材料的導(dǎo)電性能

會(huì)計(jì)學(xué)1材料的導(dǎo)電性能25.2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)電性能第1頁(yè)/共21頁(yè)3根據(jù)原子結(jié)構(gòu)理論，每個(gè)電子都占有一個(gè)分立的能級(jí)。泡利（Pauli）不相容原理指出，每個(gè)能級(jí)只能容納2個(gè)電子。第2頁(yè)/共21頁(yè)4當(dāng)N個(gè)原子相互靠近形成一個(gè)固體時(shí)，泡利不相容原理仍然成立，即在整個(gè)固體中，也只能有2個(gè)電子占據(jù)相同的能級(jí)。當(dāng)這兩個(gè)原子的距離足夠近時(shí)，它們的2s軌道的電子就會(huì)相互作用，以致不能再維持在相同的能級(jí)。當(dāng)固體中有N個(gè)原子，這N個(gè)原子的2s軌道的電子都會(huì)相互影響。這時(shí)就必須出現(xiàn)N個(gè)不同的分立能級(jí)來(lái)安排所有這些2s軌道的電子（這些電子共有2N個(gè)）。2s軌道的N個(gè)分立的能級(jí)組合在一起，成為2s的能帶。第3頁(yè)/共21頁(yè)5圖5.1電子數(shù)量增加時(shí)能級(jí)擴(kuò)展成能帶第4頁(yè)/共21頁(yè)6圖5.2鈉的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶禁帶第5頁(yè)/共21頁(yè)7由于鈉只有1個(gè)3s電子，所以在3s價(jià)帶上，只有一半的能級(jí)被電子所占據(jù)。自然，這些被電子占據(jù)的能級(jí)應(yīng)該是能量較低的能級(jí)，而3s價(jià)帶中能量較高的處于上方的能級(jí)很少有電子占據(jù)。當(dāng)溫度為絕對(duì)零度時(shí)，只有下面一半的能級(jí)被電子占據(jù)，上面一半的能級(jí)沒(méi)有電子占據(jù)。能帶中有一半的能級(jí)被電子占據(jù)的能級(jí)稱(chēng)為費(fèi)密能級(jí)。而當(dāng)溫度大于絕對(duì)零度時(shí)，有一些電子獲得了能量，跳到價(jià)帶里的較高能級(jí)，而在相對(duì)應(yīng)的較低的能級(jí)上失去了電子，產(chǎn)生了相同數(shù)量的空穴。第6頁(yè)/共21頁(yè)8圖5.3能帶中電子隨溫度升高而進(jìn)行能級(jí)躍遷絕對(duì)零度時(shí),所有外層電子占據(jù)低的能級(jí);溫度升高,部分電子被激發(fā)到原未被填充的能級(jí)第7頁(yè)/共21頁(yè)9鎂原子的核外電子結(jié)構(gòu)為1s22s22p63s2。像鎂這樣的周期表ⅡA族元素的最外層3s軌道有2個(gè)電子，所以按理說(shuō)它的3s能帶就會(huì)被電子全部占滿(mǎn)。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(jí)，所以鎂具有導(dǎo)電性。第8頁(yè)/共21頁(yè)10能帶重疊現(xiàn)象圖5.4鎂的能帶結(jié)構(gòu)第9頁(yè)/共21頁(yè)11從鈧到鎳的過(guò)渡族金屬中，未被電子充滿(mǎn)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(jí)。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(gè)例外。銅中的內(nèi)層3d能帶已經(jīng)被電子充滿(mǎn)，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(méi)有相互作用，所以銅的導(dǎo)電性非常好。銀和金的情況與銅類(lèi)似。第10頁(yè)/共21頁(yè)12周期表ⅣA族元素，如碳、硅、鍺、錫，在最外層p軌道有2個(gè)電子，化合價(jià)為4。根據(jù)前面的討論，因?yàn)檫@些元素的p能帶沒(méi)有被電子充滿(mǎn)，似乎應(yīng)該具有良好的導(dǎo)電性。但實(shí)際情況卻不是這樣。這些元素都是以共價(jià)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(jià)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。第11頁(yè)/共21頁(yè)13圖5.5金剛石中碳的能帶結(jié)構(gòu)第12頁(yè)/共21頁(yè)14在金剛石的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間有一個(gè)較大的禁帶Eg。很少有電子具有足夠的能量，能夠從價(jià)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，可以使價(jià)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10-13Ω-1·cm-1，溫度升到800℃時(shí)則為10-4Ω-1·cm-1。第13頁(yè)/共21頁(yè)15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(shí)際上，錫的禁帶寬度小得使它具有類(lèi)似導(dǎo)體的導(dǎo)電性。而禁帶寬度Eg稍大一點(diǎn)的鍺和硅成了典型的半導(dǎo)體。絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體相似，價(jià)帶上都排滿(mǎn)了電子，而導(dǎo)帶上則沒(méi)有電子。不同之處在于，許多半導(dǎo)體的禁帶寬度為0.4~0.5eV，而絕緣體的禁帶寬度則為4~5eV。不過(guò)，并沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的禁帶寬度數(shù)值以截然區(qū)別半導(dǎo)體和絕緣體。第14頁(yè)/共21頁(yè)16表5.2一些材料的禁帶寬度Eg（eV）材料禁帶寬度EgC(金剛石)5.48Si1.12Ge0.67Sn（灰錫）0.08GaAs1.35InAs0.36TiO2(銳鈦礦)3.2ZnO3.2In2O32.5SrTiO33.2ZrO25.0第15頁(yè)/共21頁(yè)175.2.3導(dǎo)電材料與電阻材料導(dǎo)電材料是以傳送電流為主要目的的材料。對(duì)于像電力工業(yè)這樣的強(qiáng)電應(yīng)用的導(dǎo)電材料，主要有銅、鋁及其合金。而像電子工業(yè)這樣的弱電應(yīng)用的導(dǎo)電材料則除了銅、鋁之外，還常用金、銀等。第16頁(yè)/共21頁(yè)18電阻材料的主要目的是給電路提供一定的電阻。作為精密電阻材料的以銅鎳合金為代表，如康銅（Cu-40%Ni-1.5%Mn）。銅鎳合金的電阻率隨著成分的變化而連續(xù)變化，在含鎳為40wt%左右具有最大的電阻率、最小的溫度系數(shù)、最大的熱電勢(shì)。第17頁(yè)/共21頁(yè)19電熱合金的使用溫度非常高。對(duì)于使用溫度為900~1350℃的電熱合金，常用鎳鉻合金。當(dāng)使用溫度更高時(shí)，一般的電熱合金不是會(huì)發(fā)生熔化，就是會(huì)發(fā)生氧化。此時(shí)需要采用陶瓷電熱材料。常見(jiàn)的陶瓷電熱材料有碳化硅（SiC）、二硅化鉬（MoSi2）、鉻酸鑭（LaCrO3）和二氧化錫（SnO2）等。第18頁(yè)/共21頁(yè)205.2.4其他材料的導(dǎo)電性能離子材料中的導(dǎo)電性往往需要通過(guò)離子的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@類(lèi)材料中的禁帶寬度較大，電子難以躍遷到導(dǎo)帶。所以大多數(shù)的離子材料是絕緣體。如果在離子材料中引入雜質(zhì)或空位，能夠促進(jìn)離子的擴(kuò)散，改善材料的導(dǎo)電性。當(dāng)然，高溫也能促進(jìn)離子擴(kuò)散，進(jìn)而改善導(dǎo)電性。第19頁(yè)/共21頁(yè)21高分子材料中的電子