材料物理性能

第二章材料的電學(xué)性能學(xué)習(xí)內(nèi)容：2.1概述2.2導(dǎo)電性2.3晶體的能帶2.4金屬的導(dǎo)電性2.5合金的導(dǎo)電性2.6導(dǎo)電性的測量2.7電阻分析的測量2.8半導(dǎo)體電學(xué)性能2.9絕緣體的電學(xué)性能2.10超導(dǎo)電性2.11接觸電性2.12熱電性2.13壓電性2.14熱釋電性2.15鐵電性2.16光電性2.17磁電性材料的電學(xué)性能：

主要包括導(dǎo)電性、超導(dǎo)電性，介電性，磁電性、熱電性、接觸電性、熱釋電性、壓電性、光電性等等。2.1概述2.2導(dǎo)電性描述材料導(dǎo)電性的基本物理量：電阻R、電阻率ρ和電導(dǎo)率σ。電阻的測量：電阻及電阻率的計(jì)算：電阻率ρ和電導(dǎo)率σ的關(guān)系:根據(jù)電阻率ρ和電導(dǎo)率σ的大小，判定材料導(dǎo)電性能好壞，并進(jìn)行分類。導(dǎo)體：ρ<10-5Ωm半導(dǎo)體：10-3

<ρ<109Ωm

絕緣體：ρ>109

Ωm造成材料導(dǎo)電性差異的主要原因:能帶結(jié)構(gòu)及其被電子填充的性質(zhì)有關(guān)。2.3晶體的能帶晶體的能帶分為：價(jià)帶、禁帶和導(dǎo)帶。晶體的導(dǎo)電性是其能帶分布的反映。其價(jià)帶是否被填滿，是否存在禁帶，以及禁帶寬度的大小等因素決定其導(dǎo)電性能。2.3.1導(dǎo)體和非導(dǎo)體的區(qū)別價(jià)帶導(dǎo)帶金屬導(dǎo)體的能帶分布特點(diǎn):無禁帶第一種：價(jià)帶和導(dǎo)帶重疊。第二種：價(jià)帶未被價(jià)電子填滿，價(jià)帶本身就是導(dǎo)帶。價(jià)帶（導(dǎo)帶）這兩種情況下的價(jià)電子就是自由電子，所以金屬即使在溫度較低的情況下仍有大量的自由電子，具有很強(qiáng)的導(dǎo)電能力。半導(dǎo)體和絕緣體的能帶分布情況:在絕對零度時，滿價(jià)帶和空導(dǎo)帶，基本無導(dǎo)電能力。非導(dǎo)體的能帶分布特點(diǎn):有禁帶2.3.2半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別禁帶寬度的大小。半導(dǎo)體：禁帶寬度小。絕緣體：禁帶寬度大。價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶ΔE禁帶ΔE金剛石ΔE=6eV硅ΔE=1.1eV絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體:禁帶寬度小。在室溫下，一部分價(jià)電子能獲得大于禁帶寬度的能量ΔE，躍遷到導(dǎo)帶中去，成為自由電子，同時在價(jià)帶中形成空穴，這樣就使半導(dǎo)體具有一些導(dǎo)電能力。絕緣體:禁帶寬度大。在室溫下，幾乎沒有價(jià)電子能躍遷到導(dǎo)帶中去，故基本無自由電子和空穴，所以絕緣體幾乎沒有導(dǎo)電能力。金屬導(dǎo)電的機(jī)制：2.4金屬的導(dǎo)電性

在外電場的作用下，自由電子以波動的形式在晶體點(diǎn)陣中定向傳播。在外電場的作用下，自由電子在導(dǎo)體中定向移動。經(jīng)典理論量子理論2.4.1金屬導(dǎo)電的機(jī)制與馬基申定律根據(jù)量子電子論和能帶理論得出電導(dǎo)率計(jì)算公式：e電子的電荷量，n*單位體積內(nèi)的有效電子數(shù)，m*電子的有效質(zhì)量，τ電子兩次相鄰散射的時間間隔。令：（散射系數(shù)）其中：則電阻率為：電阻的本質(zhì)

電子波在晶體點(diǎn)陣中傳播時，受到散射，從而產(chǎn)生阻礙作用，降低了導(dǎo)電性。

電子波在絕對零度下，通過一個理想點(diǎn)陣時，將不會受到散射，無阻礙傳播，電阻率為0。電阻產(chǎn)生的機(jī)制（3）晶體點(diǎn)陣的完整性被破壞（存在雜質(zhì)原子、晶體缺陷等），對電子波產(chǎn)生散射。（1）晶體點(diǎn)陣離子的熱振動（聲子），對電子波產(chǎn)生散射。（2）晶體點(diǎn)陣電子的熱振動，對電子波產(chǎn)生散射。原因（1）、（2）產(chǎn)生，0K時為0。電阻基本電阻：殘余電阻：原因（3）產(chǎn)生，0K時的電阻。馬基申定律金屬固溶體電阻率：基本電阻率ρ(T)：由熱運(yùn)動引起，與溫度有關(guān)。殘余電阻率ρC：決定于化學(xué)缺陷和物理缺陷，與溫度無關(guān)。2.4.2影響金屬導(dǎo)電性的原因1.溫度對金屬電阻的影響（1）一般規(guī)律其大小決定于晶體缺陷的類型和數(shù)量。0K時：極低溫時：電子散射占主要地位，聲子散射很弱，基本電阻與溫度的平方成正比。(T≤2K)

隨著溫度的升高，聲子散射散射作用逐漸增強(qiáng)，并占據(jù)主導(dǎo)地位。根據(jù)德拜理論，原子熱振動存在兩個規(guī)律性區(qū)域，區(qū)分區(qū)域的溫度被稱為德拜溫度θD。時：時：電阻率隨溫度的變化規(guī)律：對于非過渡族金屬：θD≤500K，當(dāng)T>2/3θD

時，可略去高次項(xiàng)，具有線性關(guān)系。

（室溫以上）電阻溫度系數(shù)室溫以上

純金屬的電阻溫度系數(shù)大多近似為，過渡族金屬特別是磁性金屬較大，如鐵的值為（2）過渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變在過渡族金屬中電阻與溫度的關(guān)系復(fù)雜，Mott認(rèn)為這是由于過渡族金屬中存在著不同的載體。傳導(dǎo)電子有可能從s-殼層向d-殼層過渡，對電阻帶來明顯影響。另外，在

時，s態(tài)電子在d態(tài)電子上的散射將變得很可觀。因此，金屬室溫以上的線性關(guān)系被破壞。過渡族金屬金屬多晶型轉(zhuǎn)變多晶型金屬的不同結(jié)構(gòu)具有不同的物理性質(zhì)，電阻溫度系數(shù)也不同，電阻率隨溫度變化將發(fā)生突變。（3）鐵磁金屬的電阻-溫度關(guān)系反常鐵磁材料隨溫度的變化，在一定溫度下發(fā)生鐵磁-順磁的磁相轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致電阻-溫度關(guān)系反常。2.受力情況對金屬電阻的影響（1）拉力的影響（2）壓力的影響在彈性限度內(nèi)，單向拉伸或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力能提高金屬的電阻率。ρ0為無負(fù)荷電阻率，αγ應(yīng)力系數(shù)，σ為拉應(yīng)力。對于大多數(shù)金屬，壓力能降低金屬的電阻率。ρ0為真空下電阻率，φ壓力系數(shù)，為負(fù)值，p為拉應(yīng)力。在高壓下，原子間距縮小，內(nèi)部缺陷的形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)、費(fèi)米面、能帶結(jié)構(gòu)及電子散射機(jī)制等都發(fā)生了變化，從而影響材料的導(dǎo)電性，甚至可能導(dǎo)致物質(zhì)的金屬化。發(fā)生從絕緣體→半導(dǎo)體→金屬

→超導(dǎo)體的某些轉(zhuǎn)變

。

但一些堿金屬、堿土金屬和第ν族的半金屬元素出現(xiàn)反常。3.冷加工對金屬電阻的影響冷加工的形變使金屬的電阻率提高。4.晶格缺陷對金屬電阻的影響晶格缺陷使金屬的電阻率提高。5.熱處理對金屬電阻的影響冷加工后，再退火，可使電阻降低。當(dāng)退火溫度接近于再結(jié)晶溫度時，可降低到冷加工前的水平。但當(dāng)退火溫度高于再結(jié)晶溫度時，電阻反而增大。新晶粒的晶界阻礙了電子的運(yùn)動。淬火能夠固定金屬在高溫時的空位濃度，而產(chǎn)生殘余電阻。淬火溫度越高，殘余電阻越大。6.幾何尺寸效應(yīng)對金屬電阻的影響當(dāng)試樣的尺寸與導(dǎo)電電子的平均自由程在同一數(shù)量級時，電子在表面發(fā)生散射，產(chǎn)生附加電阻。7.電阻率的各向異性一般立方晶系的單晶體電阻表現(xiàn)為各向同性，但對稱性較差的六方、四方、斜方等晶系單晶體的導(dǎo)電性表現(xiàn)為各向異性。多晶體各向同性。2.5合金的導(dǎo)電性2.5.1固溶體的導(dǎo)電性1.固溶體的電阻與組元濃度的關(guān)系在形成固溶體時，與純組元相比，合金的導(dǎo)電性能降低（電阻增大）。即使是在低導(dǎo)電性的金屬溶劑中加入高導(dǎo)電性的金屬溶質(zhì)也是如此。原因主要原因：原子半徑差引起的晶格點(diǎn)陣畸變，增加了對電子的散射，使得電阻增大。半徑差越大，越明顯。（與合金熱阻的規(guī)律相同）另外還有：（1）雜質(zhì)對理想晶體的局部破壞。（2）合金化對能帶結(jié)構(gòu)起了作用，改變了電子能態(tài)的密度和有效電子數(shù)。（3）合金化影響了彈性常數(shù)，點(diǎn)陣振動的聲子譜改變。在連續(xù)固溶體中，合金成分距組元越遠(yuǎn)，電阻率越高。在二元合金中，最大電阻率一般出現(xiàn)在50%濃度處，而且比組元電阻高幾倍。2.固溶體電阻與溫度的關(guān)系固溶體中加熱時，電阻率通常增大，但其電阻溫度系數(shù)與純金屬相比降低，電阻率隨成分而變。低濃度時電阻率為：ρT為溶劑組元的電阻率，ρ，為殘余電阻率。C為雜質(zhì)原子含量，ξ為溶入1%雜質(zhì)原子時引起的附加電阻率。附加電阻率ξ的大小取決于溶劑和溶質(zhì)金屬的價(jià)數(shù)，原子價(jià)差別越大，ξ越大。a、b為常數(shù)，ZZ、

ZJ分別為溶質(zhì)和溶劑的原子價(jià)數(shù)。3.有序固溶體（超結(jié)構(gòu)）的電阻合金有序化時，電阻降低。主要原因：晶體的離子勢場在有序化后對稱性增強(qiáng)，對電子的散射幾率大大降低，使得有序合金的殘余電阻減小。4.不均勻固溶體（K狀態(tài)）的電阻大多固溶體在冷加工和退火時具有與純金屬同樣的規(guī)律。即冷加工使得電阻增大、退火使得電阻減小。但有一些含有過渡族金屬元素的合金Ni-Cr，Ni-Cu等，具有在經(jīng)過冷加工電阻減小、退火后電阻增大的反常狀態(tài)，這種反常狀態(tài)稱為K狀態(tài)。由于組元原子在晶體中不均勻分布的結(jié)果。冷加工在一定程度上促使固溶體不均勻組織的破壞，電阻減小。而之后的退火又使其組織恢復(fù)到原來狀態(tài)。2.5.2金屬化合物的導(dǎo)電性兩種金屬的原子形成化合物時，由于原子鍵合的方式發(fā)生本質(zhì)變化，使得化合物的電阻較固溶體大大增大，接近于半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。原因部分結(jié)合方式由金屬鍵變?yōu)楣矁r(jià)鍵或離子鍵。2.6導(dǎo)電性的測量利用歐姆定律和一些測試方法，對材料的電阻進(jìn)行精確測量。2.6.1導(dǎo)體電阻的測量1.單電橋（惠斯通電橋）法2.雙電橋（開爾文電橋）法3.直流電位差計(jì)測量法2.6.2半導(dǎo)體電阻的測量四探針法2.6.3絕緣體電阻的測量沖擊檢流計(jì)方法2.7電阻分析的應(yīng)用材料的電阻對材料的成分、結(jié)構(gòu)和組織變化很敏感，故可利用測量電阻的方法，間接對材料的成分、結(jié)構(gòu)和組織變化進(jìn)行分析。較多的被用于對合金的研究。2.7.1研究合金的時效性合金的時效性均勻固溶的合金隨著時間的變化，其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。伴隨電阻改變。電阻隨時間的增長而增大。1.低溫時效：原因：低溫時，均勻固溶體隨著時間的增加，溶質(zhì)原子在晶格點(diǎn)陣中發(fā)生優(yōu)勢偏聚，乃至形成小的晶核等結(jié)構(gòu)缺陷。使得電阻增大。2.高溫時效：電阻隨時間的增長而減小。原因：高溫時，均勻固溶體隨著時間的增加，從固溶體中析出一些有序相，降低了溶質(zhì)濃度。使得電阻降低。2.7.2合金的有序-無序轉(zhuǎn)變2.7.3測量固溶體的溶解度原理：合金有序后電阻率降低。原理：合金溶解度增加，電阻率增大。2.7.4研究淬火鋼的回火原理：回火過程中發(fā)生了馬氏體和奧氏體之間的相轉(zhuǎn)變。伴隨電導(dǎo)率的變化。2.7.5研究材料的疲勞性原理：外應(yīng)力（拉伸和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力）使得材料內(nèi)部出現(xiàn)位錯、裂紋等缺陷，是的材料的電阻率增大。并隨時間的增長，效果變強(qiáng)。2.8半導(dǎo)體的電學(xué)性能半導(dǎo)體電阻率：10-3～109Ω?m半導(dǎo)體禁帶寬度：Eg=0.2～

3.5eV；半導(dǎo)體的電學(xué)性能：介于金屬和絕緣體之間。半導(dǎo)體材料分類：晶體半導(dǎo)體、非晶半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體。主要半導(dǎo)體材料：Si、Ge等元素半導(dǎo)體，GaP、GaN、ZnS、ZnO等化合物半導(dǎo)體材料。應(yīng)用：半導(dǎo)體電子器件、集成電路、發(fā)光器件、光電轉(zhuǎn)換材料等。2.8.1概述2.8.2半導(dǎo)體中的能量狀態(tài)—能帶以Si為例：

單原子能級：3s23p2,3p中有4個電子空位。

若有

N個原子的無缺陷硅單晶：

能帶：共價(jià)鍵結(jié)合后，能級分裂成滿帶和空帶

滿帶：4N個價(jià)電子全部占滿，能量EV

。

空帶：有4N個空位，沒有電子，能量EC。

禁帶：Eg=EC-EV

原子結(jié)合狀態(tài)：價(jià)電子共有的共價(jià)鍵。2.8.3本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能本征半導(dǎo)體：純凈的、無結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶。在絕對零度和無外界影響的情況下：半導(dǎo)體的滿帶中被電子占滿，空帶中無電子，不導(dǎo)電。在溫度升高、光照等熱激發(fā)（本征激發(fā)）時：價(jià)電子從外界獲得能量，部分價(jià)電子獲得足夠的能量脫離束縛，躍遷到空帶中。空帶中有了電子成為導(dǎo)帶，滿帶中的部分價(jià)電子遷出出現(xiàn)了空穴，成為價(jià)帶。本征激發(fā)時，自由電子和空穴成對出現(xiàn)，在外電場的作用下，電子逆電場方向運(yùn)動，空穴順電場方向運(yùn)動。滿帶空帶禁帶ΔE自由電子和空穴在外電場的作用下定向運(yùn)動，形成電流。自由電子和空穴都能導(dǎo)電，統(tǒng)稱為載流子。1.本征載流子的濃度自由電子和空穴的濃度均為：（1）本征載流子的濃度與溫度和禁帶寬度有關(guān)。（2）室溫下，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度很小，導(dǎo)電能力很弱。2.本征半導(dǎo)體的遷移和電阻率遷移率：單位場強(qiáng)下，載流子的平均漂移速度。分別用μn和μP分別表示自由電子和空穴的遷移率。自由電子和空穴熱運(yùn)動，在外電場的作用下做定向漂移運(yùn)動，形成電流。漂移過程中不斷碰撞，有一定的漂移速度。（1）遷移率與外電場強(qiáng)成正比。（2）自由電子的遷移率較空穴高。（3）能帶寬度大的遷移率低。本征半導(dǎo)體電阻率：本征半導(dǎo)體的電學(xué)特性歸納如下：（1）本征激發(fā)成對產(chǎn)生自由電子和空穴，所自由電子濃度與空穴濃度相等，都是等于本征載流子的濃度ni（2）ni和Eg有近似反比關(guān)系，硅比鍺Eg大，故硅比鍺的ni?。?）ni與溫度近似正比，故溫度升高時ni就增大（4）ni與原子密度相比是極小的，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很微弱2.8.4雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能通常制造半導(dǎo)體器件的材料是雜質(zhì)半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中人為地?fù)饺胛鍍r(jià)元素和三價(jià)元素，分別獲得N（電子）型和P（空穴）型雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素獲得電子型雜質(zhì)半導(dǎo)體。由于的摻入五價(jià)元素中的四個價(jià)電子與周圍的原子形成共價(jià)鍵，余下一個價(jià)電子的能級非常接近導(dǎo)帶能量，使得其在常溫下進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子，因此摻雜后的半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的自由電子顯著增多。把這個五價(jià)元素稱為施主雜質(zhì)。電子是多數(shù)載流子。2.P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素獲得電子空穴型雜質(zhì)半導(dǎo)體。由于的摻入三價(jià)元素中的三個價(jià)電子與周圍的原子形成共價(jià)鍵時，缺少一個價(jià)電子，形成一個空位置（空穴）。因此摻雜后的半導(dǎo)體價(jià)帶中的空穴電子顯著增多。把這個三價(jià)元素稱為受主雜質(zhì)?？昭ㄊ嵌鄶?shù)載流子。摻雜半導(dǎo)體與本征半導(dǎo)體相比具有的特征：（1）摻雜濃度雖然很微小，但卻能使載流子濃度得到極大提高，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)。（2）摻雜只是使一種載流子的濃度增加，雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多子（多數(shù)載流子）導(dǎo)電。分別主要靠自由電子導(dǎo)電或空穴導(dǎo)電。2.8.5PN結(jié)的形成及特性1.PN結(jié)制造工藝的實(shí)質(zhì)PN結(jié)是指同一塊半導(dǎo)體單晶中，在P型摻雜區(qū)與N型摻雜區(qū)交界面附近形成的特殊區(qū)域。是構(gòu)成半導(dǎo)體電子器件的基本單元。P型摻雜與N型摻雜之間通過擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)的的雜質(zhì)互補(bǔ)。2.PN結(jié)阻擋層的形成過程（1）載流子的濃度差引起的載流子的擴(kuò)散運(yùn)動（2）擴(kuò)散運(yùn)動形成空間電荷區(qū)（阻擋層）（3）內(nèi)電場是擴(kuò)散與漂移達(dá)到動態(tài)平衡3.PN結(jié)的特性單向?qū)щ娦裕?）外加正向電壓的情況由于外部正向電壓與內(nèi)電場電位差方向相反，阻擋層變窄、消失，內(nèi)電場減小、消失，電阻減小。（2）外加反向電壓的情況由于外部反向電壓與內(nèi)電場電位差方向相同，阻擋層增大，內(nèi)電場增大，電阻急劇增大。絕緣體的電學(xué)性能絕緣體的電子能帶結(jié)構(gòu)是完全被電子充滿的價(jià)帶與完全空的導(dǎo)帶之間被一個較寬的禁帶（一般為5~10eV）所隔開，在常溫下幾乎很少有電子可能被激發(fā)越過禁帶，因此電導(dǎo)率很低。絕大多數(shù)陶瓷材料和高聚物材料都屬于絕緣體絕緣體作為材料使用可以分為絕緣材料和介電材料兩類。介電材料電容器介電材料壓電材料等絕緣材料主要功能是實(shí)現(xiàn)電絕緣，如高壓絕緣電瓶所用的氧化鋁陶瓷等。好的介電材料一定是好的絕緣材料，但是反之則不一定成立。描述絕緣材料和介電材料的主要性能指標(biāo)有體積電阻率、表面電阻率、介電常數(shù)、介電損耗和介電強(qiáng)度等。電極化機(jī)制導(dǎo)體、半導(dǎo)體在電場作用下都會產(chǎn)生電荷的自由運(yùn)動，而絕緣體在有限電場的作用下幾乎沒有自由電荷的遷移。人們常用介電性來描述絕緣體材料的這種效應(yīng)，故也把絕緣體稱為電介質(zhì)。介電性的一個重要標(biāo)志是材料能夠產(chǎn)生極化現(xiàn)象，材料的介電系數(shù)是綜合反應(yīng)介質(zhì)內(nèi)部電極化行為的一個重要的宏觀物理量。屬于介電性的有壓電性、電致伸縮性和鐵電性。電介質(zhì)的極化包括：電子極化、原子（離子)極化、取向極化。電子極化是指在外電場作用下每個原子中價(jià)電子云相對于原子核位移。原子極化是指外電場引起的原子核之間的相對位移。這兩類極化有稱為為變形極化或者誘導(dǎo)極化，由此引起的偶極矩稱為誘導(dǎo)偶極矩。電介質(zhì)極化超導(dǎo)電性超導(dǎo)體的特性1、完全導(dǎo)電性有報(bào)導(dǎo)說用Nb0.75Zr0.25合金超導(dǎo)導(dǎo)線制成的超導(dǎo)螺線管，估計(jì)其超導(dǎo)電流衰減時間不小于10萬年。超導(dǎo)體沒有電阻，因而是等電位的，其中沒有電場。2、完全的抗磁性－邁斯鈉效應(yīng)試樣表面產(chǎn)生感應(yīng)磁場，抵消外磁場。評價(jià)超導(dǎo)材料的性能指標(biāo)：1、臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc2、臨界磁場強(qiáng)度Hc(T)兩類超導(dǎo)體超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)超導(dǎo)態(tài)時，電子與晶格點(diǎn)陣相互作用，使電子克服靜電斥力而相互吸引，組成電子對－庫柏電子對，通過晶格的阻力為零。超導(dǎo)態(tài)電子結(jié)成庫柏對時