功能材料概論3(導(dǎo)體半導(dǎo)體及材料性能)

2.5導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體固體按導(dǎo)電性能的高低可分為：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體導(dǎo)體：在外電場(chǎng)的作用下，大量共有化電子很容易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。（善于傳導(dǎo)電流的物體，其電阻率很?。┙^緣體：在外電場(chǎng)作用下，共有化電子很難接受外電場(chǎng)的能量，所以形不成電流。（電阻率極高的物體）半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)及電子的填充情況可以說(shuō)明導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別，這是能帶理論的巨大成就。12.5.1能帶的形成1.外層電子共有化對(duì)大量原子有規(guī)則地排列成晶體時(shí)，由于原子離得很近，每個(gè)電子不僅受到本身原子核的作用，而且受到鄰近原子核的影響。內(nèi)層電子因受原子核的牢牢束縛而受影響較小。外層電子（價(jià)電子）卻不同，除受本身原子的勢(shì)場(chǎng)作用外，還受鄰近原子的勢(shì)場(chǎng)作用，后者甚至更強(qiáng)，結(jié)果就導(dǎo)致這些電子不再局限于某一原子而可以從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰原子中去，可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)，即電子不再分屬各個(gè)原子所有，而是屬于整個(gè)原子所共有，這稱電子的共有化。2因?yàn)楫?dāng)有N個(gè)相同的自由原子時(shí)，每個(gè)原子內(nèi)的電子有相同的分立的能級(jí)，當(dāng)這N個(gè)原子逐漸靠近時(shí)，原來(lái)束縛在單原子中的電子，不能在一個(gè)能級(jí)上存在（違反泡利不相容原則）從而只能分裂成N個(gè)非?？拷哪芗?jí)（10-22ev），因?yàn)槟芰坎钌跣?，可看成能量連續(xù)的區(qū)域，稱為能帶。1s2p2sEo原子間距禁帶禁帶能帶2.能帶的形成泡利不相容原理（Pauli’sexclusionprinciple）指在原子中不能容納運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子。

32.5.2能帶填充與導(dǎo)電性1.滿帶：各能級(jí)都被兩個(gè)自旋相反電子填滿的能帶滿帶當(dāng)電子從原來(lái)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)時(shí)，另一電子必作相反的轉(zhuǎn)移。沒(méi)有額外的定向運(yùn)動(dòng)。滿帶中電子不能形成電流。滿帶不導(dǎo)電4導(dǎo)帶電子可在外場(chǎng)作用下躍遷到高一級(jí)的能級(jí)形成電流。這時(shí)，沿電場(chǎng)正、反方向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)不相等，破壞了原來(lái)的對(duì)稱分布，總電流不為零，所以不滿帶可以導(dǎo)電。2.導(dǎo)帶：能帶不滿，部分能級(jí)被電子占據(jù)的能帶3.空帶：各能級(jí)都沒(méi)有被電子填充的能帶4.價(jià)帶：價(jià)電子（最外層電子）所處的能帶稱為價(jià)帶52.5.3金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)1.導(dǎo)體：價(jià)帶是導(dǎo)帶或等效導(dǎo)帶導(dǎo)帶滿帶滿帶空帶滿帶空帶價(jià)帶是滿帶和空帶重疊價(jià)帶是滿帶和空帶相連導(dǎo)體中存在導(dǎo)帶在原子未被激發(fā)的正常態(tài)下，空帶沒(méi)有電子占據(jù)，空帶中一旦存在電子就具有導(dǎo)電性，空帶也是導(dǎo)帶。導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的不同，主要是因?yàn)槟軒ЫY(jié)構(gòu)不同62.絕緣體：只有滿帶和空帶，且禁帶寬度較大滿帶空帶禁帶例如金剛石中兩個(gè)碳原子相距15nm時(shí)，△Eg=5.33eV。

滿帶與導(dǎo)帶之間被一個(gè)較寬的禁帶所隔開(kāi)，在常溫下幾乎很少有電子可以被激發(fā)越過(guò)禁帶，因此其電導(dǎo)率很低。73.半導(dǎo)體：價(jià)帶是滿帶，但是禁帶寬度較小滿帶空帶禁帶例如硅Eg=1.14eV，鍺Eg=0.67eV，砷化鎵Eg=1.43eV。金屬導(dǎo)電與半導(dǎo)體導(dǎo)電的差別：金屬導(dǎo)電的載流子是自由電子，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子是導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴。半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)下面是價(jià)帶，價(jià)帶是一個(gè)滿價(jià)帶；上面是導(dǎo)帶，導(dǎo)帶是空的；滿價(jià)帶和空帶之間是禁帶，其禁帶寬度比較窄，一般在1ev左右。價(jià)帶中的電子受能量激發(fā)后，如果激發(fā)能大于Eg，電子可以從價(jià)帶躍遷到空帶上，形成導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下一個(gè)空的能級(jí)位置--空穴。82.6本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體：高純度、無(wú)缺陷的元素半導(dǎo)體。雜質(zhì)濃度﹤10-9導(dǎo)電機(jī)制：空帶滿帶禁帶-e-e-e-eIeIP本征激發(fā)空穴電流（本征導(dǎo)電）價(jià)帶中的電子受激發(fā)后從滿價(jià)帶躍到空導(dǎo)帶中，躍遷電子可在導(dǎo)帶中自由運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，在滿價(jià)帶中留下空穴，空穴帶正電荷，在價(jià)帶中空穴可傳導(dǎo)正電荷。因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電來(lái)源于電子和空穴的運(yùn)動(dòng)，電子和空穴都是導(dǎo)電的載流子。92.雜質(zhì)半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中有意加入少量的雜質(zhì)元素，以控制電導(dǎo)率，有n型和p型n型-施主型半導(dǎo)體：摻雜原子的價(jià)電子多于純?cè)氐膬r(jià)電子例在四價(jià)鍺（Ge）元素半導(dǎo)體中摻入五價(jià)砷（AS）形成的半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5摻入AS以后，五個(gè)價(jià)電子中，有四個(gè)電子與周圍的Ge組成共價(jià)鍵晶體，還多余一個(gè)電子，此電子成為自由電子，易激發(fā)。10p型-受主型半導(dǎo)體：摻雜原子的價(jià)電子少于純?cè)氐膬r(jià)電子例在四價(jià)鍺（Ge）元素半導(dǎo)體中摻入三價(jià)硼（B）形成的半導(dǎo)體摻入B以后，B是三價(jià)，與周圍的Ge組成共價(jià)鍵晶體，還缺少一個(gè)電子，從而形成一個(gè)空穴，形成空穴導(dǎo)電。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeBB+3+3111.超導(dǎo)電現(xiàn)象超導(dǎo)電現(xiàn)象某些材料在溫度低于某一溫度時(shí)，電阻突然降到零的現(xiàn)象。具有超導(dǎo)電性的材料稱為超導(dǎo)體，電阻降為零的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度。R/R04.004.104.204.304.400.00000.00050.00100.00150.0020T/K臨界溫度低溫下汞的電阻溫度關(guān)系2.7超導(dǎo)性12

對(duì)于氧化物超導(dǎo)體，其轉(zhuǎn)變溫度范圍較寬。0.9R00.5R00.1R0R0TeTmTs氧化物超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度

電阻從起始轉(zhuǎn)變處下降到一半時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度定義為轉(zhuǎn)變溫度。轉(zhuǎn)變寬度132.超導(dǎo)體的主要特性（1）零電阻（完全導(dǎo)電性）超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻完全消失，若形成回路，一旦回路中有電流，該電流將無(wú)衰減地持續(xù)下去。File和Mills利用精確核磁共振方法測(cè)量超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，來(lái)研究螺線管內(nèi)超導(dǎo)電流的衰變，得出的結(jié)論是超導(dǎo)電流的衰變時(shí)間不短于10萬(wàn)年。（2）臨界磁場(chǎng)、臨界電流和臨界溫度

材料的超導(dǎo)態(tài)可以被外加磁場(chǎng)破壞而轉(zhuǎn)入正常態(tài)，這種破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為臨界磁場(chǎng)。臨界磁場(chǎng)的存在，限制了超導(dǎo)體中能夠通過(guò)的電流。當(dāng)通過(guò)超導(dǎo)體的電流超過(guò)某一電流值時(shí)，超導(dǎo)態(tài)被破壞，此電流稱為臨界電流。14（4）同位素效應(yīng)

同位素的質(zhì)量越大，轉(zhuǎn)變溫度越低。同位素效應(yīng)說(shuō)明超導(dǎo)不僅與電子狀態(tài)有關(guān)，也與金屬的離子晶格有關(guān)。磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部（3）邁斯納效應(yīng)——完全抗磁性

處于超導(dǎo)狀態(tài)的金屬，無(wú)論先降溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是為零。這一現(xiàn)象為邁斯納（Meissner）1933年發(fā)現(xiàn)，稱為邁斯納效應(yīng)。15磁性材料主要是指由過(guò)渡元素鐵、鈷、鎳極其合金等材料。它們主要的磁性能如下：（1）高磁導(dǎo)率磁性材料的磁導(dǎo)率很大，μr>>1，可達(dá)102~105量級(jí)。這就使它們具有被強(qiáng)烈磁化（呈現(xiàn)磁性）的特性。非磁性物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率為常數(shù)且接近于1；磁性物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率則很大。2.8磁性能16分子電流和磁疇理論：在物質(zhì)的分子中，電子的繞核運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)將形成分子電流，分子電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，每個(gè)分子都相當(dāng)于一個(gè)基本小磁鐵，具有永久軌道磁矩和自旋磁矩。同時(shí)，在磁性物質(zhì)內(nèi)部還分成許多小區(qū)域；由于磁性物質(zhì)分子的相互作用，使分子電流在局部形成有序排列而顯示出磁性，這些小區(qū)域稱為磁疇。磁性物質(zhì)沒(méi)有外場(chǎng)時(shí)，各磁疇是混亂排列的，磁場(chǎng)互相抵消。17在外磁場(chǎng)作用下，磁疇就逐漸轉(zhuǎn)到與外場(chǎng)一致的方向上，即產(chǎn)生了一個(gè)與外場(chǎng)方向一致的磁化磁場(chǎng)，從而磁性物質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大大增加。就是說(shuō)磁性物質(zhì)被強(qiáng)烈的磁化了。

磁性物質(zhì)被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、變壓器等設(shè)備中線圈中都含有的鐵心。就是利用其磁導(dǎo)率大的特性，使得在較小的電流情況下得到盡可能大的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通。非磁性材料沒(méi)有磁疇的結(jié)構(gòu)，不具有磁化特性。18二、磁飽和性（2）磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和性當(dāng)外磁場(chǎng)(或激勵(lì)磁場(chǎng)的電流)增大到一定程度時(shí)，全部磁疇都會(huì)轉(zhuǎn)向與外場(chǎng)方向一致，這時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將達(dá)到飽和值。（3）磁滯性要使剩磁消失，通常需進(jìn)行反向磁化。使B=0時(shí)的H值稱為矯頑磁力

Hc。BHO412356在鐵心線圈通有交變電流時(shí)，鐵心將被交變磁化。電流變化一次時(shí)，B隨H而變化的關(guān)系如圖所示：當(dāng)H減少為零時(shí)，B并未回到零值，出現(xiàn)剩磁Br。磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱為磁滯性。不同物質(zhì)的滯回曲線是不同的。19(4)磁性各向異性指物質(zhì)的磁性隨方向而變的現(xiàn)象磁性的各向異性：?jiǎn)尉w的不同晶向上，磁性能是不同的。磁晶各向異性能：磁化強(qiáng)度矢量沿不同晶軸方向的能量差。主要表現(xiàn)為弱磁體的磁化率及鐵磁體的磁化曲線隨磁化方向而變。鐵磁體的磁各向異性尤