材料物理性能05

12.3.4半導體器件及導電特性半導體器件復雜多樣，其中最簡單，最基礎(chǔ)的就是二級管！將n型半導體和p型半導體相接觸，結(jié)合在一起，就形成了二級管。二級管中會形成PN節(jié)－半導體器件的核心！PN節(jié)具有單向?qū)ㄐ裕?2.3.4半導體器件及導電特性NP-+NP+-32.3.4半導體器件及導電特性平衡PN結(jié)勢壘qVDP型N型費米能級PNE4PN結(jié)的正向注入當PN結(jié)加有正向偏壓時（P區(qū)為正向電壓），外加電壓使空間電荷區(qū)中的電場減弱，打破了漂移運動和擴散運動的相對平衡。E’E0E=E0+E’PN在這種情況下，電子源源不斷地從N區(qū)向P區(qū)擴散，空穴從P區(qū)向N區(qū)擴散，成為非平衡載流子。這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的正向注入。5PN結(jié)的正向注入通過單位面積PN結(jié)的總電流就是PN結(jié)電流與少子濃度稱正比，并且隨正向電壓增加指數(shù)形式增加。6PN結(jié)的反向抽取E’E0E=E0+E’PN反向偏壓PN結(jié)空間電荷區(qū)中電場加強，載流子的漂移運動超過擴散運動。P型區(qū)的電子一旦接近空間電荷區(qū)邊界，就要被電場拉向N區(qū)。靠近邊界的N型區(qū)的空穴，被拉向P區(qū)。這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向抽取。它們構(gòu)成了PN結(jié)的反向電流。PN結(jié)反向偏壓時，勢壘高度增加為q(VD+Vr)7PN結(jié)的反向抽取總電流密度反向飽和電流82.4離子導電性及超導簡介2.4.1離子導電性1、離子導電機理及影響因素離子在電場作用下移動形成電流本征導電：熱運動造成的離子發(fā)生移動雜質(zhì)導電：雜質(zhì)離子移動形成的電流91、離子導電機理及影響因素－＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋－正空格點正間隙離子負間隙離子負空格點離子晶體中的缺陷101、離子導電機理及影響因素Eqxε-Eqd/2ε+Eqd/2d有外場E時ε無電場111、離子導電機理及影響因素Eqxε-Eqd/2ε+Eqd/2d有外場E時這樣就使原來無規(guī)則的跳躍發(fā)生了沿電場方向的偏向。把上式乘以每步跳動的距離d，就得到每秒鐘平均沿電場移動的距離

121、離子導電機理及影響因素我們稱這種由于外場影響，在原來無規(guī)則運動之上引起的平均運動為“漂移”，對于一般的電場Eqd<<kBT，稱為離子的遷移率

131、離子導電機理及影響因素如果令n0表示單位體積內(nèi)間隙離子的數(shù)目，由漂移速度可以直接得到電流密度：

可以看到電導率密切依賴與溫度，除了上式中的指數(shù)因子外，間隙原子密度n0也隨溫度有類似的指數(shù)變化關(guān)系。

141、離子導電機理及影響因素溫度的影響離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)的影響————離子大小、晶體內(nèi)部離子移動“通道”點缺陷的影響————點缺陷會影響能夠移動的離子的數(shù)目。152陶瓷材料的導電性既有離子電導，又有電子電導既有類似金屬的自由電子電導，又有類似半導體的電子、空穴電導！162.4.2超導性1903年荷蘭人Onnes獲得液氦（4.2K）1911年他們發(fā)現(xiàn)水銀在4.2K附近電阻檢測不到了！在一定的低溫下，物質(zhì)突然失去電阻的現(xiàn)象——超導電性1913年獲諾貝爾物理獎HeikeKamerlinghOnnes（1853~1926）theNetherlands

LeidenUniversity

Leiden,theNetherlands172.4.2超導性1960年前，超導體研究局限在金屬和金屬間化合物中。1957年BCS理論發(fā)表，成功解釋當時已知的所有實驗現(xiàn)象，并預言金屬和金屬間化合物Tc溫度不會超過30K1960年后開始在氧化物中尋找超導體18

J.GeorgBednorz

K.AlexanderMuller

1/2oftheprize1/2oftheprizeFederalRepublicofGermanySwitzerland

IBMResearchLaboratoryRechlikon,Switzerlandb.1950b.1927在陶瓷（金屬氧化物）中發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象，超導研究取得重大突破諾貝爾物理獎獲得者

1986年，192.5超導體超導電性的金屬和合金

Tc＜30K

鈦、釩、鋯、鈮、鉬、鉭、鎢、錸、鉍、鋁、錫、鎘等28種。二元合金NbTi，Tc＝8～10K；NbZr，Tc≈10～11K。三元系合金有鈮-鈦-鋯，Tc=10K；鈮-鈦-鉭，Tc=9～10K。超導化合物

Nb3Sn，Tc=18～18.5K；Nb3Ge，Tc≈23.2K，Nb3（AlGe），Tc≈20.7K等超導電性的金屬氧化物1960‘sBa-Cu-O系，35K,1986,Bednorz,MullerBa-Y-Cu-O系,100K,1987,我國趙忠賢等

Hg-Ba-Cu-O系，～140K202、超導體的兩種特性：完全導電性完全抗磁性磁感應強度始終為零3、三個性能指標超導轉(zhuǎn)變溫度Tc

愈高愈好臨界磁場Hc

破壞超導態(tài)的最小磁場。隨溫度降低，Hc將增加；當T＜Tc時,Hc=Hc0[1-（T/Tc)2]

臨界電流密度Jc

保持超導狀態(tài)的最大輸入電流

(與Hc相關(guān)）21FIGURECriticaltemperature,currentdensity,andmagneticfieldboundaryseparatingsuperconductingandnormalconductingstates222.5超導體第二類超導體存在兩個臨界磁場Bc1和Bc2，磁感應強度介于兩個磁場之間時，有部分區(qū)域允許磁力線通過（正常態(tài)），材料整體還處于零電阻態(tài)。Bc1往往很大！邁斯納相正常相混合相232.5超導體超導體的應用利用零電阻效應－導線，超導磁體利用超導隧道節(jié)（約瑟夫森節(jié)）－測量磁場（超靈敏－生物磁場變化）超導應用的關(guān)鍵技術(shù)（制備導線、薄膜）24第一章材料的熱學性能材料及其制品對不同溫度作出的反應，稱為熱學性能。熱容、熱膨脹、熱傳導、耐熱性、抗熱震性能等。熱性能的物理概念、物理本質(zhì)、影響因素、測量方法和工程意義，為選材、用材、改善材料性能、探索新材料、新工藝打下物理理論基礎(chǔ)。251.1晶格熱振動各種熱學性能的物理本質(zhì)，均與晶格振動有關(guān)！組成晶格的原子在一般情況下（溫度不為0）都會偏離其平衡位置，作微小振動！這種振動可以近似地看成是簡諧振動！由于原子間作用力，一個原子的振動會影響到其鄰近原子的振動，導致相鄰原子間存在振動位相差，不同原子不同的振動位相差，就像簡諧波一樣在晶體中傳播。這種波就稱為“格波”261.1晶格熱振動也可以把原子的振動看成是不同的格波傳播到這里產(chǎn)生的振動位移的疊加！簡諧波的基本特征量－頻率和波矢量格波的頻率和波矢量要滿足一定的條件！格波頻率與波矢量之間的關(guān)系稱色散關(guān)系在復式晶格中波矢量和頻率間的關(guān)系不是一一對應的，對于同樣的波矢量，可能有不同的頻率與其對應。271.1晶格熱振動其中有3個頻率的格波稱為“聲學波”另外3n-3個頻率的格波稱為“光學波”滿足條件的波矢量只有N（晶體原胞數(shù)）個。每組（頻率、波矢量）代表一種簡諧波。如前所述，晶格振動可以看成是滿足一定條件的簡諧波－“格波”的疊加！晶格振動可以看成是3nN種簡諧波的疊加！281.1晶格熱振動根據(jù)量子力學，簡諧振動能量是量子化的，為簡諧波具有能量的概率為這也是具有nq個頻率為q的聲子的幾率291.1晶格熱振動3nN種簡諧波，就有3nN種聲子。晶格振動總能量可以看成是3nN種簡諧波能量的總和！301.1晶格熱振動引入聲子概念后，很多與晶格振動有關(guān)的問題，都可以用“聲子語言”來處理。課本P3。311.2材料的熱容1.2.1材料的熱容及其與溫度的關(guān)系1、熱容的基本概念和物理本質(zhì)熱容：材料在沒有相變和化學反應的條件下，溫度升高1℃或降低1℃所吸收或放出的熱量（能量）。單位為J/K,或J/℃。321、熱容的基本概念和物理本質(zhì)冷，熱－－如何定量衡量？溫度！冷、熱的物理本質(zhì)是什么？微觀粒子無規(guī)則運動（熱運動）強度的一種表現(xiàn)！因此材料的溫度也是組成材料的微觀粒子無規(guī)則運動強度的度量！組成材料的微觀粒子的無規(guī)則運動包括晶格振動和自由電子運動331、熱容的基本概念和物理本質(zhì)暫時不考慮自由電子的運動，溫度升高意外著晶格振動加劇，也意味著體系能量（內(nèi)能）升高，要外界給其能量！表現(xiàn)為吸熱！吸熱的過程與熱容也有關(guān)系，如果升溫過程中體積膨脹，這表示對外作了功！那么升高同樣的溫度，體積膨脹的就要比不膨脹的吸收熱量多！341、熱容的基本概念和物理本質(zhì)定容熱容定壓熱容比熱容摩爾熱容352、熱容隨溫度變化的實際規(guī)律P5，3個區(qū)域的劃分！1.2.2晶體固體熱容的經(jīng)典理論和經(jīng)驗定律19世紀中葉以前，人類能實現(xiàn)的低溫范圍很有限，在有限的低溫和室溫或較高溫度下，測定材料的熱容為常數(shù)！經(jīng)典統(tǒng)計物理給出的解釋也指出材料的比熱是常數(shù)！19世紀末期，人類能夠獲得更低的溫度，發(fā)現(xiàn)材料的比熱隨溫度下降而下降！361.2.3熱容的量子理論愛因斯坦理論371.2.3熱容的量子理論高溫時低溫時愛因斯坦理論給出熱容隨溫度下降的趨勢，但細節(jié)與實際不符。381.2.3熱容的量子理論德拜假設(shè)：格波的頻率與波矢量成正比！高溫時低溫時39自由電子熱容溫度不為零時，電子的平均動能為P9，圖1－4401.2.4影響熱容的因素金屬材料的熱容（1）自由電子對熱容的貢獻（2）合金成分對熱容的影響室溫到較高溫度，符合經(jīng)典理論的規(guī)律（奈曼－柯普定律）412、無機材料的熱容基本符合德拜理論。結(jié)構(gòu)不敏感單位體積的熱容與氣孔關(guān)系很大！多孔材料熱容??！高溫爐內(nèi)的耐火磚、保溫材料等多用輕質(zhì)多孔材料！423組織轉(zhuǎn)變對熱容的影響一級相變和二級相變亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變－4熔點和德拜溫度的關(guān)系德拜溫度與晶體中晶格振動的最高頻率有關(guān)Lindemann公式43元素元素元素元素AgAlAsAuBBeBi金剛