固體物理復(fù)習(xí)資料整理

1、加工硬化，又稱為應(yīng)變硬化，是由于位錯加工硬化，又稱為應(yīng)變硬化，是由于位錯增值所引起的，所以能夠產(chǎn)生加工硬化的增值所引起的，所以能夠產(chǎn)生加工硬化的材料必須是位錯能夠滑移的塑性材料材料必須是位錯能夠滑移的塑性材料 2.3 加加 工工 硬硬 化化 加工硬化主要是與金屬和合金等塑性加工硬化主要是與金屬和合金等塑性材料有關(guān)的概念。眾所周知，金屬的性能材料有關(guān)的概念。眾所周知，金屬的性能可以通過冷加工即在低溫下使金屬發(fā)生形可以通過冷加工即在低溫下使金屬發(fā)生形變的方法來改變。變的方法來改變。 圖圖2.19 加工硬化產(chǎn)生原理加工硬化產(chǎn)生原理 通過使金屬發(fā)生塑性變形的方式，可通過使金屬發(fā)生塑性變形的方式，可以使

2、其屈服強度增高。這就是所謂的以使其屈服強度增高。這就是所謂的加工加工硬化硬化。 材料的屈服強度逐漸增高的同時，作材料的屈服強度逐漸增高的同時，作為材料塑性指標(biāo)的延伸率逐漸降低。為材料塑性指標(biāo)的延伸率逐漸降低。 一般情況下，未經(jīng)歷冷加工的金屬材一般情況下，未經(jīng)歷冷加工的金屬材料中的位錯密度約為料中的位錯密度約為10106 6cm/cmcm/cm3 3。相對來說，。相對來說，這樣的位錯密度還是很小的。這樣的位錯密度還是很小的。 經(jīng)過了冷加工的金屬材料中的位錯密經(jīng)過了冷加工的金屬材料中的位錯密度可增殖至度可增殖至10101212cm/cmcm/cm3 3 ，比初始的位錯密，比初始的位錯密度大近百萬倍

3、。位錯密度越大，位錯之間度大近百萬倍。位錯密度越大，位錯之間的相互作用也越大，對位錯進行滑移的阻的相互作用也越大，對位錯進行滑移的阻力也隨之增大。這就是加工硬化的原理。力也隨之增大。這就是加工硬化的原理。 加工硬化的原理加工硬化的原理Frank-Reed位錯源位錯源 圖圖2.20 位錯增殖示意圖位錯增殖示意圖 利用加工硬化，可以在獲得所需的金屬利用加工硬化，可以在獲得所需的金屬材料的形狀的同時，提高材料的強度。尤其材料的形狀的同時，提高材料的強度。尤其是對于那些不能采用各種熱處理強化方法的是對于那些不能采用各種熱處理強化方法的材料，如低碳鋼、奧氏體不銹鋼、有色金屬材料，如低碳鋼、奧氏體不銹鋼、

4、有色金屬等，加工硬化方法顯得更加重要。等，加工硬化方法顯得更加重要。 利用各種材料加工技術(shù)，如軋制、鍛造、利用各種材料加工技術(shù)，如軋制、鍛造、沖壓、拉拔、擠壓等等，都可以達到利用加沖壓、拉拔、擠壓等等，都可以達到利用加工硬化提高材料強度的目的。工硬化提高材料強度的目的。 通過冷加工處理，并不是所有的性能都通過冷加工處理，并不是所有的性能都可以得到改善，即雖然抗張強度、屈服強度可以得到改善，即雖然抗張強度、屈服強度和硬度有所增加，但是塑性和金屬形變總的和硬度有所增加，但是塑性和金屬形變總的可能性卻下降了。此外，物理性能如導(dǎo)電率、可能性卻下降了。此外，物理性能如導(dǎo)電率、密度等也都有所下降。密度等也

5、都有所下降。 對于具體的金屬材料來說，冷加工量或?qū)τ诰唧w的金屬材料來說，冷加工量或塑性變形量有一個極限值。同時，也要考慮塑性變形量有一個極限值。同時，也要考慮材料電導(dǎo)率和抗腐蝕性的損失程度。材料電導(dǎo)率和抗腐蝕性的損失程度。 圖2.21 冷加工或添加鋅對銅的電導(dǎo)率和屈服強度的影響 陶瓷中也會有一些位錯，所以也會出現(xiàn)很陶瓷中也會有一些位錯，所以也會出現(xiàn)很小程度的加工硬化。但是，陶瓷通常很脆，在小程度的加工硬化。但是，陶瓷通常很脆，在低溫時不可能發(fā)生明顯的塑性變形，只有在高低溫時不可能發(fā)生明顯的塑性變形，只有在高溫下才會有塑性變形。溫下才會有塑性變形。 熱彈性高分子材料在塑性變形時也會有硬熱彈性高分

6、子材料在塑性變形時也會有硬化現(xiàn)象。但其原因不是加工硬化，而是長鏈分化現(xiàn)象。但其原因不是加工硬化，而是長鏈分子發(fā)生了重新排列甚至晶化。子發(fā)生了重新排列甚至晶化。 有時需要消除冷加工所產(chǎn)生的加工硬化。有時需要消除冷加工所產(chǎn)生的加工硬化。在這種情況下，可以對材料進行退火。在這種情況下，可以對材料進行退火。 退火后的材料既可以保持冷加工后所得退火后的材料既可以保持冷加工后所得到的精確尺寸和良好表面，又可以恢復(fù)材料到的精確尺寸和良好表面，又可以恢復(fù)材料的塑性。的塑性。 退火后的材料可以繼續(xù)進行冷加工。這退火后的材料可以繼續(xù)進行冷加工。這樣將冷加工與退火相結(jié)合，可以使材料的最樣將冷加工與退火相結(jié)合，可以使

7、材料的最終變形達到一個很大的值。終變形達到一個很大的值。 5.1概述115.2材料的導(dǎo)電性能 5.4半導(dǎo)體物理 5.3金屬電導(dǎo) 5.5 超導(dǎo)物理 2個學(xué)時4個學(xué)時4個學(xué)時第5章 導(dǎo)電物理 2個學(xué)時10個學(xué)時125.2材料的導(dǎo)電性能 5.2.1 能帶結(jié)構(gòu)5.2.3 導(dǎo)電材料與電阻材料 5.2.4 其他材料的導(dǎo)電性能13 材料的性能決定于： 組成 結(jié)構(gòu)5.2.1 能帶結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)的類型 聚集態(tài)結(jié)構(gòu) 氣、液、固；固態(tài)中有晶態(tài)和非晶態(tài)。 物相結(jié)構(gòu)：混合物、晶態(tài)、非晶態(tài) 顯微結(jié)構(gòu)：取向 空間位置分布：多組分、多相材料的均勻性 分子與晶體結(jié)構(gòu) 基團結(jié)構(gòu) 分子結(jié)構(gòu)：相對分子量、相對分子質(zhì)量分布、支化度、交聯(lián)

8、度 晶體結(jié)構(gòu) 構(gòu)型與構(gòu)象 電子結(jié)構(gòu)14 從連續(xù)能量分布的價電子在均勻勢場中的運動，到不連續(xù)能量分布的價電子在均勻勢場中的運動，再到不連續(xù)能量分布的價電子在周期性勢場中的運動，分別是經(jīng)典自由電子論、量子自由電子論、能帶理論這三種分析材料導(dǎo)電性理論的主要特征。 5.2.1 能帶結(jié)構(gòu) 能帶理論是在量子自由電子論的基礎(chǔ)上，考慮了離子所造成的周期性勢場的存在，從而導(dǎo)出了電子的分布特點，并建立了禁帶的概念。 15 電子的運動狀態(tài)的表征： 5.2.1 能帶結(jié)構(gòu) 粒子性與波動性 經(jīng)典物理：狀態(tài)用物理量描述。 量子力學(xué)：狀態(tài)用波函數(shù)描述。 薛定諤方程 Schrodinger在1926年建立了非相對論粒子的波函數(shù)

9、隨時間演化的方程。 量子數(shù)（n主，l角，m磁，ms 自旋） 16 原子的殼層結(jié)構(gòu)： 5.2.1 能帶結(jié)構(gòu) 1916年柯塞爾(W.Kossel)對多電子的原子系統(tǒng)提出了殼層結(jié)構(gòu)學(xué)說： 主量子數(shù)n相同的電子分布在同一殼層上。 主量子數(shù)n相同而角量子數(shù)l不同的電子分布在不同的分殼層或支殼層上。 l=0, 1, 2, 3, 4 .如：n=3, l=0, 1, 2分別稱為3s態(tài), 3p態(tài), 3d態(tài) 主量子數(shù)n愈小其相應(yīng)的能級愈低。在同一殼層中,角量子數(shù)l愈小,其相應(yīng)的能級愈低。17 多電子的原子系統(tǒng)中,核外電子在不同的殼層上的分布遵從下面兩條基本原理： 1.泡利不相容原理 一個原子系統(tǒng)內(nèi)，不能有兩個或兩

10、個以上電子具有完全相同的量子態(tài)(n ,l ,ml ,ms)。 利用泡利不相容原理可以計算各個殼層中可能占有的最多電子數(shù)。5.2.1 能帶結(jié)構(gòu) 電子的分布規(guī)律： 18對給定的一個n,l=0,1,2,(n-1) , 共n個值；ml=0,1,2,l，共(2l+1)個值；,21sm共2個值;10nl(2l+1)2=2n2所以各殼層能容納的最多電子數(shù)為 n= 1, 2, 3, 4， 5, K L M N O 最多電子數(shù)： 2 8 18 32 50 .量子態(tài)數(shù)為5.2.1 能帶結(jié)構(gòu)19對給定的一個l(角)的分殼層,ml=0,1,2,l，共(2l+1)個值(磁)；,21sm共2個值;量子態(tài)數(shù)為 2(2l+1

11、)所以各分殼層能容納的最多電子數(shù)為 l= 0, 1, 2, 3, 4 s p d f g 最多電子數(shù)： 2 6 10 14 18 5.2.1 能帶結(jié)構(gòu)20電子在各殼層、分殼層的填充由左向右：n= 1 2 3 4 K L M N 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p64d104f14 . 2. 能量最小原理 原子系統(tǒng)處在正常狀態(tài)時,每個電子總是盡可能占有最低的能級。5.2.1 能帶結(jié)構(gòu)21 對于由大量原子結(jié)合而成,若要研究多原子中電子的運動,原則上說,應(yīng)當(dāng)去解多原子、多電子系統(tǒng)的薛定諤方程。 下面從泡利不相容原理出發(fā)來研究能帶的形成。 1.電子的共有化 固體中的原子排列是很緊密

12、，因而各相鄰原子的波函數(shù)(或者說外電子殼層)將發(fā)生重疊。因此，各相鄰原子的外層電子，很難說是屬于那個原子，而實際上是處于為各鄰近原子乃至整個固體所共有的狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之為電子的共有化。5.2.1 能帶結(jié)構(gòu)222.能帶的形成 設(shè)有N個原子結(jié)合成固體，原來單個原子時處于1s能級的2N個電子現(xiàn)在屬于整個原子系統(tǒng)(固體)所共有，根據(jù)泡利不相容原理，不能有兩個或兩個以上電子具有完全相同的量子態(tài)(n ,l ,ml ,ms),因而就不能再占有一個能級，而是分裂為N個微有不同的分立能級。由于N是一個很大的數(shù)，這些分立能級相距很近，看起來幾乎是連續(xù)的，從而形成一條有一定寬度E的能帶。1s1s能帶圖 5.1 能

13、帶的形成23圖 5.2 電子數(shù)量增加時能級擴展成能帶 5.2.1 能帶結(jié)構(gòu)24離離子子間間距距aE0 能帶的重疊現(xiàn)象：25 能帶類型： 填滿電子的能帶稱為滿帶。 未填滿電子的能帶稱為導(dǎo)帶。 沒有電子填充的能帶稱為空帶。顯然空帶也屬導(dǎo)帶。 由價電子能級分裂而成的能帶稱為價帶。 在能帶之間沒有可能量子態(tài)的能量區(qū)域叫禁帶。5.2.1 能帶結(jié)構(gòu)26 導(dǎo)帶中的能級未被占滿，一個電子在外力作用下向其它能級轉(zhuǎn)移時，不一定有相反方向的轉(zhuǎn)移來抵消，所以導(dǎo)帶具有導(dǎo)電作用。 圖 5.4 由于滿帶中所有能級都被電子占滿，因此一個電子在外力作用下向其它能級轉(zhuǎn)移時，必然伴隨著相反方向的轉(zhuǎn)移來抵消，所以滿帶是不導(dǎo)電的。圖

14、5.3 電子在能帶中的填充和運動27 從能帶上看，半導(dǎo)體和絕緣體的能帶沒有本質(zhì)區(qū)別：都具有填滿電子的滿帶和隔離滿帶與空帶的禁帶。不同的是，半導(dǎo)體的禁帶較窄，而絕緣體的禁帶較寬。滿 帶空 帶禁 帶(a)半導(dǎo)體的能帶E=0.10.2eV滿 帶空 帶禁 帶(b)絕緣體的能帶E=36eV EE 材料導(dǎo)電與能帶特征28 絕緣體的禁帶一般很寬,一般的熱激發(fā)、光照或外加電場不是特別強時,滿帶中的電子很少能被激發(fā)到空帶中去,所以絕緣體有較大的電阻率，導(dǎo)電性極差。 半導(dǎo)體的禁帶寬度較窄,在通常溫度下,有較多的電子受到熱激發(fā)從滿帶進入空帶, 不但進入空帶的電子具有導(dǎo)電性能,而且滿帶中留下的空穴也具有導(dǎo)電性能。所以

15、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性雖不及導(dǎo)體但卻比絕緣體好得多。滿 帶空 帶禁 帶(a)半導(dǎo)體的能帶E=0.10.2eVE滿 帶空 帶禁 帶(b)絕緣體的能帶E=36eVE29滿 帶導(dǎo)帶(不空)禁 帶E滿 帶空 帶E滿 帶導(dǎo)帶(不空)E空 帶 導(dǎo)體的能帶特點：都具有一個未被電子填滿的能帶。 在外電場作用下,這些能帶中的電子很容易從一個能級躍入另一個能級,從而形成電流,所以導(dǎo)體顯示出很強的導(dǎo)電能力。 材料導(dǎo)電與能帶特征30圖 5.5 鈉的能帶結(jié)構(gòu) 導(dǎo)帶 禁帶 材料導(dǎo)電與能帶特征的具體實例31 由于鈉只有1個3s電子，所以在3s價帶上，只有一半的能級被電子所占據(jù)。自然，這些被電子占據(jù)的能級應(yīng)該是能量較低的能級，而3s

16、價帶中能量較高的處于上方的能級很少有電子占據(jù)。當(dāng)溫度為絕對零度時，只有下面一半的能級被電子占據(jù)，上面一半的能級沒有電子占據(jù)。能帶中有一半的能級被電子占據(jù)的能級稱為費密能級。而當(dāng)溫度大于絕對零度時，有一些電子獲得了能量，跳到價帶里的較高能級，而在相對應(yīng)的較低的能級上失去了電子，產(chǎn)生了相同數(shù)量的空穴。 材料導(dǎo)電與能帶特征的具體實例32圖 5.6 能帶中電子隨溫度升高而進行能級躍遷(a) 絕對零度時,所有外層電子占據(jù)低的能級(b) 溫度升高,部分電子被激發(fā)到原未被填充的能級 材料導(dǎo)電與能帶特征的具體實例33圖 5.7 鎂的能帶結(jié)構(gòu) 材料導(dǎo)電與能帶特征的具體實例34 鎂原子的核外電子結(jié)構(gòu)為1s22s2

17、2p63s2。像鎂這樣的周期表A族元素的最外層3s軌道有2個電子，所以按理說它的3s能帶就會被電子全部占滿。 但是，由于固體鎂的3p能帶與3s能帶有重疊，這種重疊使得電子能夠激發(fā)到3s和3p的重疊能帶里的高能級，所以鎂具有導(dǎo)電性。 材料導(dǎo)電與能帶特征的具體實例35 從鈧到鎳的過渡族金屬中，未被電子充滿的3d能帶和4s能帶發(fā)生重疊。這種重疊使得電子能夠被激發(fā)到高能量的能級。能帶之間的復(fù)雜的相互作用使得這些金屬的導(dǎo)電性不夠理想。但銅是一個例外。銅中的內(nèi)層3d能帶已經(jīng)被電子充滿，這些電子被原子緊緊束縛，不能與4s能帶相互作用。由于銅中的3d能帶和4s能帶之間基本沒有相互作用，所以銅的導(dǎo)電性非常好。銀

18、和金的情況與銅類似。 材料導(dǎo)電與能帶特征的具體實例36 周期表A族元素，如碳、硅、鍺、錫，在最外層p軌道有2個電子，化合價為4。根據(jù)前面的討論，因為這些元素的p能帶沒有被電子充滿，似乎應(yīng)該具有良好的導(dǎo)電性。但實際情況卻不是這樣。這些元素都是以共價鍵結(jié)合的，最外層的s能帶電子和p能帶電子都被原子緊緊束縛。共價鍵使能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生比較復(fù)雜的變化，即雜化現(xiàn)象。 材料導(dǎo)電與能帶特征的具體實例37圖 5.8 金剛石中碳的能帶結(jié)構(gòu) 材料導(dǎo)電與能帶特征的具體實例38 在金剛石的價帶和導(dǎo)帶之間有一個較大的禁帶Eg。很少有電子具有足夠的能量，能夠從價帶躍遷到導(dǎo)帶去。所以金剛石的電導(dǎo)率很低。 提高溫度或者施加高電壓，

19、可以使價帶的電子獲得能量，躍遷到導(dǎo)帶。例如，氮化硼的室溫的電導(dǎo)率為10-13-1cm-1，溫度升到800時則為10-4-1cm-1。 雖然鍺、硅和錫的能帶結(jié)構(gòu)與金剛石相似，但這些材料的禁帶寬度Eg 較小。實際上，錫的禁帶寬度小得使它具有類似導(dǎo)體的導(dǎo)電性。而禁帶寬度Eg稍大一點的鍺和硅成了典型的半導(dǎo)體。 材料導(dǎo)電與能帶特征的具體實例 上面所討論的都是不含雜質(zhì)又無缺陷的純金屬理想晶體。實際上金屬與合金中不但含有雜質(zhì)和合金元素，而且還存在晶體缺陷。傳導(dǎo)電子的散射發(fā)生在電子聲子、電子雜質(zhì)原子以及與其他晶體點陣靜態(tài)缺陷碰撞的時候。在鐵磁體和反鐵磁體中還要發(fā)生磁振子的附加碰撞。馬基申定則5.3.1 金屬導(dǎo)

20、電機制 理想金屬的電阻對應(yīng)著兩種散射機制(聲子散射和電子散射)，可以看成為基本電阻。這個電阻在絕對零度時降為零。 第三種機制(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，是絕對零度下金屬殘余電阻的實質(zhì)，這個電阻表示了金屬的純度和完整性。馬基申定則5.3.1 金屬導(dǎo)電機制 馬基申(Mathhissen)和沃格特(Vogt)早期根據(jù)對金屬固溶體中溶質(zhì)原子的濃度較小，以致可以略去它們之間的相互影響，把固溶體的電阻看成由金屬的基本電阻 和殘余電阻 組成。這實際上表明，在一級近似下不同散射機制對電阻的貢獻可以加法求和。這導(dǎo)電規(guī)律稱為馬基申定則。)(T殘馬基申定則5.3.1 金屬導(dǎo)電機制)(Ti

21、i殘 為決定于化學(xué)缺陷和物理缺陷而與溫度無關(guān)的殘余電阻?；瘜W(xué)缺陷為偶然存在的雜質(zhì)原子以及人工加人的合金元素原子。物理缺陷系空位、間隙原子、位錯以及它們的復(fù)合體。殘)(T式中 為與溫度有關(guān)的金屬基本電阻，即溶劑金屬(純金屬)的電阻；馬基申定則5.3.1 金屬導(dǎo)電機制 從馬基申定則可以看出，在高溫時金屬的電阻基本上決定于 ，而在低溫時則決定于殘余電阻 ，既然殘余電阻是電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射引起的，那末 的大小可以用來評定金屬的電學(xué)純度。與化學(xué)純度不同，電學(xué)純度考慮了點陣物理缺陷的影響。考慮到殘余電阻測量上的麻煩，實際上往往采用相對電阻 的大小評定金屬的電學(xué)純度。許多完整的金屬單晶得到的相對電阻高

22、達2xl04。)(T殘殘kk2 . 4300/馬基申定則在超低溫下電子平均自由程長度 同樣可以作為金屬純度直觀的物理特性。晶體越純、越完善，自由程長度越長、相對電阻值也越大。反之，金屬中雜質(zhì)越多，在連續(xù)散射之間電于自由程長度越短，相對電阻也越小。目前可以得到很純的金屬，在它們當(dāng)中4.2K時的電子平均自由程長度可達幾個mm。例如，相對電阻為7000，000的超純鎢，其電子自由程長達12.5mm.l馬基申定則5.4.1 半導(dǎo)體與p-n結(jié)5.4.1.1 什么是半導(dǎo)體 半導(dǎo)體是這樣一種固體，它在 0 K 時，其最高的一個被價電子占據(jù)的能帶全部被填滿，稱價帶，相繼的一個能帶完全沒有電子，是空的，稱導(dǎo)帶，

23、而且導(dǎo)帶的最低一個能級和價帶的最高一個能級被一個較窄的禁帶隔開（禁帶寬度約為22.5ev以下），因此價帶中電子很容易被熱能、電磁能或其他能量激發(fā)到導(dǎo)帶上去，而在價帶中留下空穴，在電場作用下，這些電子和空穴能自由地通過晶體運動。 元素半導(dǎo)體是由單一元素制成的半導(dǎo)體材料。主要有硅、鍺、硒等，以硅、鍺應(yīng)用最廣。 化合物半導(dǎo)體分為二元系、三元系、多元系和有機化合物半導(dǎo)體。 二元系化合物半導(dǎo)體有-族（如砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等）、-族（如硫化鎘、硒化鎘、碲化鋅、硫化鋅等）、-族（如硫化鉛、硒化鉛等）、-族（如碳化硅）化合物。 三元系和多元系化合物半導(dǎo)體主要為三元和多元固溶體，如鎵鋁砷固溶體、鎵鍺砷磷固溶

24、體等。 有機化合物半導(dǎo)體有萘、蒽、聚丙烯腈等，還處于研究階段。5.4.1.4 元素半導(dǎo)體與化合物半導(dǎo)體 5.4.1.4 元素半導(dǎo)體與化合物半導(dǎo)體 鍺比硅容易提純，所以最初發(fā)明的半導(dǎo)體三極管是鍺制成的。但是，鍺的禁帶寬度（0.67eV）只有硅的禁帶寬度（1.11eV）的大約一半，所以硅的電阻率比鍺大，而且在較寬的禁帶中能夠更加有效地設(shè)置雜質(zhì)能級，所以后來硅半導(dǎo)體逐漸取代了鍺半導(dǎo)體。硅取代鍺的另一個主要原因是在硅的表面能夠形成一層極薄的SiO2絕緣膜，從而能夠制備MOS型三極管。 在化合物半導(dǎo)體中，載流子的移動速率遠遠大于硅和鍺，所以能夠制備更加高速的大規(guī)模集成電路。 5.4.1.5 n型半導(dǎo)體和

25、p型半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的雜質(zhì)效應(yīng) 理想晶體中電子只能占據(jù)在容許能級上，如價帶和導(dǎo)帶，而在禁帶上是不存在任何孤立的能級讓電子占據(jù)的。 由于雜質(zhì)、熱振動、位錯、晶界及表面等的存在，使理想晶體嚴(yán)格的周期勢場遭到破壞而發(fā)生畸變，電子處于這種勢場中發(fā)生畸變的區(qū)域時，其能量和原電子能量有所不同，因此出現(xiàn)了新的能級，這種能級處于禁帶之中，形成禁帶上孤立的能級。 如果在硅或鍺中添加銻或磷的5價元素，那么銻或磷中的4個價電子參與共價鍵的結(jié)合，富余的那個價電子由于與本身原子的結(jié)合較松，很容易激發(fā)到導(dǎo)帶，因此這種雜質(zhì)增加了導(dǎo)帶中的電子數(shù)，從而增加其導(dǎo)電性能。這種提供電子作為載流子的雜質(zhì)元素稱為施主。摻入了施主雜質(zhì)的非本

26、征半導(dǎo)體以負電荷（電子）作為載流子，所以稱為n（negative，表示負電荷的意思）型半導(dǎo)體。n 型半導(dǎo)體5.4.1.5 n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體 5.4.1.5 n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體 n 型半導(dǎo)體 若從能帶結(jié)構(gòu)觀點看：摻雜施主雜質(zhì)后，相應(yīng)在導(dǎo)帶底部附近產(chǎn)生了一個局部能級被多余的電子占據(jù)，由于和導(dǎo)帶相隔較近，只要有一個很小的能量Ed就可以使這個電子進入導(dǎo)帶。 隨著溫度的升高，越來越多的施主電子越過禁帶Ed進入導(dǎo)帶，最后所有的施主的電子都進入導(dǎo)帶，此時稱為施主耗盡。如果溫度繼續(xù)升高，電導(dǎo)率將維持一個常量。在更高的溫度下，才會出現(xiàn)本征半導(dǎo)體產(chǎn)生的導(dǎo)電性。5.4.1.5 n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體 n

27、型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體a）摻雜b）能級圖5.4.1.5 n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體 p 型半導(dǎo)體 如果在硅或鍺中添加的雜質(zhì)是鎵（Ga）等3價元素，結(jié)果構(gòu)成了共價鍵少一個電子,相應(yīng)在價帶頂部附近產(chǎn)生一個未被電子占據(jù)的局部能級。顯然，價帶中電子受熱激發(fā)易填入這些能級中去，從而增加了價帶中的空穴，增大其導(dǎo)電性。向本征半導(dǎo)體提供空穴作為載流子的雜質(zhì)元素稱為受主。摻入了受主雜質(zhì)的非本征半導(dǎo)體以正電荷（空穴）作為載流子，所以稱為p（positive，表示正電荷的意思）型半導(dǎo)體。5.4.1.5 n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體 p 型半導(dǎo)體a）摻雜b）能級圖p型半導(dǎo)體5.4.1.5 n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體 摻雜元素摻雜元素硅

28、硅Ed硅硅Ea鍺鍺Ed鍺鍺EaP0.0450.0120As0.0490.0127Sb0.0390.0096B0.0450.0104Al0.0570.0102Ga0.0650.0108In0.1600.0112硅與鍺中的施主能級Ed(eV)和受主的能級Ea(eV)5.4.1.6 半導(dǎo)體材料的特性參數(shù) 半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)不僅能反映半導(dǎo)體材料與其他非半導(dǎo)體材料之間的差別，更重要的是能反映各種半導(dǎo)體材料之間甚至同一種材料在不同情況下，其特性的量值差別。 電阻率、載流子遷移率反映材料的導(dǎo)電能力。非平衡載流子壽命反映半導(dǎo)體材料在外界作用（如光或電場）下內(nèi)部載流子由非平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過渡的弛豫特性。 位

29、錯是晶體中最常見的一類缺陷。位錯密度用來衡量半導(dǎo)體單晶材料晶格完整性的程度，對于非晶態(tài)半導(dǎo)體材料，則沒有這一參數(shù)。 禁帶寬度由半導(dǎo)體的電子態(tài)、原子組態(tài)決定，反映組成這種材料的原子中價電子從束縛狀態(tài)激發(fā)到自由狀態(tài)所需的能量。 5.4.1.8 離子化合物半導(dǎo)體 離子化合物半導(dǎo)體又稱為缺陷半導(dǎo)體。在離子化合物半導(dǎo)體中，如果含有多余的陰離子，則為p型半導(dǎo)體；含有多余的陽離子，則為n型半導(dǎo)體。許多氧化物和硫化物都有這種半導(dǎo)體性能。 在含鋅氣的還原氣氛中，將氧化鋅加熱，使其中鋅的含量增加，可以形成摻雜的N型半導(dǎo)體。圖5.4.5n型半導(dǎo)體ZnO的形成 5.4.1.9 半導(dǎo)體的應(yīng)用 半導(dǎo)體熱電儀。半導(dǎo)體的導(dǎo)電

30、性與溫度有關(guān)。利用這一特性可以制成半導(dǎo)體熱電儀，用于火災(zāi)報警器。 壓力傳感器。能帶結(jié)構(gòu)和禁帶結(jié)構(gòu)與材料中的原子之間的距離有關(guān)。處于高壓下的半導(dǎo)體材料，其原子間距離變小，禁帶也隨之變小，電導(dǎo)率增大。所以通過測量電導(dǎo)率的變化，就可以測量壓力。 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對外界條件（如熱、光、電、磁等因素）的變化非常敏感，據(jù)此可以制造各種敏感元件，用于信息轉(zhuǎn)換。 p-n結(jié) 不同類型半導(dǎo)體間接觸（構(gòu)成PN結(jié)）或半導(dǎo)體與金屬接觸時，因電子（或空穴）濃度差而產(chǎn)生擴散，在接觸處形成位壘，因而這類接觸具有單向?qū)щ娦?。利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕梢灾瞥删哂胁煌δ艿陌雽?dǎo)體器件，如二極管、三極管、晶閘管等。5.4.1.9

31、半導(dǎo)體的應(yīng)用p-n結(jié)的導(dǎo)電行為 p-n結(jié) p-n結(jié)的伏安特性 p-n結(jié)的整流效應(yīng) 在p-n結(jié)處于反向偏壓時，一般只有很小的漏電流，這是由于熱激發(fā)的少量電子和空穴引起的。但是，如果反向偏壓太大，通過p-n結(jié)的絕緣區(qū)的漏電流的載流子將會被大大加速，導(dǎo)致產(chǎn)生一個很大的電流。這種現(xiàn)象稱為p-n結(jié)的反向擊穿 .p-n結(jié)的反向擊穿 可以通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體摻雜和p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)來改變p-n結(jié)的反向許可電壓。 利用p-n結(jié)的反向電流特性制備穩(wěn)壓二極管或齊納（ Zener ）二極管，可以用來保護電路不受突然出現(xiàn)的過高電壓的危害。 5.4.3 能帶理論在半導(dǎo)體中的應(yīng)用5.4.3.1 半導(dǎo)體的表面能級 5.4.3.2 半

32、導(dǎo)體與半導(dǎo)體的接觸 5.4.3.3 半導(dǎo)體與金屬的接觸 5.4.3.1 半導(dǎo)體的表面能級 能帶結(jié)構(gòu)是在無限擴展的3維晶體產(chǎn)生的周期場的前提下得到的。 在材料的表面勢場不再與晶體內(nèi)部的周期性勢場相同，所以材料表面的電子能級分布就會發(fā)生變化。 圖5.29 晶體表面的能帶結(jié)構(gòu) 圖5.30 n型半導(dǎo)體的表面能級 判斷一個系統(tǒng)是否處于平衡狀態(tài)的根據(jù)是看其費密能級是否相等。兩個分立的材料，費密面可以不一樣。但如果這兩個材料連成一個系統(tǒng)，就會在這兩個材料之間發(fā)生電荷的移動，最終使費密能級相等。 由于電子從內(nèi)部向表面遷移，在表面會出現(xiàn)負電荷，而接近表面的內(nèi)部會因缺少電子而出現(xiàn)帶正電荷的空穴。這些空穴的存在，使

33、n型半導(dǎo)體的表面附近出現(xiàn)了一個p型的反轉(zhuǎn)層。 在能帶結(jié)構(gòu)圖中，電子的能級向上為越來越高，空穴的能級向下為越來越高。如果外來的射線將價帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，同時在價帶留下空穴。這些激發(fā)電子就會向半導(dǎo)體內(nèi)部移動，而空穴則會向半導(dǎo)體表面移動。 圖5.31 p型半導(dǎo)體的表面能帶結(jié)構(gòu) 5.4.3.2 半導(dǎo)體與半導(dǎo)體的接觸 p-n結(jié) 圖5.32 p-n結(jié)在結(jié)合瞬間的能級狀態(tài) 圖5.33熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)的能級狀態(tài)(a) 擴散電位;(b) 雜質(zhì)濃度;(c) 載流子濃度；(d) 空間電荷 以接觸面為界限，n型區(qū)域有一個帶正電的空間電荷層，在p型區(qū)域有一個帶負電的空間電荷層，這個空間電荷層產(chǎn)生一個自建電場。逆

34、著自建電場的方向，即p型區(qū)域為正電位，n型區(qū)域為負電位時（正向偏置電壓），消弱勢壘區(qū)的電場強度，載流子容易流動。而順著自建電場的方向，即p型區(qū)域為負電位，n型區(qū)域為正電位時，載流子不容易流動。這就是p-n結(jié)整流的原理。 p-n結(jié)整流的原理 當(dāng)太陽光射入到p-n結(jié)時，p型區(qū)域和n型區(qū)域都有可能出現(xiàn)電子激發(fā)現(xiàn)象。n型區(qū)域的價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶上后，就停留在n型的導(dǎo)帶上，而在n型價帶上同時形成的空穴會遷移到能量更穩(wěn)定的p型的價帶上去。p型區(qū)域的價電子被激發(fā)到導(dǎo)帶上后，將遷移到能量更穩(wěn)定的n型的導(dǎo)帶上，而在p型區(qū)域價帶上同時形成的空穴則停留在該價帶上。p-n結(jié)不僅能將光子能量轉(zhuǎn)變成電荷能量，更重要的是

35、能夠在空間位置上將正負電荷分離開來。如果在p-n結(jié)的外部接上回路，這些被分離的正負電荷就可以通過回路相互結(jié)合，這就是太陽能電池。 太陽能電池 可以將兩個禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料組成p-n結(jié)，這種由不同材料組成的p-n結(jié)又稱異質(zhì)結(jié)。此時，禁帶較寬的半導(dǎo)體將吸收波長較短的光線，禁帶較窄的半導(dǎo)體則吸收波長較長的光線，可以利用的太陽光波長范圍更大，從而增加了太陽能利用效率。由于短波光線的穿透能力差一些，所以此時一般都將禁帶寬度較寬的半導(dǎo)體設(shè)計在朝向太陽光一側(cè)，這種半導(dǎo)體又稱為電池的窗口材料。 異質(zhì)結(jié)圖5.34 異質(zhì)結(jié)的光伏特效應(yīng)原理 實際工作中，常通過重摻雜半導(dǎo)體與金屬接觸，使其勢壘很薄，電子可以通過

36、隧道效應(yīng)穿過勢壘，從而形成歐姆接觸。 歐姆接觸是設(shè)計和制造超高頻、大功率器件的關(guān)鍵問題，因為半導(dǎo)體元件都需要通過電極引線與外部電路進行電學(xué)連接，而歐姆接觸效應(yīng)則廣泛地應(yīng)用于這些電極引線的設(shè)計生產(chǎn)中。 5.4.2.4 光伏特效應(yīng) 光激發(fā)伏特效應(yīng)是另一個重要的半導(dǎo)光激發(fā)伏特效應(yīng)是另一個重要的半導(dǎo)體物理效應(yīng)，是太陽能電池的理論基礎(chǔ)。體物理效應(yīng)，是太陽能電池的理論基礎(chǔ)。 硅太陽能電池就是利用硅太陽能電池就是利用p-n結(jié)制成的。結(jié)制成的。 圖圖5.25 光伏特效應(yīng)原理光伏特效應(yīng)原理 當(dāng)禁帶寬度相等的當(dāng)禁帶寬度相等的p型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體的結(jié)型半導(dǎo)體的結(jié)合（即為同質(zhì)結(jié)）時，由于二者的母體可以采用

37、同合（即為同質(zhì)結(jié)）時，由于二者的母體可以采用同種材料（如硅），二者的結(jié)合面的共格性能很好，種材料（如硅），二者的結(jié)合面的共格性能很好，很少產(chǎn)生缺陷，而這些缺陷作為電子捕獲中心，會很少產(chǎn)生缺陷，而這些缺陷作為電子捕獲中心，會降低太陽能電池的性能。降低太陽能電池的性能。 p-n結(jié)太陽能電池的特點是對半導(dǎo)體材料的純度結(jié)太陽能電池的特點是對半導(dǎo)體材料的純度要求很高。如果不控制好雜質(zhì)原子，就得不到所需要求很高。如果不控制好雜質(zhì)原子，就得不到所需的的p型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體。另外，激發(fā)產(chǎn)生的空穴型半導(dǎo)體。另外，激發(fā)產(chǎn)生的空穴和電子對很容易相互結(jié)合而消失，從而降低了電池和電子對很容易相互結(jié)合而消失，

38、從而降低了電池效率。所以效率。所以p-n結(jié)太陽能電池始終難以得到大規(guī)模結(jié)太陽能電池始終難以得到大規(guī)模應(yīng)用。應(yīng)用。 近年來，近年來，TiO2半導(dǎo)體的光催化性能引起半導(dǎo)體的光催化性能引起人們的重視。本田人們的重視。本田-藤島（藤島（Honda-Fijishima）在在1972年發(fā)現(xiàn)，水溶液中的年發(fā)現(xiàn)，水溶液中的TiO2電極被光照電極被光照射后，在二氧化鈦電極上會產(chǎn)生氧氣，在對射后，在二氧化鈦電極上會產(chǎn)生氧氣，在對極的鉑電極上會產(chǎn)生氫氣。光激發(fā)的電子進極的鉑電極上會產(chǎn)生氫氣。光激發(fā)的電子進入半導(dǎo)體電極內(nèi)部，空穴到達半導(dǎo)體表面。入半導(dǎo)體電極內(nèi)部，空穴到達半導(dǎo)體表面。此空穴與水里的氧離子相互作用，電子則

39、通此空穴與水里的氧離子相互作用，電子則通過鉑電極與氫離子相互作用。這一效應(yīng)又稱過鉑電極與氫離子相互作用。這一效應(yīng)又稱為為Honda-Fijishima效應(yīng)效應(yīng)。 Honda-Fijishima效應(yīng)給了人們一種利效應(yīng)給了人們一種利用太陽能將水分解成氫氣和氧氣的可能性。用太陽能將水分解成氫氣和氧氣的可能性。電解水最少需電解水最少需1.23eV的電壓，所以半導(dǎo)體禁的電壓，所以半導(dǎo)體禁帶至少要帶至少要1.23eV以上，實際需要以上，實際需要2eV以上。以上。二氧化鈦的禁帶有二氧化鈦的禁帶有3eV，滿足此條件，滿足此條件，SnO2也滿足此條件。也滿足此條件。 由于由于TiO2半導(dǎo)體的禁帶寬度比較大，如半

40、導(dǎo)體的禁帶寬度比較大，如果制成太陽能電池，則只有波長很短的紫外果制成太陽能電池，則只有波長很短的紫外線能夠?qū)⒕€能夠?qū)iO2的價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，的價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，因此對太陽能的利用效率很低。可以在因此對太陽能的利用效率很低。可以在TiO2 表面吸附染料，這些染料能夠吸收大部分太表面吸附染料，這些染料能夠吸收大部分太陽光線，染料中激發(fā)出來的電子又注入到陽光線，染料中激發(fā)出來的電子又注入到TiO2 的導(dǎo)帶上。同時將的導(dǎo)帶上。同時將TiO2制成納米晶體，制成納米晶體，以增加吸附染料的面積。這樣制得所謂以增加吸附染料的面積。這樣制得所謂“納納米米TiO2染料敏化太陽能電池染料敏化太陽能電

41、池”。 圖圖5.26 納米納米TiO2染料敏化太陽能電池工作原理染料敏化太陽能電池工作原理 843 3、電光效應(yīng)、電光效應(yīng)外加電場所造成的晶體折射率的變化稱為電光效應(yīng)。一般情況下，電場對晶體折射率的影響可用一個冪級數(shù)表示：0200nnaEbE式中是外電場時晶體的折射率，a和b是常數(shù) 0n00E85由電場的一次線性項造成的折射率的變化稱為一次電光效應(yīng)、線性電光效應(yīng)或普克爾（Pockels）效應(yīng)。 由電場的二次平方項造成的折射率的變化稱為二次電光效應(yīng)或克爾（Kerr）效應(yīng) 0aE20bE具有對稱中心的晶體沒有一次及其它奇次電光效應(yīng)，只能有二次及其它偶次電光效應(yīng)。二次電光效應(yīng)存在于任何物體中。86半

42、波電壓是晶體用于電光調(diào)制、偏轉(zhuǎn)、顯示半波電壓是晶體用于電光調(diào)制、偏轉(zhuǎn)、顯示等器件時的一個重要參數(shù)。當(dāng)一束激光通過等器件時的一個重要參數(shù)。當(dāng)一束激光通過晶體時，外加偏置電壓將使通過晶體的兩種晶體時，外加偏置電壓將使通過晶體的兩種光（尋常光和異常光）的折射率發(fā)生變化，光（尋常光和異常光）的折射率發(fā)生變化，從而改變這兩種光的相位差。顯然相位差取從而改變這兩種光的相位差。顯然相位差取決于所加的偏置電場強度決于所加的偏置電場強度E和晶體在通光方和晶體在通光方向上的厚度使電光晶體尋常光和異常光的相向上的厚度使電光晶體尋常光和異常光的相位差半波（弧度）所需的電場和厚度的乘積位差半波（弧度）所需的電場和厚度的

43、乘積稱為半波電壓。稱為半波電壓。 與電光效應(yīng)有關(guān)的另一個常用的參數(shù)稱為與電光效應(yīng)有關(guān)的另一個常用的參數(shù)稱為半波電壓半波電壓即即 2U874 4、光電導(dǎo)和光生伏特、光電導(dǎo)和光生伏特半導(dǎo)體吸收光子后，引起載流子激發(fā)，增加了電導(dǎo)率，這附加的電導(dǎo)稱為光電導(dǎo)，這種現(xiàn)象又稱為半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng) 附加的載流子可以來自帶間躍遷，也可以來自雜質(zhì)的激發(fā)，因此，光電導(dǎo)有本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)之分。 88（1）定態(tài)光電導(dǎo)同光強的關(guān)系，這就是光）定態(tài)光電導(dǎo)同光強的關(guān)系，這就是光電導(dǎo)的靈敏度問題電導(dǎo)的靈敏度問題 （2）光電導(dǎo)的弛豫時間，這個時間標(biāo)志著）光電導(dǎo)的弛豫時間，這個時間標(biāo)志著地導(dǎo)體材料對光反應(yīng)的快慢地導(dǎo)體材料對光

44、反應(yīng)的快慢 （3）光電導(dǎo)的光譜分布，這就是對于不同）光電導(dǎo)的光譜分布，這就是對于不同波長的光、半導(dǎo)體光電導(dǎo)的強弱問題，了解波長的光、半導(dǎo)體光電導(dǎo)的強弱問題，了解光電導(dǎo)的光譜分布，具有重要的實際意義光電導(dǎo)的光譜分布，具有重要的實際意義 89在光的照射下，半導(dǎo)體p-n結(jié)的二端產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，人們稱為光生伏特效應(yīng)。其過程是這樣的：半導(dǎo)體吸收光子后，產(chǎn)生了附加的電子和空穴，這些自由載流子在半導(dǎo)體中的局部電場作用下會各自在運動到一定的區(qū)域積累起來，形成凈空間電荷而產(chǎn)生電位差，最常見的是p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)90圖圖7-407-40 p-n結(jié)中產(chǎn)生光生伏特的原理圖91在p-n結(jié)

45、區(qū)附近，能量大于Eg的光子被吸收后，在p-n結(jié)中就會產(chǎn)生電子空穴對。如果這些光生電子和光生空穴擴散到勢壘區(qū)，則在p-n結(jié)內(nèi)建電場的作用下，空穴被掃向p型區(qū)，而電子被掃向n型區(qū)，從而在p區(qū)形成空穴積累，在n區(qū)形成電子積累。 p-n結(jié)光生伏特效應(yīng)的原理92所謂所謂半導(dǎo)化半導(dǎo)化，是指在禁帶中形成附加能級，是指在禁帶中形成附加能級，這些附加能級的電離能都比較低，高溫下受這些附加能級的電離能都比較低，高溫下受到熱激發(fā)就會產(chǎn)生載流子而形成半導(dǎo)體到熱激發(fā)就會產(chǎn)生載流子而形成半導(dǎo)體 。氧。氧化物陶瓷這種由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體的現(xiàn)象化物陶瓷這種由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體的現(xiàn)象 5.4.4.4半導(dǎo)體陶瓷的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體陶

46、瓷的能帶結(jié)構(gòu) 在氧化物晶體中，產(chǎn)生附加能級主要有兩個途在氧化物晶體中，產(chǎn)生附加能級主要有兩個途徑：徑：（1 1）不含雜質(zhì)的氧化物主要通過化學(xué)計量比偏）不含雜質(zhì)的氧化物主要通過化學(xué)計量比偏離，在晶體中存在固有缺陷。離，在晶體中存在固有缺陷。（2 2）在氧化物摻入少量雜質(zhì)，在晶體中存在雜）在氧化物摻入少量雜質(zhì)，在晶體中存在雜質(zhì)缺陷。質(zhì)缺陷。施主能級結(jié)構(gòu)施主能級結(jié)構(gòu) （1 1）雜質(zhì)施主能級）雜質(zhì)施主能級在半導(dǎo)體理論中，半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子可在半導(dǎo)體理論中，半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子可以使電子在其周圍運動而形成量子態(tài)，雜以使電子在其周圍運動而形成量子態(tài)，雜質(zhì)量子態(tài)的能級處在禁帶之中。質(zhì)量子態(tài)的能級處在禁帶之中。

47、若是替位高價雜質(zhì)，則在半導(dǎo)體晶體能帶若是替位高價雜質(zhì)，則在半導(dǎo)體晶體能帶的導(dǎo)帶底附近的位置產(chǎn)生附加的施主能級。的導(dǎo)帶底附近的位置產(chǎn)生附加的施主能級。例如，在氧化物晶體例如，在氧化物晶體MOMO中，金屬離子中，金屬離子M M2+2+是是二價的，如果摻入外來三價金屬離子形成二價的，如果摻入外來三價金屬離子形成替位離子，則在位于靠近導(dǎo)帶底的位置上替位離子，則在位于靠近導(dǎo)帶底的位置上產(chǎn)生附加能級產(chǎn)生附加能級雜質(zhì)施主能級。雜質(zhì)施主能級。（2 2）氧空位或填隙金屬離子缺陷施主能級）氧空位或填隙金屬離子缺陷施主能級半導(dǎo)瓷的制備通常要經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)階段，半導(dǎo)瓷的制備通常要經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)階段，如果燒結(jié)在氮氣或氫氣氣

48、氛中，其氧分壓如果燒結(jié)在氮氣或氫氣氣氛中，其氧分壓低于某一臨界值，則晶粒內(nèi)部的氧將向外低于某一臨界值，則晶粒內(nèi)部的氧將向外界擴散而產(chǎn)生氧不足，而在冷卻過程中在界擴散而產(chǎn)生氧不足，而在冷卻過程中在高溫?zé)崞胶鉅顟B(tài)下產(chǎn)生的氧不足會保留下高溫?zé)崞胶鉅顟B(tài)下產(chǎn)生的氧不足會保留下來，造成化學(xué)計量比偏離來，造成化學(xué)計量比偏離 對于對于MOMO晶體，將會使晶體，將會使MOMO的分子式變?yōu)榈姆肿邮阶優(yōu)镸OMO1-x1-x。這時，由于氧子晶格位置過剩而出現(xiàn)的固這時，由于氧子晶格位置過剩而出現(xiàn)的固有缺陷有兩種可能：有缺陷有兩種可能： 產(chǎn)生氧空位固有缺陷；產(chǎn)生氧空位固有缺陷； 產(chǎn)生填隙金屬離子固有缺陷。產(chǎn)生填隙金屬離子

49、固有缺陷。這兩種可能情況都會在晶格周圍中產(chǎn)生過這兩種可能情況都會在晶格周圍中產(chǎn)生過剩的電子，這些過剩的電子被氧空位或填剩的電子，這些過剩的電子被氧空位或填隙金屬離子形成的正電中心所束縛，且處隙金屬離子形成的正電中心所束縛，且處于一種弱束縛狀態(tài)，在導(dǎo)帶下面形成施主于一種弱束縛狀態(tài)，在導(dǎo)帶下面形成施主能級。能級。 受主能級結(jié)構(gòu)受主能級結(jié)構(gòu) （1 1）雜質(zhì)受主能級）雜質(zhì)受主能級在氧化物晶體中摻雜，若是替位低價雜質(zhì)在氧化物晶體中摻雜，若是替位低價雜質(zhì)原子，則在半導(dǎo)體晶體能帶中位于價帶頂原子，則在半導(dǎo)體晶體能帶中位于價帶頂附近的位置產(chǎn)生附近的受主能級。例如，附近的位置產(chǎn)生附近的受主能級。例如，在氧化物晶

50、體在氧化物晶體MOMO中，如果摻入一價金屬雜中，如果摻入一價金屬雜質(zhì)離子，使它代替了質(zhì)離子，使它代替了M M2+2+離子的晶格位置，離子的晶格位置，則在位于靠近價帶頂?shù)奈恢卯a(chǎn)生附加能則在位于靠近價帶頂?shù)奈恢卯a(chǎn)生附加能級級雜質(zhì)受主能級。雜質(zhì)受主能級。（2 2）金屬離子空位缺陷受主能級）金屬離子空位缺陷受主能級高溫?zé)Y(jié)半導(dǎo)瓷如果燒結(jié)在氧氣氣氛中，高溫?zé)Y(jié)半導(dǎo)瓷如果燒結(jié)在氧氣氣氛中，含氧量較高，其氧分壓超過某一臨界值時，含氧量較高，其氧分壓超過某一臨界值時，則氣相中的氧將向瓷體內(nèi)部擴散，在達到則氣相中的氧將向瓷體內(nèi)部擴散，在達到氣一固平衡時就會在晶體中產(chǎn)生超過化學(xué)氣一固平衡時就會在晶體中產(chǎn)生超過化學(xué)

51、計量比的氧過剩，這氧過剩可能在降溫時計量比的氧過剩，這氧過剩可能在降溫時大部分保留下來，從而使最終產(chǎn)品顯著地大部分保留下來，從而使最終產(chǎn)品顯著地偏離嚴(yán)格的化學(xué)計量比偏離嚴(yán)格的化學(xué)計量比 對于對于MOMO晶體，晶體，MOMO的分子式將變?yōu)榈姆肿邮綄⒆優(yōu)镸OMO1+x1+x。這時，。這時，由于氧過剩，將出現(xiàn)兩種可能：由于氧過剩，將出現(xiàn)兩種可能：形成填隙氧離子形成填隙氧離子由于氧離子半徑較大，形成時所需能量較由于氧離子半徑較大，形成時所需能量較高，因此形成填隙氧離子幾率很小。高，因此形成填隙氧離子幾率很小。形成金屬離子空位形成金屬離子空位由于氧過剩，多余的氧離子填充到氧子晶由于氧過剩，多余的氧離子填

52、充到氧子晶格的位置上去，于是就出現(xiàn)了金屬晶格位格的位置上去，于是就出現(xiàn)了金屬晶格位置的相對過剩，形成金屬離子空位。置的相對過剩，形成金屬離子空位。 圖圖5.27不摻雜不摻雜BaTiO3的能帶簡圖的能帶簡圖 圖圖5.28La摻雜摻雜BaTiO3半導(dǎo)體的能帶簡圖半導(dǎo)體的能帶簡圖 5.1 概述5.2 材料的導(dǎo)電性能 5.4 半導(dǎo)體物理 5.3 金屬電導(dǎo) 5.5 超導(dǎo)物理 2個學(xué)時4個學(xué)時4個學(xué)時2個學(xué)時10個學(xué)時 在另一方面，超導(dǎo)體所顯示的磁學(xué)性能在另一方面，超導(dǎo)體所顯示的磁學(xué)性能同它們的電學(xué)性能同樣地引人注目。超導(dǎo)體同它們的電學(xué)性能同樣地引人注目。超導(dǎo)體的特性表明，完全從電阻率為零這一假設(shè)出的特性

53、表明，完全從電阻率為零這一假設(shè)出發(fā)不能解釋磁學(xué)性能發(fā)不能解釋磁學(xué)性能.一個實驗事實是：大塊一個實驗事實是：大塊超導(dǎo)體在弱磁場中的表現(xiàn)有如一個理想抗磁超導(dǎo)體在弱磁場中的表現(xiàn)有如一個理想抗磁體，在它的內(nèi)部磁感應(yīng)強度為零體，在它的內(nèi)部磁感應(yīng)強度為零.如果把試樣如果把試樣放到磁場中，然后冷卻到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下，放到磁場中，然后冷卻到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下，原來存在試樣中的磁通就要從試樣中被排出，原來存在試樣中的磁通就要從試樣中被排出，這個現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。這個現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。5.5.2 邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)圖圖5.5.2 在恒定外磁場中冷卻的超導(dǎo)球內(nèi)，當(dāng)在恒定外磁場中冷卻的超導(dǎo)球內(nèi)，當(dāng)過渡到臨界溫度以

54、下時磁通被排斥的情況過渡到臨界溫度以下時磁通被排斥的情況 (a)正常態(tài)；正常態(tài)；(b)超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng) 理想導(dǎo)體定義為在它里面不存在任何散射電子理想導(dǎo)體定義為在它里面不存在任何散射電子機制的一種導(dǎo)體。機制的一種導(dǎo)體。超導(dǎo)體與理想導(dǎo)體之間的差別超導(dǎo)體與理想導(dǎo)體之間的差別 理想導(dǎo)體也有零電阻效應(yīng)。但是如果在理想導(dǎo)體也有零電阻效應(yīng)。但是如果在 TTc 時，先使這種導(dǎo)體磁化，這時它還沒有達到電阻率時，先使這種導(dǎo)體磁化，這時它還沒有達到電阻率為零的理想狀態(tài)，內(nèi)部可以存在磁場，然后使溫度為零的理想狀態(tài)，內(nèi)部可以存在磁場，然后使溫度下降到下降到TTc, 電阻率減小到零，在此過程中，電阻率減小

55、到零，在此過程中， “理理想導(dǎo)體想導(dǎo)體”內(nèi)部磁場不會消失。簡單地說內(nèi)部磁場不會消失。簡單地說“理想導(dǎo)體理想導(dǎo)體”沒有邁斯納效應(yīng)，而超導(dǎo)體具有邁斯納效應(yīng)。沒有邁斯納效應(yīng)，而超導(dǎo)體具有邁斯納效應(yīng)。 根據(jù)邁斯納效應(yīng)，把磁體放在超導(dǎo)盤上方，或在超導(dǎo)環(huán)上方放一超導(dǎo)球時， 圖(a)中超導(dǎo)盤和磁鐵之間有排斥力，能把磁鐵浮在超導(dǎo)盤的上面；圖(b)中由于超導(dǎo)球有磁屏蔽作用，其結(jié)果可使超導(dǎo)球懸浮起來。這種現(xiàn)象稱為磁懸浮現(xiàn)象。 磁鐵輕輕地懸浮在一個超導(dǎo)環(huán)上：圖為一個永磁體懸浮在一個零電阻的非磁性導(dǎo)體環(huán)上。導(dǎo)體環(huán)中由變化磁場感生的電流使磁鐵懸浮了起來。 SNHI 1911年翁納斯年翁納斯(Onnes)從實驗中發(fā)現(xiàn)水從

56、實驗中發(fā)現(xiàn)水銀的超導(dǎo)電性。銀的超導(dǎo)電性。 直到直到1986年貝諾茲和穆勒在鑭鋇銅氧化年貝諾茲和穆勒在鑭鋇銅氧化物物(LaBaCuO系系)中發(fā)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)Tc高達高達35K的的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，打破了超導(dǎo)研究領(lǐng)域幾十年來沉超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，打破了超導(dǎo)研究領(lǐng)域幾十年來沉悶的局面，在全世界刮起了一股突破超導(dǎo)材悶的局面，在全世界刮起了一股突破超導(dǎo)材料技術(shù)的旋風(fēng)。他們也因此獲得了料技術(shù)的旋風(fēng)。他們也因此獲得了1988年度年度諾貝爾物理獎。諾貝爾物理獎。 1987年日、美等國和我國學(xué)者接連報導(dǎo)獲年日、美等國和我國學(xué)者接連報導(dǎo)獲得臨界溫度更高的超導(dǎo)材料：得臨界溫度更高的超導(dǎo)材料：Y-Ba-Cu-O系系(90K)，Ba-Sr-C

57、a-Cu-O系系(110K)，Ti-Ba-Ca-Cu-O系系(120K)，使超導(dǎo)技術(shù)從液氦溫區(qū)步，使超導(dǎo)技術(shù)從液氦溫區(qū)步人液氮溫區(qū)以至接近常溫人液氮溫區(qū)以至接近常溫. 這些研究成果使超導(dǎo)材料正在邁人實用化這些研究成果使超導(dǎo)材料正在邁人實用化階段。如果在常溫下實現(xiàn)超導(dǎo)，那么電力貯存階段。如果在常溫下實現(xiàn)超導(dǎo)，那么電力貯存裝置、無損耗直流送電、強大的電磁鐵、超導(dǎo)裝置、無損耗直流送電、強大的電磁鐵、超導(dǎo)發(fā)電機等理想將成為現(xiàn)實，則將引起電子元件發(fā)電機等理想將成為現(xiàn)實，則將引起電子元件和能源領(lǐng)域一場革命。有人認(rèn)為，就人類歷史和能源領(lǐng)域一場革命。有人認(rèn)為，就人類歷史而言超導(dǎo)的成就可以與鐵器的發(fā)明相媲美。而

58、言超導(dǎo)的成就可以與鐵器的發(fā)明相媲美。 6.6.1 6.6.1 固體電介質(zhì)的電導(dǎo)固體電介質(zhì)的電導(dǎo)6.6.2 6.6.2 固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿1. 概述2. 離子電導(dǎo)3. 電子電導(dǎo)4 表面電導(dǎo)1. 概述2、電擊穿 3、熱擊穿4、局部放電擊穿 5、其它擊穿機制6.6 6.6 固體電介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿固體電介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿 固體電介質(zhì)的漏固體電介質(zhì)的漏導(dǎo)電流導(dǎo)電流I I包含了兩個組包含了兩個組成部分：流過電介質(zhì)成部分：流過電介質(zhì)體內(nèi)的電流體內(nèi)的電流I Iv v和沿著電和沿著電介質(zhì)表面流動的電流介質(zhì)表面流動的電流I Is s，并有并有I=II=Iv v+I+Is s 在一定的電壓范圍內(nèi)，電介質(zhì)

59、的漏導(dǎo)電在一定的電壓范圍內(nèi)，電介質(zhì)的漏導(dǎo)電流與所加的電壓成正比，符合歐姆定律流與所加的電壓成正比，符合歐姆定律 設(shè)電介質(zhì)在垂直于電流流動方向的截面設(shè)電介質(zhì)在垂直于電流流動方向的截面積積 ，電極間的距離，電極間的距離 ， 則其體則其體積電導(dǎo)積電導(dǎo) 和體積電阻和體積電阻 為為2mA md sGv vRdApdAGvvvvR ,dARAdGvvvvp ,vvvvpRG1 1并且有在恒定電壓的作用下，流過固體電介質(zhì)的電在恒定電壓的作用下，流過固體電介質(zhì)的電流是時間的函數(shù)。在一般情況下，有以下流是時間的函數(shù)。在一般情況下，有以下幾種電流需要考慮：幾種電流需要考慮： 介質(zhì)極化的快速響應(yīng)部分引起的充電電流

60、介質(zhì)極化的緩慢響應(yīng)部分引起的充電電流 吸收電流 不隨時間而變的漏導(dǎo)電流 要獲得電介質(zhì)導(dǎo)電過程的真實情況，需要獲得電介質(zhì)導(dǎo)電過程的真實情況，需要排除前三種電流的影響。這意味著需要要排除前三種電流的影響。這意味著需要長時間的把電壓加在試樣上，直到流過的長時間的把電壓加在試樣上，直到流過的電流不隨時間改變?yōu)橹?。電流不隨時間改變?yōu)橹埂?在工程應(yīng)用中，常常取加電壓后在工程應(yīng)用中，常常取加電壓后1min時的電流作為計算材料電導(dǎo)率或電阻率的時的電流作為計算材料電導(dǎo)率或電阻率的依據(jù)，當(dāng)然這只能起一個相對比較的作用。依據(jù)，當(dāng)然這只能起一個相對比較的作用。 當(dāng)需要仔細考察材料中的空間電荷和深當(dāng)需要仔細考察材料中的