偶然存在的雜質(zhì)原子以及化學(xué)缺陷為偶然存在的雜質(zhì)原子以及人工加入的合金元素原子人工加入的合金元素原子 物理缺陷系指空位、間物理缺陷系指空位、間隙原子、位錯(cuò)以及它們隙原子、位錯(cuò)以及它們的復(fù)合體的復(fù)合體 原子序數(shù)原子序數(shù) 溫度對(duì)金屬電阻率的影響規(guī)律溫度對(duì)金屬電阻率的影響規(guī)律 壓力對(duì)材料電阻的影響壓力對(duì)材料電阻的影響 冷加工及退火對(duì)電阻率的影響冷加工及退火對(duì)電阻率的影響電阻的尺寸效應(yīng)電阻的尺寸效應(yīng))1 (0Tt 式中：式中： 為電阻溫度系數(shù)。為電阻溫度系數(shù)。 一般在溫度高于室溫情況下，一

20、般在溫度高于室溫情況下， 上式對(duì)于大多數(shù)金屬是適用的上式對(duì)于大多數(shù)金屬是適用的 )1(00CTt)1(1CdTdtt除過渡族金屬外、所有純金屬：除過渡族金屬外、所有純金屬：Co/1043 理論可以證明，對(duì)于無缺陷理論可以證明，對(duì)于無缺陷的理想晶體的電阻是溫度的的理想晶體的電阻是溫度的單值函數(shù)，如圖中的曲線單值函數(shù)，如圖中的曲線1所所示。示。 如果在晶體中存在少量的雜如果在晶體中存在少量的雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，那末電阻與質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，那末電阻與溫度的關(guān)系曲線將發(fā)生變化，溫度的關(guān)系曲線將發(fā)生變化，如圖中曲線如圖中曲線2和和3所示。所示。 低溫下微觀機(jī)制對(duì)電阻的貢低溫下微觀機(jī)制對(duì)電阻的貢獻(xiàn)主要由馬基申定則

21、中的獻(xiàn)主要由馬基申定則中的 殘殘決定，缺陷的數(shù)量和類型決決定，缺陷的數(shù)量和類型決定了與缺陷有關(guān)的電阻，也定了與缺陷有關(guān)的電阻，也決定了圖上曲線的位置。決定了圖上曲線的位置。雜質(zhì)和晶體缺陷對(duì)金屬低溫比電阻的影響 1完美晶體2雜質(zhì)元素3晶體缺陷 金屬的電阻率隨溫度升高而金屬的電阻率隨溫度升高而增大。增大。 在不同溫度區(qū)間，電子散射在不同溫度區(qū)間，電子散射的機(jī)制不同，因此電阻與溫的機(jī)制不同，因此電阻與溫度的關(guān)系不同度的關(guān)系不同 在低溫下在低溫下，“電子電子電子電子”散射對(duì)電阻的貢獻(xiàn)較為顯著散射對(duì)電阻的貢獻(xiàn)較為顯著 所有溫度條件下所有溫度條件下，大多數(shù)金，大多數(shù)金屬的電阻都取決于屬的電阻都取決于“電子

22、電子聲子聲子”散射散射雜質(zhì)和晶體缺陷對(duì)金屬低溫比電阻的影響 1完美晶體2雜質(zhì)元素3晶體缺陷 在流體靜壓壓縮時(shí)，大多數(shù)金屬的電阻率會(huì)下降 在流體靜壓力壓縮時(shí)，金屬原子間距縮小，內(nèi)部缺陷形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)、費(fèi)密能和能帶結(jié)構(gòu)都將發(fā)生變化，因而影響金屬的導(dǎo)電性能 在流體靜壓下金屬的電阻率可用下式計(jì)算)1 (0PP 0表示在真空條件下的電阻率表示在真空條件下的電阻率P表示壓力表示壓力 是壓力系數(shù)（一般為負(fù)值，大約為是壓力系數(shù)（一般為負(fù)值，大約為10-510-6） 根據(jù)壓力對(duì)電阻的影響，根據(jù)壓力對(duì)電阻的影響，可以把金屬元素分為正?？梢园呀饘僭胤譃檎Ｔ睾头闯Ｔ?。元素和反常元素。 所謂所謂正常元素正常元素

23、，是指隨著，是指隨著壓力增大，金屬的電阻率壓力增大，金屬的電阻率下降，例如，下降，例如，F(xiàn)e，Co，Ni，Pd，Cu，Au，Ag，Hf，Zr，Ta等。反之則稱為等。反之則稱為反反常金屬常金屬，主要包括堿金屬，主要包括堿金屬，堿土金屬、稀土金屬和第堿土金屬、稀土金屬和第V族的半金屬。它們有正族的半金屬。它們有正的電阻壓力系數(shù)，且隨著的電阻壓力系數(shù)，且隨著壓力升高系數(shù)變號(hào)，即在壓力升高系數(shù)變號(hào)，即在 f（P）曲線上存在極大）曲線上存在極大值。值。MM表示與溫度相關(guān)的退火金屬的電阻率，是剩余電阻率。試驗(yàn)證明，與溫度無關(guān))1 (dLd為大塊樣品的電阻率為大塊樣品的電阻率 d為樣品厚度，為樣品厚度，L為

24、平均自由程為平均自由程 d為為薄樣品的電阻率薄樣品的電阻率電阻率電阻率 q電阻率的各向異性對(duì)稱性高的金屬的電阻表現(xiàn)為各向同性；對(duì)稱性差的晶體，其導(dǎo)電性表現(xiàn)為各向異性。0 0表示固溶體溶劑組元電阻率表示固溶體溶劑組元電阻率 為剩余電阻率，為剩余電阻率，C，C是雜質(zhì)原子含量，是雜質(zhì)原子含量，表示表示1原子雜質(zhì)原子雜質(zhì)引起的附加電阻率。引起的附加電阻率。 0 為偏離馬基申定律的值，它與溫度與為偏離馬基申定律的值，它與溫度與溶質(zhì)濃度有關(guān)。隨溶質(zhì)濃度增加，偏離溶質(zhì)濃度有關(guān)。隨溶質(zhì)濃度增加，偏離愈嚴(yán)重愈嚴(yán)重 。 2)( Zba有序轉(zhuǎn)變時(shí)，電阻率也發(fā)生變化：離子電導(dǎo)是帶電荷的離子載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)

25、。電荷載流子一定是材料中最易移動(dòng)的離子。離子型晶體可分為兩類：本征導(dǎo)電晶體點(diǎn)陣的基本離子，由于熱振動(dòng)而離開晶格，形成熱缺陷，在電場(chǎng)作用下成為載流子參加導(dǎo)電。（高溫時(shí)）雜質(zhì)導(dǎo)電參加導(dǎo)電的載流子結(jié)合力比較弱的離子，主要是雜質(zhì)低溫下雜質(zhì)導(dǎo)電表現(xiàn)顯著高溫下本征導(dǎo)電成為主導(dǎo)q離子電導(dǎo)理論離子導(dǎo)電性可以認(rèn)為是離子電荷載流子在電場(chǎng)作用下，通過材料的長(zhǎng)距離的遷移。因此，電荷載流子一定是材料中最易移動(dòng)的離子?？紤]離子在一維平行于x方向上移動(dòng)，那么越過能壘V的幾率P為：為與不可逆跳躍相關(guān)的適應(yīng)系數(shù) 為離子在勢(shì)阱中振動(dòng)頻率。當(dāng)加上電場(chǎng)后，沿電場(chǎng)方向位壘降低，而反電場(chǎng)方向位壘將提高。expkTVhkTP/kT h離子

26、的尺寸和質(zhì)量都比電子大很多，其運(yùn)動(dòng)方式是從一個(gè)平衡位置跳躍到另一平衡位置，因此，離子導(dǎo)電可以看成是離子在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散現(xiàn)象擴(kuò)散路徑通暢，離子擴(kuò)散系數(shù)高，導(dǎo)電率就高 能斯特愛因斯坦方程，建立了離子電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散系 數(shù)D之間的關(guān)系載流子濃度載流子濃度 對(duì)于固有電導(dǎo)（本征電導(dǎo)），載流子由晶體本身熱缺陷弗侖克爾缺陷和肖脫基缺陷提供。kTENNff2exp 單位體積內(nèi)離子結(jié)點(diǎn)數(shù) 形成一個(gè)弗侖克爾缺陷所需能量肖脫基空位濃度，在離子晶體中可表示為：NfEkTENNss2exp 單位體積內(nèi)離子對(duì)數(shù)目 離解一個(gè)陰離子和一個(gè)陽離子并到達(dá)表面所 需能量。NsEkTENNff2exp 離子導(dǎo)電的影響因素溫度的影響

27、溫度以指數(shù)形式影響其電導(dǎo)率。隨著溫度從低溫向高溫增加，其電阻率的對(duì)數(shù)的斜率出現(xiàn)拐點(diǎn)，將整個(gè)區(qū)間分為高溫區(qū)的本征導(dǎo)電，低溫區(qū)的雜質(zhì)導(dǎo)電拐點(diǎn)的存在不一定代表離子導(dǎo)電機(jī)制變化也有可能是載流子種類發(fā)生變化離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)的影響離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)離子導(dǎo)電的影響是通過改變導(dǎo)電激活能實(shí)現(xiàn)的熔點(diǎn)高的晶體，結(jié)合力大，相應(yīng)的導(dǎo)電激活能也高，電導(dǎo)率就低價(jià)數(shù)低，尺寸下，荷電少，價(jià)鍵強(qiáng)激活能低，遷移率高，電導(dǎo)率高 晶體結(jié)構(gòu)的影響是提供利于離子移動(dòng)的通路。間隙越大，離子易于移動(dòng)，激活能低離子導(dǎo)電的影響因素點(diǎn)缺陷的影響 由于熱激活，在晶體中產(chǎn)生Shottky缺陷或Frenkel缺陷，影響晶體中的擴(kuò)散系數(shù)，以至影響到固體

28、電解質(zhì)的電導(dǎo)率。此外，環(huán)境氣氛變化，使離子型晶體的正負(fù)離子化學(xué)計(jì)量比發(fā)生變化，而生成晶格缺陷。如ZrO2中，氧的脫離形成氧空位。離子導(dǎo)電的影響因素固體電子能帶結(jié)構(gòu)固體電子能帶結(jié)構(gòu)能量能量能帶能帶能帶能帶禁帶禁帶平衡間距平衡間距原子間距原子間距能級(jí)能級(jí)能級(jí)能級(jí)孤立原子孤立原子的能級(jí)的能級(jí)考察考察 N 個(gè)相同原個(gè)相同原子組成的固體子組成的固體 ：原子距離很大（無相互原子距離很大（無相互作用、孤立原子）時(shí)：作用、孤立原子）時(shí)：每個(gè)原子的能級(jí)構(gòu)造相同；每個(gè)原子的能級(jí)構(gòu)造相同；系統(tǒng)的能級(jí)相當(dāng)于系統(tǒng)的能級(jí)相當(dāng)于 N 度簡(jiǎn)度簡(jiǎn)并并的孤立原子能級(jí)的孤立原子能級(jí)。原子相互靠近結(jié)合成晶體原子相互靠近結(jié)合成晶體（原

29、子間有相互作用）（原子間有相互作用） ：電子除受自身原子的作用外，還受周圍原子勢(shì)場(chǎng)的作用，電子除受自身原子的作用外，還受周圍原子勢(shì)場(chǎng)的作用，系統(tǒng)的電子系統(tǒng)的電子能態(tài)結(jié)構(gòu)：能態(tài)結(jié)構(gòu)：N 度簡(jiǎn)并度簡(jiǎn)并的能級(jí)的能級(jí)N 個(gè)彼此相距很近的個(gè)彼此相距很近的能級(jí)，展寬為能級(jí)，展寬為能帶能帶固體電子能帶的形成固體電子能帶的形成能級(jí)分裂的原因：能級(jí)分裂的原因：電子波函數(shù)疊合、相互作用的結(jié)果電子波函數(shù)疊合、相互作用的結(jié)果能級(jí)分裂：能級(jí)分裂： 從價(jià)電子到內(nèi)層電子。從價(jià)電子到內(nèi)層電子。能量能量能帶能帶能帶能帶禁帶禁帶平衡間距平衡間距原子間距原子間距能級(jí)能級(jí)能級(jí)能級(jí)孤立原子孤立原子的能級(jí)的能級(jí)內(nèi)層能級(jí)只有原子非常接內(nèi)層

30、能級(jí)只有原子非常接近時(shí)才發(fā)生分裂，即使分近時(shí)才發(fā)生分裂，即使分成能帶、能帶也很窄成能帶、能帶也很窄固體電子能帶結(jié)構(gòu)：固體電子能帶結(jié)構(gòu)：原子間處于平衡間原子間處于平衡間距時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)距時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)固體在固體在 0 K 時(shí)時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)電子填充能帶的原則：電子填充能帶的原則：2、首先填充能量最小的狀態(tài)、首先填充能量最小的狀態(tài)1、泡利不相容原理：不能有兩個(gè)電子處于完全相同的量子態(tài)、泡利不相容原理：不能有兩個(gè)電子處于完全相同的量子態(tài)孤立原子的能量較高的空能級(jí)，原子結(jié)孤立原子的能量較高的空能級(jí)，原子結(jié)合成晶體、形成的能帶后仍是空著的合成晶體、形成的能帶后仍是空著的電子能帶結(jié)構(gòu)因電子能帶結(jié)構(gòu)因材料

31、不同而異材料不同而異（一）金屬的電子能帶結(jié)構(gòu)（一）金屬的電子能帶結(jié)構(gòu)Na 金屬電子能帶金屬電子能帶3s3p622221pss13s鈉原子的電子結(jié)構(gòu)：鈉原子的電子結(jié)構(gòu)：:221622pss滿電子能級(jí)滿電子能級(jí)鈉晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶鈉晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶與之相應(yīng)能帶是半滿帶與之相應(yīng)能帶是半滿帶:31sMg 金屬電子能帶金屬電子能帶3s3p622221pss23s鎂原子的電子結(jié)構(gòu)：鎂原子的電子結(jié)構(gòu)：622221pss滿電子能級(jí)滿電子能級(jí)鎂晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶鎂晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶與之相應(yīng)能帶是空帶與之相應(yīng)能帶是空帶:3p23sMg 金屬電子能帶金屬電子能帶3s3p鎂晶

32、體的鎂晶體的 3s 與與 3p 能帶存在交疊能帶存在交疊622221pss1233ps鋁原子的電子結(jié)構(gòu)：鋁原子的電子結(jié)構(gòu)：622221pss滿電子能級(jí)滿電子能級(jí)與之相應(yīng)能帶僅部分填充與之相應(yīng)能帶僅部分填充:31p23sAl 金屬電子能帶金屬電子能帶3p3s鋁晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶鋁晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶s3p3 能帶與能帶與 能帶存在交疊能帶存在交疊金屬的能帶結(jié)構(gòu)特征：金屬的能帶結(jié)構(gòu)特征：存在未滿的價(jià)帶或存在存在未滿的價(jià)帶或存在價(jià)帶和其上的空帶交疊價(jià)帶和其上的空帶交疊被價(jià)電子占據(jù)的被價(jià)電子占據(jù)的最高能最高能級(jí)級(jí)上存在許多空能級(jí)上存在許多空能級(jí)最高能級(jí)：最高能級(jí)：費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)(

33、Fermi level ), Ef極小的能量即可激發(fā)費(fèi)米能級(jí)極小的能量即可激發(fā)費(fèi)米能級(jí)附近的價(jià)電子成為自由電子附近的價(jià)電子成為自由電子金屬是良導(dǎo)體金屬是良導(dǎo)體 并非說有價(jià)電子都能參與導(dǎo)電、只有被激發(fā)到并非說有價(jià)電子都能參與導(dǎo)電、只有被激發(fā)到費(fèi)米能級(jí)以上的電子費(fèi)米能級(jí)以上的電子（自由電子）（自由電子）才能導(dǎo)電才能導(dǎo)電金屬中自由電子的數(shù)密度：金屬中自由電子的數(shù)密度：322/10m（二）半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)（二）半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)禁帶禁帶禁帶禁帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶ECEVEg絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)特征：能帶結(jié)構(gòu)特征：被電子填滿的價(jià)帶與未被電子被電子填滿的價(jià)帶與未被電

34、子填充的空帶（導(dǎo)帶）間沒有交填充的空帶（導(dǎo)帶）間沒有交疊，疊，價(jià)帶和導(dǎo)帶間被禁帶隔開價(jià)帶和導(dǎo)帶間被禁帶隔開禁帶寬度：禁帶寬度：VCgEEE絕緣體的禁帶寬度：絕緣體的禁帶寬度：eVEg105常溫下價(jià)電子幾乎常溫下價(jià)電子幾乎不能被激發(fā)到導(dǎo)帶不能被激發(fā)到導(dǎo)帶價(jià)帶電子必須獲得價(jià)帶電子必須獲得 ，才能從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶、參與導(dǎo)電，才能從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶、參與導(dǎo)電gEE 激發(fā)前激發(fā)前激發(fā)后激發(fā)后絕緣體絕緣體不導(dǎo)電不導(dǎo)電半導(dǎo)體的禁帶寬度：半導(dǎo)體的禁帶寬度：eVEg32 . 0常溫下具有一定的導(dǎo)帶性常溫下具有一定的導(dǎo)帶性31916/1010mn 導(dǎo)帶中電導(dǎo)帶中電子數(shù)密度子數(shù)密度晶體能帶與原子能級(jí)不一定有一一對(duì)

35、應(yīng)關(guān)系晶體能帶與原子能級(jí)不一定有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系Si 單晶：?jiǎn)尉В?sps3p3雜化雜化分裂成兩個(gè)各包含分裂成兩個(gè)各包含 2N 個(gè)能級(jí)的能帶：個(gè)能級(jí)的能帶：價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶4N 個(gè)價(jià)電子恰好填滿價(jià)帶，導(dǎo)帶全空個(gè)價(jià)電子恰好填滿價(jià)帶，導(dǎo)帶全空金屬（a、b、c）和絕緣體（d）的能帶特征 kTEe/ E為一個(gè)電子越過禁帶所需要的能量為一個(gè)電子越過禁帶所需要的能量 金屬（a、b、c）和絕緣體（d）的能帶特征 金屬（a、b、c）和絕緣體（d）的能帶特征 本征半導(dǎo)體的載流子本征半導(dǎo)體的載流子 四族四族元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體和和化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體（一）本征半導(dǎo)體（一）本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：沒有雜質(zhì)

36、和缺陷、理想半導(dǎo)體沒有雜質(zhì)和缺陷、理想半導(dǎo)體禁帶禁帶價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶ECEV本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體gE能帶特征：能帶特征：價(jià)帶全滿、導(dǎo)帶全空、禁帶中無能級(jí)價(jià)帶全滿、導(dǎo)帶全空、禁帶中無能級(jí)eVEg32 . 0分類：分類：四族元素半導(dǎo)體：四族元素半導(dǎo)體：:SieVEg1 . 1:GeeVEg7 . 0化合物半導(dǎo)體：化合物半導(dǎo)體：IV-IV 族：族：III-V 族：族：SiC,GaAsInSb（銻化銦）（銻化銦）II-VI 族：族：CdSZnTe（硫化鎘），（硫化鎘），（碲化鋅）（碲化鋅）寬禁帶、大功率半導(dǎo)體材料寬禁帶、大功率半導(dǎo)體材料CoeVcmV /CcmWo/610361036105 . 251

37、03SiC與與Si的物性比較的物性比較本征本征Si 原子鍵合與導(dǎo)電機(jī)制：原子鍵合與導(dǎo)電機(jī)制：電場(chǎng)電場(chǎng)Si每當(dāng)一個(gè)電子從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶，每當(dāng)一個(gè)電子從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶，便在價(jià)帶中留下一個(gè)便在價(jià)帶中留下一個(gè)電子空位，電子空位， 空穴空穴導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子和和價(jià)帶價(jià)帶空穴成對(duì)出現(xiàn)空穴成對(duì)出現(xiàn):導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子:準(zhǔn)自由電子、可在電場(chǎng)的作準(zhǔn)自由電子、可在電場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)、形成電流用下定向運(yùn)動(dòng)、形成電流導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子價(jià)帶空穴價(jià)帶空穴:電場(chǎng)電場(chǎng)Si等效載流子等效載流子其導(dǎo)電過程實(shí)質(zhì)其導(dǎo)電過程實(shí)質(zhì)上是電場(chǎng)的作用上是電場(chǎng)的作用下價(jià)電子向空穴下價(jià)電子向空穴的跳躍過程的跳躍過程等效于等效于帶正電的空穴帶正電的

38、空穴沿與價(jià)電子相反方向的運(yùn)動(dòng)沿與價(jià)電子相反方向的運(yùn)動(dòng)空穴帶正電量：空穴帶正電量：e本征半導(dǎo)體導(dǎo)電：本征半導(dǎo)體導(dǎo)電： 導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的共同貢獻(xiàn)導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的共同貢獻(xiàn)電導(dǎo)率：電導(dǎo)率：hemene,:n m導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的數(shù)密度。導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的數(shù)密度。導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的遷移率。導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的遷移率。:,hehe通常：通常：本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體:nm )(hehenemene11,m)/(,2Vsme)/(,2VsmheVEg,11. 1410414. 005. 067. 025. 235. 117. 040. 226. 22 . 2610410238. 0

39、05. 085. 07 . 703. 003. 018. 0002. 045. 007. 001. 0本征半導(dǎo)體基本參數(shù)本征半導(dǎo)體基本參數(shù)（二）非本征半導(dǎo)體（二）非本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體：雜質(zhì)半導(dǎo)體：對(duì)本征半導(dǎo)體摻雜、實(shí)現(xiàn)改變其電性或?qū)Ρ菊靼雽?dǎo)體摻雜、實(shí)現(xiàn)改變其電性或獲得某種功能獲得某種功能實(shí)際使用的半導(dǎo)體都是實(shí)際使用的半導(dǎo)體都是雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體1、N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體5價(jià)價(jià)P原子原子束縛電子束縛電子5價(jià)原子以價(jià)原子以替位式替位式參入本征參入本征 Si 或或 Ge 中中摻雜原子：摻雜原子：P, As, Sb未鍵合電子受雜質(zhì)原子的束縛很弱未鍵合電子受雜質(zhì)原子的束縛很弱結(jié)合能

40、：結(jié)合能：eV1 . 0Si單晶單晶eVEg1 . 104. 0044. 0049. 0SbPAsvEcEdEN型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)5價(jià)雜質(zhì)原子摻入相當(dāng)在價(jià)雜質(zhì)原子摻入相當(dāng)在導(dǎo)帶底引入導(dǎo)帶底引入施主雜質(zhì)能級(jí)施主雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)上的束縛電子很易雜質(zhì)能級(jí)上的束縛電子很易被（熱和電）激發(fā)到導(dǎo)帶被（熱和電）激發(fā)到導(dǎo)帶5價(jià)雜質(zhì)原子向?qū)峁╇娮觾r(jià)雜質(zhì)原子向?qū)峁╇娮?價(jià)雜質(zhì)原子：價(jià)雜質(zhì)原子：施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)室溫下施主激發(fā)產(chǎn)生的電子數(shù)室溫下施主激發(fā)產(chǎn)生的電子數(shù)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于本征激發(fā)的電子或空穴數(shù)本征激發(fā)的電子或空穴數(shù)kTEe/N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：電子電子是多數(shù)載流子；是多數(shù)載流子；空穴空穴是

41、少數(shù)載流子是少數(shù)載流子ene2、P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體3價(jià)原子以替位式參入本征價(jià)原子以替位式參入本征 Si 或或 Ge中中摻雜原子：摻雜原子：Al, B, Ga3價(jià)原子的周圍共價(jià)價(jià)原子的周圍共價(jià)鍵缺一個(gè)電子、周圍鍵缺一個(gè)電子、周圍價(jià)電子很容易被激發(fā)價(jià)電子很容易被激發(fā)到這個(gè)電子空缺上到這個(gè)電子空缺上結(jié)合能：結(jié)合能：eV1 . 03價(jià)價(jià)B原子原子空位空位缺電子的位置缺電子的位置可看作可看作與雜質(zhì)與雜質(zhì)原子結(jié)合微弱原子結(jié)合微弱的空位。的空位。價(jià)電子向空位跳躍的過程等效于空位向價(jià)帶的運(yùn)動(dòng)價(jià)電子向空位跳躍的過程等效于空位向價(jià)帶的運(yùn)動(dòng)3價(jià)雜質(zhì)原子：價(jià)雜質(zhì)原子：受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)接受來自價(jià)帶的電子接受來自價(jià)帶的電

42、子P 型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)3價(jià)雜質(zhì)原子摻入相當(dāng)在價(jià)雜質(zhì)原子摻入相當(dāng)在價(jià)帶頂引入價(jià)帶頂引入受主雜質(zhì)能級(jí)受主雜質(zhì)能級(jí)價(jià)帶電子很易被（熱和價(jià)帶電子很易被（熱和電）激發(fā)到電）激發(fā)到受主受主能級(jí)上能級(jí)上Si單晶單晶eVEg1 . 1BAlGa045. 0057. 0065. 0vEcEaE室溫下受主激發(fā)在價(jià)帶中產(chǎn)生的空穴室溫下受主激發(fā)在價(jià)帶中產(chǎn)生的空穴數(shù)數(shù)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于本征激發(fā)的電子或空穴數(shù)本征激發(fā)的電子或空穴數(shù)P 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：電子電子使少數(shù)載流子；使少數(shù)載流子；空穴空穴是多數(shù)載流子是多數(shù)載流子Pme等效于空位被激發(fā)到價(jià)帶中、成為空穴等效于空位被激發(fā)到價(jià)帶中、成為空穴3、半導(dǎo)體摻雜工藝

43、、半導(dǎo)體摻雜工藝摻雜：摻雜： 將微量的施主或受主雜質(zhì)加入本征半導(dǎo)將微量的施主或受主雜質(zhì)加入本征半導(dǎo)體中、使之成為體中、使之成為 N 或或P型半導(dǎo)體的過程型半導(dǎo)體的過程摻雜物：摻雜物： 被摻入的物質(zhì)被摻入的物質(zhì)摻雜工藝方法：摻雜工藝方法：擴(kuò)散法擴(kuò)散法和和離子注入法離子注入法（1）擴(kuò)散法：）擴(kuò)散法：氣相法氣相法和和預(yù)沉積、高溫?zé)崽幚矸A(yù)沉積、高溫?zé)崽幚矸?a、氣相法：、氣相法：置硅片于置硅片于 1000 1100 oC 的擴(kuò)散爐中，的擴(kuò)散爐中，擴(kuò)散爐中充滿摻雜原子氣體。擴(kuò)散爐中充滿摻雜原子氣體。控制雜質(zhì)濃度和摻雜深度的工藝參數(shù)：控制雜質(zhì)濃度和摻雜深度的工藝參數(shù)：溫度、時(shí)間、氣相中摻雜原子濃度溫度、

44、時(shí)間、氣相中摻雜原子濃度（2）離子注入法：）離子注入法：b、預(yù)沉積、高溫?zé)崽幚矸ǎ?、預(yù)沉積、高溫?zé)崽幚矸ǎ篠i基板基板預(yù)沉積雜質(zhì)層預(yù)沉積雜質(zhì)層熱處理熱處理Si基板基板擴(kuò)散層擴(kuò)散層比氣相法更易比氣相法更易精確控制摻雜精確控制摻雜控制雜質(zhì)濃度和摻雜深度的工藝參數(shù)：控制雜質(zhì)濃度和摻雜深度的工藝參數(shù)：摻雜濃度和深度由摻雜濃度和深度由溫度和時(shí)間決定溫度和時(shí)間決定50100kV電壓電壓加速雜質(zhì)離子加速雜質(zhì)離子轟擊轟擊Si基板基板轟擊深度：轟擊深度：取決于雜質(zhì)原子的質(zhì)量、取決于雜質(zhì)原子的質(zhì)量、基板的晶格損傷可在適當(dāng)基板的晶格損傷可在適當(dāng)?shù)臏囟认峦嘶鹛幚硐臏囟认峦嘶鹛幚硐稍谑覝叵逻M(jìn)行、能精確控制摻雜可

45、在室溫下進(jìn)行、能精確控制摻雜濃度和深度、適于集成電路制作濃度和深度、適于集成電路制作加速電壓、及基板的表面狀態(tài)加速電壓、及基板的表面狀態(tài)雜質(zhì)量由預(yù)沉積層厚度決定雜質(zhì)量由預(yù)沉積層厚度決定EjehneVpeVjVh和和Ve分別為空穴和電子在電場(chǎng)中獲得的平均漂移速度分別為空穴和電子在電場(chǎng)中獲得的平均漂移速度 EVEVeehh比例常數(shù)比例常數(shù) h和和 e分別為空穴和電子的遷移率，均取正值分別為空穴和電子的遷移率，均取正值 Ejhepenen型半導(dǎo)體電阻率隨溫度的變化型半導(dǎo)體電阻率隨溫度的變化 RjBEy比例常數(shù)比例常數(shù)R稱為霍爾系數(shù)稱為霍爾系數(shù) 電子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)電子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn) 絕緣材料的主要性能

46、指標(biāo)：絕緣材料的主要性能指標(biāo)：電阻率、介電系數(shù)、介質(zhì)損失電阻率、介電系數(shù)、介質(zhì)損失和和介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度（一）體電阻率和面電阻率（一）體電阻率和面電阻率體電阻率：體電阻率：表征載流子在材料表征載流子在材料體內(nèi)體內(nèi)輸運(yùn)時(shí)的能耗特征輸運(yùn)時(shí)的能耗特征面電阻率：面電阻率：表征載流子在材料表征載流子在材料表面或界面表面或界面輸運(yùn)時(shí)的能耗特征輸運(yùn)時(shí)的能耗特征測(cè)量方法：測(cè)量方法： 歐姆定律歐姆定律1、體電阻率、體電阻率A電極電極試樣試樣AdIVRVVV/:d:A試樣厚度試樣厚度電極面積電極面積電極被蒸鍍電極被蒸鍍?cè)谠嚇由显谠嚇由螦dIVRVVV/dARdIVAVVV/)/()(2、面電阻率、面電阻率A電極電極

47、試樣試樣（1）平行電極）平行電極LbIVRSSS/:b:L電極間距，電極間距，電極長(zhǎng)度電極長(zhǎng)度bLRSS/)./(qs)/ln()2/()2/(/1221rrdrrIVRSrrSSS)/ln(/2)/ln(/21212DDRrrRSSS:1D:2D芯電極直徑芯電極直徑環(huán)電極內(nèi)徑環(huán)電極內(nèi)徑（2）對(duì)環(huán)狀電極）對(duì)環(huán)狀電極)2/(/21rdrIVRrrSSSA芯電極芯電極環(huán)電極環(huán)電極試樣試樣絕緣材料：絕緣材料：陶瓷、高分子聚合物陶瓷、高分子聚合物制作或合成過程引入的雜質(zhì)會(huì)降低材料電阻率制作或合成過程引入的雜質(zhì)會(huì)降低材料電阻率影響聚合物電阻率的因素：影響聚合物電阻率的因素：未反應(yīng)的單體、殘留的引發(fā)劑、輔

48、助劑及吸附的水分等未反應(yīng)的單體、殘留的引發(fā)劑、輔助劑及吸附的水分等潮濕空氣中吸附的表面水分會(huì)使表面電阻率大幅度降低潮濕空氣中吸附的表面水分會(huì)使表面電阻率大幅度降低 顯然，Bc的大小與溫度有關(guān) 破壞超導(dǎo)態(tài)的最小磁場(chǎng) Bc0是0K時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度 臨界超導(dǎo)電流：Jc 保持超導(dǎo)態(tài)的最大輸入電流，與磁場(chǎng)作用有關(guān)。 總結(jié)：只有在一定溫度和磁場(chǎng)內(nèi)才有超導(dǎo)性。 材料導(dǎo)電性的測(cè)量實(shí)際上歸結(jié)為一定幾何尺寸試樣電阻的材料導(dǎo)電性的測(cè)量實(shí)際上歸結(jié)為一定幾何尺寸試樣電阻的測(cè)量，因?yàn)楦鶕?jù)幾何尺寸和電阻值就可以計(jì)算出電阻率。測(cè)量，因?yàn)楦鶕?jù)幾何尺寸和電阻值就可以計(jì)算出電阻率。根據(jù)跟蹤測(cè)量試樣在變溫或變壓裝置中的電阻，就可

49、以建根據(jù)跟蹤測(cè)量試樣在變溫或變壓裝置中的電阻，就可以建立電阻與溫度或壓力的關(guān)系，從而得到電阻溫度系數(shù)或電立電阻與溫度或壓力的關(guān)系，從而得到電阻溫度系數(shù)或電阻壓力系數(shù)。阻壓力系數(shù)。 電阻的測(cè)量分為：直流指示測(cè)量法和直流比較測(cè)量法。電阻的測(cè)量分為：直流指示測(cè)量法和直流比較測(cè)量法。 直流指示測(cè)量法：直接測(cè)量法和間接測(cè)量法直流指示測(cè)量法：直接測(cè)量法和間接測(cè)量法 直流比較測(cè)量法：直流電橋測(cè)量法和直流補(bǔ)償測(cè)量法直流比較測(cè)量法：直流電橋測(cè)量法和直流補(bǔ)償測(cè)量法 用電流表和電壓表測(cè)量直流電阻時(shí)，有以下兩種接線方法。用電流表和電壓表測(cè)量直流電阻時(shí)，有以下兩種接線方法。 （a）中的線路，根據(jù)電壓表和）中的線路，根據(jù)

50、電壓表和電流表的指示電流表的指示Uv和和Ia計(jì)算的電阻計(jì)算的電阻為為 avxIUR由于 aaxvRIUUaaxxRIURaxaxxxRRRIUR 方法誤差為：方法誤差為：xaxxxaRRRRR （b）中的線路）中的線路vxvavxIIUIUR vvvRUI 為電壓表中的電流為電壓表中的電流 vxvxvxxxxvxxxxRRRRRIUIURUIUR11 Uv=Ux根據(jù)儀表示值計(jì)算出的電阻根據(jù)儀表示值計(jì)算出的電阻Rx是是Rx和和Rv的并聯(lián)總電阻。由此可得，圖（的并聯(lián)總電阻。由此可得，圖（b）線路的方法誤差為線路的方法誤差為 vxxvxxxxbRRRRRRRR111 單電橋又稱惠斯登電橋，是單電橋又

51、稱惠斯登電橋，是橋式電路中最簡(jiǎn)單地一種，橋式電路中最簡(jiǎn)單地一種，采用經(jīng)典的橋式測(cè)量線路，采用經(jīng)典的橋式測(cè)量線路，由連接成封閉環(huán)形的四個(gè)電由連接成封閉環(huán)形的四個(gè)電阻組成。接上工作電源的阻組成。接上工作電源的ac稱為輸入端，接上平衡用指稱為輸入端，接上平衡用指零計(jì)的零計(jì)的bd稱為輸出端，如圖稱為輸出端，如圖所示。所示。 如果在單電橋線路中電阻如果在單電橋線路中電阻R1，R2和和R4已知，則調(diào)節(jié)這些已知已知，則調(diào)節(jié)這些已知電阻達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，可以使頂電阻達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，可以使頂點(diǎn)點(diǎn)b和和d的電位相等，這時(shí)指零儀的電位相等，這時(shí)指零儀中電流中電流Ig0，因此有，因此有 I1R1I3RX I2R2I4R

52、4 4432211RIRIRIRIx因?yàn)殡姌蚱胶猓ㄒ驗(yàn)殡姌蚱胶猓↖g0）時(shí)，）時(shí)，I1I2，I3I4，故上式簡(jiǎn)化為，故上式簡(jiǎn)化為 214RRRRx 用電橋測(cè)量電阻時(shí)的相對(duì)誤差決定于各已知電阻的相對(duì)補(bǔ)用電橋測(cè)量電阻時(shí)的相對(duì)誤差決定于各已知電阻的相對(duì)補(bǔ)償，當(dāng)償，當(dāng)R2數(shù)值偏大時(shí)待測(cè)電阻數(shù)值偏大時(shí)待測(cè)電阻Rx的讀數(shù)將偏小。通常在電的讀數(shù)將偏小。通常在電阻測(cè)量時(shí)選擇一個(gè)與待測(cè)電阻阻測(cè)量時(shí)選擇一個(gè)與待測(cè)電阻Rx有同一數(shù)量級(jí)的有同一數(shù)量級(jí)的R1作為標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)電阻準(zhǔn)電阻Rn以較小誤差，提高測(cè)量精度。以較小誤差，提高測(cè)量精度。 當(dāng)電橋四個(gè)電阻相等時(shí)，其線路靈敏度接近最大值。此外當(dāng)電橋四個(gè)電阻相等時(shí)，其線路靈敏

53、度接近最大值。此外考慮到電橋的靈敏度正比于電源電壓，故在各電阻允許的考慮到電橋的靈敏度正比于電源電壓，故在各電阻允許的功率條件下，工作電源的電壓功率條件下，工作電源的電壓U應(yīng)盡可能大一些。應(yīng)盡可能大一些。 必須指出，單電橋測(cè)量電阻是基于電橋各頂點(diǎn)必須指出，單電橋測(cè)量電阻是基于電橋各頂點(diǎn)a,b,c,d間的間的電勢(shì)降落只發(fā)生在各電阻上，但是，實(shí)際上并非如此，在電勢(shì)降落只發(fā)生在各電阻上，但是，實(shí)際上并非如此，在線路的接線上存在著導(dǎo)線和接頭的附加電阻。倘若待測(cè)電線路的接線上存在著導(dǎo)線和接頭的附加電阻。倘若待測(cè)電阻阻Rx較小，數(shù)量級(jí)接近于附加電阻，將出現(xiàn)不允許的測(cè)量較小，數(shù)量級(jí)接近于附加電阻，將出現(xiàn)不允

54、許的測(cè)量誤差。可見，單電橋適合于測(cè)量較大的電阻（誤差。可見，單電橋適合于測(cè)量較大的電阻（102106 ）。）。 雙電橋又稱開爾文電橋，是測(cè)量電阻值低于雙電橋又稱開爾文電橋，是測(cè)量電阻值低于10 的一種常的一種常用測(cè)量?jī)x器用測(cè)量?jī)x器 待測(cè)電阻待測(cè)電阻Rx和標(biāo)準(zhǔn)電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻RN相互串聯(lián)，并串聯(lián)于有恒直相互串聯(lián)，并串聯(lián)于有恒直流源的回路中。由可調(diào)電阻流源的回路中。由可調(diào)電阻R1、R2、R3、R4組成的電橋組成的電橋臂線路與臂線路與Rx、RN線段并聯(lián)，并在其間的線段并聯(lián)，并在其間的B、D點(diǎn)連接檢點(diǎn)連接檢流計(jì)流計(jì)G。調(diào)節(jié)可變電阻調(diào)節(jié)可變電阻R1、R2、R3、R4，使電橋達(dá)到平衡，即此時(shí)檢，使電橋達(dá)到平

55、衡，即此時(shí)檢流計(jì)流計(jì)G指示為零（指示為零（UB=UD，B與與D點(diǎn)電位相等。點(diǎn)電位相等。 11323RIRIRIx21423RIRIRINrIIRRI)()(23432)(432143421RRRRrRRrRRRRRNx)(432143421RRRRrRRrRRRRRNx 式中，第二項(xiàng)為附加項(xiàng)。為了使該項(xiàng)等于零或接近于式中，第二項(xiàng)為附加項(xiàng)。為了使該項(xiàng)等于零或接近于零，必須滿足得條件是可調(diào)電阻零，必須滿足得條件是可調(diào)電阻R1R3，R2R4。這。這樣樣Rx=(R1*RN)/R2=(R3*RN)/R4 為了滿足上述條件，在雙電橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有所考慮：為了滿足上述條件，在雙電橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有所考慮：無論可調(diào)

56、電阻處于何位置，可調(diào)電阻無論可調(diào)電阻處于何位置，可調(diào)電阻R1=R3，R2=R4（使（使R1與與R3和和R2與與R4分別做到同軸可調(diào)旋轉(zhuǎn)式電阻）。分別做到同軸可調(diào)旋轉(zhuǎn)式電阻）。R1、R2、R3、R4的電阻不應(yīng)小于的電阻不應(yīng)小于10 ，只有這樣，雙，只有這樣，雙電橋線路中的導(dǎo)線和接觸電阻可忽略不計(jì)（為使電橋線路中的導(dǎo)線和接觸電阻可忽略不計(jì)（為使r值盡值盡量小，選擇連接量小，選擇連接RX、RN的一段銅導(dǎo)線應(yīng)盡量短而的一段銅導(dǎo)線應(yīng)盡量短而粗）。粗）。直流電位差計(jì)是比較測(cè)量法測(cè)量電動(dòng)勢(shì)（或電直流電位差計(jì)是比較測(cè)量法測(cè)量電動(dòng)勢(shì)（或電壓）的一種儀器。它是基于被測(cè)量與已知量相壓）的一種儀器。它是基于被測(cè)量與已

57、知量相互補(bǔ)償?shù)脑韥韺?shí)現(xiàn)測(cè)量的一種方法。用來進(jìn)互補(bǔ)償?shù)脑韥韺?shí)現(xiàn)測(cè)量的一種方法。用來進(jìn)行比較的已知量一般是標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)，比行比較的已知量一般是標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)，比較方式是使某一電路通過電位差計(jì)中的電阻，較方式是使某一電路通過電位差計(jì)中的電阻，并在其中形成一個(gè)已知壓降，取這已知壓降的并在其中形成一個(gè)已知壓降，取這已知壓降的一部分（或全部）與被測(cè)電動(dòng)勢(shì)（或電壓）相一部分（或全部）與被測(cè)電動(dòng)勢(shì)（或電壓）相比較，從而測(cè)定被測(cè)量的大小比較，從而測(cè)定被測(cè)量的大小 右圖所示為目前通用的用標(biāo)準(zhǔn)電池來校右圖所示為目前通用的用標(biāo)準(zhǔn)電池來校準(zhǔn)工作電流的直流電位差計(jì)線路原理。準(zhǔn)工作電流的直流電位差計(jì)線路原理。圖中

58、圖中E為電位差計(jì)工作電源的電動(dòng)勢(shì)，為電位差計(jì)工作電源的電動(dòng)勢(shì)，RP為調(diào)節(jié)工作電流的調(diào)節(jié)電阻；為調(diào)節(jié)工作電流的調(diào)節(jié)電阻；RK為為測(cè)量電阻（或稱為補(bǔ)償電阻），是電位測(cè)量電阻（或稱為補(bǔ)償電阻），是電位器器R的輸出部分，其數(shù)值是準(zhǔn)確知道的；的輸出部分，其數(shù)值是準(zhǔn)確知道的；G為指零儀，一般多采用電磁系檢流計(jì)；為指零儀，一般多采用電磁系檢流計(jì)；EX為待測(cè)電動(dòng)勢(shì)；為待測(cè)電動(dòng)勢(shì)；EN為標(biāo)準(zhǔn)電池的電為標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)；動(dòng)勢(shì)；RNRN1RN2為準(zhǔn)確知道數(shù)為準(zhǔn)確知道數(shù)值的電阻，稱為工作電流調(diào)定電阻，其值的電阻，稱為工作電流調(diào)定電阻，其數(shù)值可以根據(jù)電位差計(jì)的工作電流來選數(shù)值可以根據(jù)電位差計(jì)的工作電流來選定；定；K為單

59、刀雙擲開關(guān)。整個(gè)線路包括為單刀雙擲開關(guān)。整個(gè)線路包括工作電流回路、標(biāo)準(zhǔn)回路和測(cè)量回路三工作電流回路、標(biāo)準(zhǔn)回路和測(cè)量回路三部分。工作電流回路由工作電源、調(diào)節(jié)部分。工作電流回路由工作電源、調(diào)節(jié)電阻電阻RP以及全部調(diào)定電阻和測(cè)量電阻組以及全部調(diào)定電阻和測(cè)量電阻組成。標(biāo)準(zhǔn)回路也稱為調(diào)定工作電流回路，成。標(biāo)準(zhǔn)回路也稱為調(diào)定工作電流回路，由標(biāo)準(zhǔn)電池、換接開關(guān)、指零儀和調(diào)定由標(biāo)準(zhǔn)電池、換接開關(guān)、指零儀和調(diào)定電阻電阻RN組成。測(cè)量回路也稱補(bǔ)償回路，組成。測(cè)量回路也稱補(bǔ)償回路，它由待測(cè)電動(dòng)勢(shì)它由待測(cè)電動(dòng)勢(shì)EX（或待測(cè)電壓（或待測(cè)電壓UX）、）、指零儀、換接開關(guān)和測(cè)量電阻指零儀、換接開關(guān)和測(cè)量電阻RK組成。組成。

60、為了測(cè)量電動(dòng)勢(shì)為了測(cè)量電動(dòng)勢(shì)EX，首先利用，首先利用變阻器變阻器RP調(diào)節(jié)好該電位差計(jì)所調(diào)節(jié)好該電位差計(jì)所規(guī)定的工作電流，稱為電流標(biāo)規(guī)定的工作電流，稱為電流標(biāo)準(zhǔn)化。調(diào)節(jié)時(shí)，把開關(guān)準(zhǔn)化。調(diào)節(jié)時(shí)，把開關(guān)K合向合向N位置，改變位置，改變RP的值直至檢流計(jì)的值直至檢流計(jì)處于零位。這時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電池的電處于零位。這時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)動(dòng)勢(shì)EN已經(jīng)被調(diào)節(jié)電阻上的已經(jīng)被調(diào)節(jié)電阻上的電壓降電壓降IRN所補(bǔ)償，電位差計(jì)所補(bǔ)償，電位差計(jì)所需的工作電流即已調(diào)定，其所需的工作電流即已調(diào)定，其大小為大小為 NNREI 工作電流調(diào)好后，把換接開關(guān)工作電流調(diào)好后，把換接開關(guān)K合向合向X位置。然后移動(dòng)測(cè)量電位置。然后移動(dòng)測(cè)量電阻阻R的