材料的电学性能ppt课件.pptx

第6章 材料的电学性能(Electrical properties of materials),1,引言,在许多情况下，材料的导电性能比力学性能还重要。,导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材料和绝缘材料等都是以材料的导电性能为基础的。,2,3,4,使用双引号,举例：,长距离传输电力的金属导线应该具有很高的导电性，以减少由于电线发热造成的电力损失。,陶瓷和高分子的绝缘材料必须具有不导电性，以防止产生短路或电弧。,作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要求更高，以追求尽可能高的太阳能利用效率。,5,电学性能包含：导电性能、超导性、介电性、热电性、接触电性、磁电性、光电性。 本章主要讨论材料产生电学性能的机理，影响材料电学性能的因素，测量材料各类电学性能参数的方法以及不同电学性能材料的应用等。,本章提要,6,6. 1 金属导体的导电性(Electrical conductivity of metal conductors),7,导电性（物理现象）,8,为材料的电阻率，电阻率倒数为电导率，即 ，上式可写为：,J是电流密度，E是电场强度。,J=E=E/J：通过导体的电流密度，即单位时间通过传导方向上的单位截面积的电量；E：导体所处的电场强度；：电阻率；：电导率，为电阻率的倒数。,意义：通过材料的电流密度与其所处的电场强度成正比，比例系数为电导率。,工程中相对电导率(IACS%)表征导体材料的导电性能。将国际标准软纯铜的电导率（20C下的电阻率=1.72410-8m）定义为100%，其他导体材料的电导率与之相比的百分数即为该材料的相对电导率。例如Fe的相对电导率仅为17。,欧姆定律,9,1、载流子（电荷的自由粒子）无机材料中的载流子可以是电子（负电子，空穴），离子（正、负离子，空位）。载流子为离子的电导为离子电导，载流子为电子的电导为电子电导。,10,二、电导的物理特性,2、迁移率和电导率的一般表达式 物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。,设单位截面积为 ，在单位体积 内载流子数为 ，每一载流子的电荷量为 ，则单位体积内参加导电的自由电荷为 。,11,电导率为,令 （载流子的迁移率）。其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度。,12,13,导电性区分金属材料与非金属材料根源在于能带的差异！,绝缘体、半导体、金属导体导电性的巨大差异,14,它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。,固体按导电性能的高低可以分为,15,导体能带结构,Eg,价带,导带,价带,导带,价带,导带,导带部分填满,没有禁带,导带价带重叠,导体,16,在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。,从能带图上来看，是因为其共有化电子很易从低 能级跃迁到高能级上去。,E,导体,17,电子完全占满价带。导带是空的。满带与空带之间有一个较宽的禁带热能或外加电场，不足以使共有化电子从低能级（满带）跃迁到高能级导带上去。所以不能形成电流。,绝缘体能带结构,绝缘体,18,半导体,半导体能带结构,T=0K，电子完全占满价带。导带是空的。具有绝缘体的特征。禁带宽度很窄，当外界条件变化时（如光照、温度变化），价带中的电子跃迁到导带上去，同时在价带中出现等量的空穴，在电场作用下电子和空穴都能参与导电。,19,20,三种固体电子理论的比较,21,6.1.1 自由电子近似下的导电性(Electrical conductivity under free-electron approximation),22,经典自由电子理论材料中的自由电子作无规则热运动。,设电场强度为E，材料单位体积内的自由电子数为n，电子两次碰撞的平均自由时间（弛豫时间）为，电子的平均漂移速度为v，电子的电量为e，质量为m，则价电子受到的力,电场存在时，电子受电场力作用作加速运动。电子与晶格原子碰撞时停止，即运动受到阻力。自由电子与晶格中的原子碰撞是电阻的来源。,23,所以有,l=v为电子的平均自由程。,电流密度,所以电导率,成功地推导出了导体的电导率，电子导电为主时，还可推出导体电导率与热导率的关系。但实际测得的电子平均自由程比理论估计的大得多。,24,考虑量子效应，在自由电子近似下，仅费米面附近的电子运动未被抵消，对导电性有贡献。按照量子自由电子理论可以推知电导率,与经典自由电子理论下的电导率的形式相同。但其中的F、lF、vF分别是费米面附近的电子的弛豫时间、平均自由程和运动速度。可以成功地解释一价的碱金属的电导。但对其他金属，如过渡金属，其电子结构复杂，电子分布不是简单的费米球，必须用能带理论才能解释其导电性。,25,6.1.2 能带理论下的导电性(Electrical conductivities in energy band theory),26,（1）能带：包括允带和禁带（2）允带：允许电子能量存在的能量范围（3）禁带：不允许电子能量存在的能量范围（4）空带：不被电子占据的允带（5）满带：允带中的能量状态均被电子占据（6）不满带：电子态部分被电子占据（填充）满的允带。（7）价带（Valence Band）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。能量比价带低的各能带一般都是满带。（8）导带（Conduction Band）：价带以上能量最低的允许带称为导带。 导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。,空带,满带,导带,价带,27,基础晶格热容是一个宏观物理量，是晶格振动的统计平均效应。爱因斯坦采取了一个平均频率的简单模型，取得了很成功的结果。 电阻率也是一个宏观物理量，是电子与声子作用的统计平均效应。是否可采取平均声子的模型来处理纯金属电阻率问题呢？ 所谓平均声子模型，是假定声子系统由平均声子来构成，在这个系统中，每个声子的动量等于原声子系统中声子的平均动量。 我们知道，对电导有贡献的只是费密面上的电子，因此纯金属电阻率可看成是费密面上的电子与平均声子相互碰撞的结果。,28,在能带理论下，有电导率,其中n*称为有效电子数，表示单位体积内实际参加传导过程的电子数，m*称为电子的有效质量，是考虑晶体点阵对电场作用的结果。此公式不仅适用于金属，也适用于非金属。对碱金属，n*=n，m*=m，即与自由电子的假设形式相同。不同的材料有不同的有效电子密度n*，导致其导电性的很大差异。,29,一价元素（包括IA族碱金属Li、Na、K、Rb、Cs和IB族Cu、Ag、Au）,价带s电子半充满，成为传导电子，所以这些元素都是良导体。电阻率只有10-610-2cm。,1,30,二价元素（包括IIA族碱土金属Be、Mg、Ca、Sr、Ba和IIB族Zn、Cd、Hg）,价带s电子充满。由于满带电子不能成为传导电子，这些元素似乎应为绝缘体。但在三维晶体中，由于原子之间的相互作用，能带交叠费米能级以上无禁带导体。,31,IIIA族元素Al、Ga、In、Tl：最外层的电子排布是ns2np3s电子是充满的，但p电子是半充满的，可成为传导电子导体。,四价元素：最外层电子排布ns2np4，有未填满的p轨道，但形成固体时，通过原子间的电子共用使其价带满填。在价带之上是空带，其间有能隙Eg,Ge和Si的Eg分别为0.67eV和1.14eV，室温下价带电子受热激发可进入导带，成为传导电子在室温下是半导体，在低温下是绝缘体。,32,VA族元素As、Sb、Bi的每个原子有5个价电子，是不满填的。但其每个原胞有两个原子五个带填10个电子，几乎全满导带电子很少，传导电子密度比一般金属少4个数量级有效电子很少，电导率比一般金属导体低半金属。,离子晶体：一般有与四价元素相似的能带结构，而Eg很大，有效电子数是0一般是绝缘体。,例：NaCl晶体，Na+离子的3s电子移到Cl-离子的3p轨道，使3s成为空带，3p成为满带，其间是10eV的禁带，热激发不能使之进入导带。,某些离子化合物可以在一定的温度区间成为固态的导体，如-Al2O3在300C有0.35-1cm-1的电导率不以电子而以离子为载流子。,33,6.1.3 导电性与温度的关系(Relationship between electrical conductivity and temperature),34,电阻的本质,电子波在晶体点阵中传播时，受到散射，从而产生阻碍作用，降低了导电性。,电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。,35,能带理论认为：导带中的电子可在晶格中自由运动电子波通过理想晶体点阵(0K)时不受散射，电阻为0破坏晶格周期性的因素对电子的散射形成电阻,实际晶体总有杂质和缺陷散射电子,晶格振动：只要温度不在绝对零度，晶体中的原子总是以平衡位置为中心不停地振动，在弹性范围内交替聚拢和分离晶体中任何时候都有许多原子处于与理想的平衡位置偏离的位置，对自由电子的运动产生散射。,36,温度越高，晶格振动越剧烈，对电子散射越显著，导体的电阻越大。,晶格热振动有波的形式，称为晶格波或点阵波，其能量也是量子化的。将晶格振动波的能量子称为声子。,由前面的推导知，电阻率,理想晶体中无杂质散射电子，只有声子散射电子，所以电子的平均自由程lF由声子数目决定。声子数目随温度升高而增多，在不同的温度范围有不同的规律。,37,可以推导，在温度T2D/3的高温，有 T,其中D为德拜温度，即具有原子间距的波长的声子被激发的温度。,在TD的低温，有 T5,在2K以下的极低温，声子对电子的散射效应变得很微弱，电子电子之间的散射构成了电阻的主要机制，此时有： T2,理想晶体的电阻总是随温度的升高而升高。,38,定义1/lF为散射系数,由于实际材料总是有杂质和缺陷的，所以对实际材料散射系数可表示为 =T+ 其中T代表声子引起的电子散射，与温度有关；代表杂质和缺陷引起的电子散射，只与其浓度有关，与温度无关。,所以电阻率可以表示为,即电阻分为与温度有关的部分(T)和与温度无关的部分0马西森定律(Matthiessen Rule)。,39,电阻产生的机制,（3）晶体点阵的完整性被破坏（存在杂质原子、晶体缺陷等），对电子波产生散射。,（1）晶体点阵离子的热振动（声子），对电子波产生散射。,（2）晶体点阵电子的热振动，对电子波产生散射。,原因（1）、2）产生，0K时为0。,电阻,基本电阻：,残余电阻：,原因（3）产生，0K时的电阻。,40,41,电子散射,电子在杂质和缺陷上的散射,(绝对零度时降为零),(金属的纯度和完整性),残余电阻,电子波传输障碍,理想晶体和实际晶体在低温时的电阻率温度关系,理想晶体低温下的剩余电阻很小，在0K时电阻为0。,有缺陷的晶体，0K时电阻不为0。,有杂质和缺陷的晶体，0K时电阻不为0。,42,认为按一定方法制备的金属具有相似的几何缺陷浓度，则金属导体中的杂质含量越多，在极低温（一般为4.2K）下金属的剩余电阻率越大可用高温和低温下电阻的比率反映金属导体的纯度。,剩余电阻比(RRR, residual resistivity ratio)：金属导体300K下的电阻率与4.2K下的剩余电阻率的比300K/4.2K。RRR越高，表明金属在低温下的剩余电阻率越低，金属纯度越高。,已制成的金属材料或制品，不允许再进行破坏性测试来检验纯度， 且RRR反映的是金属整体的纯度，所以用RRR表示纯度具有重要的意义。目前制备的纯金属RRR可高达104105。,43,44,在超低温下电子平均自由程长度 同样可以作为金属纯度直观的物理特性。晶体越纯、越完善，自由程长度越长、相对电阻值也越大。反之，金属中杂质越多，在连续散射之间电子自由程长度越短，相对电阻也越小。,除了残余电阻能够反映金属纯度外，还有什么物理可以？,实验上电阻的不同来源难于区分工程实践中统一以经验公式表示电阻与温度的关系 t=0(1+t)0和t分别表示0和t下的电阻率；t为温度； 为电阻温度系数。,不同温度区间声子对电子的散射机制不同不是常数。t温度下的实际电阻温度系数,0t的平均电阻温度系数,由于影响因素复杂，实际材料的一般不能通过理论计算得到，要通过电阻温度曲线测试得到。,45,6.1.4 电导功能材料(Functional materials with special electrical conductivity),46,1 导电材料,要求低电阻率，常用的有Cu, Al。,Al的相对电导率为61%仅次于银、铜和金，密度是Cu的1/3但铝的强度低且不耐高温通常加入合金元素提高强度也同时增大了电阻铝导线发热而老化安全隐患,Cu导线一般为电解铜，提高纯度。含铜量一般要求达到99.9799.98-wt%，其中一般含有难于除去的氧和少量金属杂质。,其他：金、银、金属粉、石墨以及其复合材料、导电性涂料、粘结剂、高分子导电薄膜等,47,包括锰铜合金、铜锰合金、铜镍合金、银锰合金、镍铬合金等。可在合金中加入第三、第四、第五组元。铜锰合金的电阻温度系数为(20100)10-6/C，电阻率为(4.05.0)10-3m。铜镍合金的电阻温度系数最小，含镍50-wt%左右时电阻温度系数接近于0，只有2010-6/C，其电阻率为5.010-3m。,2 电阻材料,精密电阻合金,用于在电路中提供特定阻值的电阻。要求：阻值稳定、电阻温度系数小、电阻率适当且容易加工和连接。,48,主要用于制作电阻加热体和高温用电极，包括电热合金和电热陶瓷。,电热材料,要求：合适的电阻率、合适的电阻温度系数、耐高温、耐氧化等。镍铬、铁铬铝等合金：9001350C的电热体钨丝、钼丝或石墨：更高温度的加热，用还原性气体保护防止氧化或挥发铂丝（白金丝）可在空气中加热到1500C导电陶瓷：最常用的高温电热材料。1500C以上SiC（硅碳棒）、MoSi2（硅钼棒）、LaCrO3、SnO2等。不容易加工成丝，但易于加工成棒状或管状。容易断裂，在电路中连接困难。,49,用于开关、继电器等元件涉及两接触导体的导电,接触电阻来源：一是接触面不平，使实际的接触面积比名义的接触面积小二是表面不洁净，异物形成薄膜，如吸附气体、水分产生的膜、氧化膜等由于隧道效应，这类薄膜允许电流通过，但使电阻增大。,3 电触点材料,接触电阻：电流流过两导体的接触部分产生的附加电阻。,材料要求：接触电阻小、接触状态稳定、耐磨损、不易相互扩散、接触面无熔化粘结现象。,50,最常用：铜。易氧化，使接触电阻在使用过程中增大。用黄铜(Cu-Zn合金)提高耐磨性。Cu-Ag合金、Cu-Be合金、Cu-Ag-Pt合金满足特殊要求,钨：熔点高、硬度高、不易扩散。易氧化，且不易加工。用铜粉或银粉粘结烧结成触点材料,铂：接触电阻稳定，熔点高，高温时易粘结和扩散。制成Pt-Ir合金或Ir-Pt合金（高级材料）,银：接触电阻很小，但其熔点只有960C，容易熔化粘结，且不耐磨。,更高级的触点材料：Ir-Os合金或Ir-Os-Pt合金,51,本节是认识和理解电子与声子相互作用的最典型的例子之一。费密面上的电子遭受声子散射是纯金属具有电阻率的根源。固溶体的电阻看成由金属的基本电阻和残余电阻 组成纯金属的电阻率与声子浓度有关。此结论把纯金属的电阻率与声子的参数联系了起来。,金属的导电性小 结,52,6.2 半导体的电学性能,53,54,禁带 forbidden band:两个相邻能带间有一个能量间隔，不存在电子稳定态。这个能带间隔称为禁带。满带 filled band :一个能带中的各能级都被电子填满空带 empty band:与各原子的激发能级相应的能带，在未被激发的正常情况下，没有电子填入，成为空带导带 conduction band :未被电子填满的能带带隙（宽度）gap:导带的最低点和价带的最高点的能量之差。 能级 level :电子只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量施主 donor:掺入半导体中能提供导电电子而改变其导电性能的一类杂质；受主 acceptor:掺入半导体中的一类杂质或缺陷，它能接受半导体中的价带电子，产生同数量的空穴，从而改变半导体的导电性能,概述,55,半导体的电学性能介于导体和绝缘体之间，所以称为“半导体”。半导体材料可分为晶体半导体，非晶半导体和有机半导体。晶体半导体材料分单质半导体（如Si和Ge）、化合物半导体（如GaAs）和固溶体半导体,6.2.1 本征半导体,56,一 本征半导体,纯的半导体材料称为本征半导体(纯度可高达10-l0)，由于外部作用而改变半导体固有性质的半导体称为非本征(杂质)半导体。它们的导电行为仅仅由它固有的性质决定。,57,58,1、本征半导体的结构特点（1）硅、锗原子的结构,59,在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,（1）硅、锗原子的结构,60,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,（2）硅、锗原子的共价键结构,61,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,（1）载流子：自由电子和空穴,2、本征半导体的导电机理,62,可以认为空穴是一种带正电荷的粒子。空穴运动的实质是共有电子依次填补空位的运动。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,63,电子和空穴在外电场的作用下都将作定向运动，这种作定向运动电子和空穴（载流子）参与导电，形成本征半导体中的电流。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,（2）导电情况,（一）本征载流子的浓度,目前所应用的半导体器件和设备98%是由Si制作的。高纯单晶Si片在室温下载流子浓度为1010m-3 -1.51011m-3，相当于电阻率几万.cm。而在500 时，其载流子浓度为1017m-3 相当于0.6 .cm。Si片在9个9以上才会显示出优良的半导体特性。也就是每十亿个Si原子允许有一个杂质存在。由此可见半导体材料的应用是建立在高纯度高完整性的基础上,64,半导体Si和Ge的本征热平衡载流子的体积密度为1.51016m-3和2.51019m-3。与导体材料中数量级为1028m-3的原子体积密度相比，相差甚远。因此，与金属材料相比，半导体中可参与导电的载流子体积密度甚低，因而成为导电性的限制因素。所以，对半导体材料导电性的讨论，首要关注对象是载流子的体积密度,65,导带底电子状态密度：,利用导带的状态密度N C(E)和电子分布函数f(E)可以得到E E+E范围内的电子数为：,根据费米-迪拉克统计，在热平衡情况下，一个能量为E的量子态被电子占据的几率为：,由于函数f(E)随着能量的增加而迅速减小，因此可以把积分范围由导带底EC一直延伸到无穷并不会引起明显误差，故导带电子浓度为：,66,对于E-EFkT的能级,将式(1)和(4)带入(3)中，,令,67,则有半导体导带电子密度：,令,68,类似处理可以得到价带空穴体积密度,价带顶电子状态密度：,一个量子态不被占据就是空着，所以能量为E的量子态未被电子占据的几率是：,上式给出比EF低得多的那些量子态被空穴占据的几率,69,令,价带中空穴的体积密度为：,70,从前面电子和空穴的浓度表达式可以看出，电子和空穴浓度都是费米能级EF的函数。在一定温度下，由于杂质含量和种类不同，费米能级位置也不同，因此电子和空穴浓度可以有很大差别。,上式表明，载流子浓度的成积np与EF无关，只依赖与温度和半导体本身的性质。在非简并条件下，当温度一定时，对于同种半导体材料，不管含杂质情况如何，电子和空穴浓度乘积都相同。,71,从前面电子和空穴的浓度表达式还可以看出，只要知道费米能级EF就可以得到导带电子和价带空穴的浓度。在本征半导体中：,将带入或，得到：,72,73,本征载流子的浓度表达式：式中，n和p分别为自由电子和空穴的浓度；K1为常数，其数值为4.82*1015K-3/2；T为热力学温度；k为波尔兹曼常数；Eg为禁带宽度。由上式可知，本征载流子n和p的浓度与温度T和禁带宽度Eg有关。随着温度T的增加，n和p显著增大；Eg小的，n和p大，而Eg大，n和p小。,74,电子电导的载流子是电子或空穴（即电子空位）。电子电导主要发生在导体和半导体中。能带理论指出，在具有严格周期性电场的理想晶体中的电子和空穴，在绝对零度下运动象理想气体在真空中的运动一样，电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。只有当周期性受到破坏时，才产生阻碍电子运动的条件。,（二）本征半导体中迁移率与电阻率,75,76,一.电子迁移率,77,78,有效质量已将晶格场对电子的作用包括在内，使得外力（电场力）与电子加速度之间的关系可以简单地表示为F=m*a的形式，这样就避免对晶格场的复杂作用的讨论。,对自由电子m*=me.对晶体中的电子，m*与me不同，m*决定于能态（电子与晶格的相互作用强度）。区E与K符合抛物线关系，属于自由电子的性质，即经典现象。在其底部附近m*=me。在区，曲线曲率为负值，有效质量为负值，即价带（满带）顶部附近电子的有效质量是负的。区为禁带，区有效质量是正的。有效质量比区小。此区电子称为“轻电子”。,79,80,二.对本征半导体，其电导率为：,81,82,83,小结,半导体材料电导率理论公式式中n,p为半导体中电子和空穴的体积密度；e ,h分别为电子和空穴的迁移率,84,85,（1）本征激发成对地产生自由电子和空穴，所以自由电子浓度与空穴浓度相等，都是等于本征载流子的浓度。（2）本征载流子的浓度与禁带宽度有近似反比关系，硅比锗的禁带宽度大，故硅比锗的本征载流子的浓度小。（3）本征载流子的浓度与温度近似正比，故温度升高时，本征载流子的浓度就增大。（4）本征载流子的浓度与原子密度相比是极小的，所以本征半导体的导电能力很微弱。,6.2.2 杂质半导体,86,87,杂质半导体,实际上，晶体总是含有缺陷和杂质的，半导体的许多特性是由所含的杂质和缺陷决定的。在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,在硅单晶中掺入十万分之一的硼原子，可使硅的导电能力增加一千倍。,88,1、N 型半导体,磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代.,89,（1）由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。（2）本征半导体中成对产生的电子和空穴。因为掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,N 型半导体中的载流子包括：,90,如果我们把若干施主原子磷或砷原子加进硅或锗中，则每有一个杂质原子，就有一个额外电子。这些额外的电子(它们不能被容纳在原来结晶体的价带中)占有在导带下方的某些分立的能级（施主能级），离导带只差0.05ev,大约为硅的禁带宽度的5%，因此它比满带中的电子容易激发的多 。,N型半导体的能带结构,91,设N型半导体单位体积中有ED个施主原子，施主能级为ND, 具有电离能,导带中的电子浓度ne和费米能级为：,92,N型半导体电导率为：,93,94,（1）在本征半导体中掺入三价元素的原子（受主杂质）而形成的半导体。 （2）每一个三价元素的原子提供一个空穴作为载流子。（3）P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,2、P 型半导体,95,如果我们把若干受主杂质原子硼或铝加进硅或锗中，这两种原子都只贡献3个电子。在这种情况下，杂质引进空的分立能级（空穴能级或受主能级）。这些能级的位置很靠近价带顶，只差0.045ev，价带中的电子激发到空穴能级上比越过整个禁带（1.1ev）到导带容易得多。,P型半导体的能带结构,96,97,型半导体的载流子主要为空穴，仿照上式可得：,受主杂质浓度， 受主能级， 电离能，,式中：,型半导体：,98,99,3.杂质半导体说明（1）杂质半导体就整体来说还是呈电中性的。（2）杂质半导体中的少数载流子虽然浓度不高， 但对温度、光照十分敏感。（3）杂质半导体中的少数载流子浓度比相同温度下的本征半导体中载流子浓度小得多。,100,N型半导体和P型半导体统称为杂质半导体，与本征半导体相比，具有如下特性:(1)掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但是却能使载流子浓度极大地提高，导电能力因而也显著地增强。掺杂浓度愈大，其导电能力也愈强。(2)掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电。当掺人五价元素(施主杂质)时，主要靠自由电子导电；当掺人三价元素(受主杂质)时，主要靠空穴导电。,小结,101,3. 杂质半导体载流子浓度积与 ni 关系,强调：不仅适用于本征半导体材料，也适用于非简并的杂质半导体材料。,102,带电粒子有：,电子、空穴、电离的施主和电离的受主,电中性条件（平衡条件下）：,p - n - NA + ND+ =0,假设参杂原子全部电离，上式变为：,p - n - NA + ND =0,103,由np乘积关系可得,104,解得,105,讨论：,（1）本征半导体,（2）掺杂半导体（ND-NAni或NA-NDni）,（3）掺杂半导体（ND-NAni或ND-NAni）,106,107,4、温度对杂质半导体电导率的影响,对本征半导体，其电导率由本征载流子浓度决定，本征载流子随着温度提高而急剧增加，所以本征半导体的电导率随着温度提高而单调上升。对于杂质半导体，温度低时，本征激发可以忽略，载流子主要由杂质电离提供，它随着温度升高而增加；散射主要由电离杂质决定，迁移率也随着温度升高而增大，所以电导率随着温度升高而增加。温度继续升高(包括室温) ，杂质己全部电离，本征激发还不十分显著，载流子基本上不随温度变化，晶格振动上升为主要矛盾，迁移率随温度升高而降低，所以电导率随温度升高而减小。温度继续升高，本征激发很快增大，大量本征载流子的产生远远超过迁移率减小对电导率的影响，这时本征激发成为主要矛盾，杂质半导体的电导率将随着温度升高而急剧增大。,108,109,为了使半导体的电导率产生大的变化，对于每一百万个半导体原子，大约有一个杂质原子就足够了。半导体在工业上广泛地用于制作整流器、调制器、探测器、光电管、晶体管和大规模集成电路等等。,半导体的应用,半导体产业(13680亿Dollars),110,PN结的形成及特性,PN结是指在同一块半导体单晶中P型掺杂区与N型掺杂区的交界面附近的区域。PN结是构成种类繁多的半导体电子器件的基本单元。普通半导体二极管就是一个PN结，半导体三极管(或晶体管)和结型场效应晶体管则是由两个PN结构成的。将诸多二极、三极管及L，R，C等元件做在同一块半导体晶片上就成了半导体集成电路。,111,PN结及其单向导电性,PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,PN结的单向导电性,1. PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,113,PN 结变宽,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,114,小结,1. PN结制造工艺的实质是杂质补偿 2. 载流子的浓度差引起载流子的扩散运动 3.扩散运动形成空间电荷区(阻挡层) 4.内电场使扩散与漂移达动态平衡 5.具有把交流电变为直流电的整流特性,115,三极管的放大特性,NPN型,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,c:collect集电极 b:base基电极 e:emission 发射极,基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区：面积最大,117,2.三极管内部载流子的运动规律,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,118,电视信号，手机信号，收音机，视频信号，蓝牙，红外,119,6.2.3 霍尔效应(Hall effect),120,将导体或半导体放置在磁场中通以垂直于磁场的电流，则导体或半导体内将产生一个与电流和磁场方向都垂直的电场，这一现象称为霍尔效应。,金属导体和n型半导体的霍尔效应,z方向磁场中的磁感应强度为Bz,通以电流密度为Jx 的x方向电流,在y方向产生霍尔电场,121,霍尔电场的强度为,Ey=RJxBz比例系数R称为霍尔系数，含义为单位磁感应强度和单位电流密度所能产生的霍尔电场强度。,由于Ey、Jx、Bz都容易测量R很容易通过下式由实验测得：,122,z方向的磁场使沿x方向运动的电子受-y方向的洛伦兹力而向该方向移动，-y端(A面)积累了负电荷，+y端(C面)积累了正电荷。由于两端的正负电荷积累而形成霍尔电场。,本质以金属导体和n型半导体的为例说明,设电子浓度为n，在x方向的电场作用下电子在该方向上的平均漂移速度为vx，则电流密度 Jx=nevx其中e为电子的电量。,霍尔电场对电子的作用力方向与洛伦兹力相反。当该作用力与洛伦兹力平衡时，两端的电荷浓度达到稳定值，此时有,eEy=evxBz Ey=vxBz,123,由于e是常数，霍尔系数仅与电子密度有关。,所以,型半导体：多数载流子是空穴，在电场作用下其漂移方向与电子相反，在磁场中受到洛伦兹力也与电子相反，形成的霍尔电场与n型半导体中的霍尔电场方向相反，其霍尔系数也与n型半导体的相反。,124,为空穴密度，e为空穴电量霍尔系数为正值，大小只与空穴密度有关。,可从霍尔系数的正负判断载流子的类型，并通过测量霍尔系数求出载流子的浓度n或p。对霍尔效应的现象本质的研究确认了金属中确实存在自由电子，逐渐揭示了导电的本质。实验表明金属中也有R0的情形，即金属中不一定是简单的自由电子导电，如Zn、Fe等能带结构复杂，可能由空穴控制传导霍尔系数反常现象。对这一现象的揭示促进了量子理论的建立。,125,通过霍尔效应测量硅材料的杂质浓度，感量为1018/m3的量级硅晶体的原子浓度（单位体积内的原子数）为1028/m3的量级测量的相对精度可达10-10的量级高于所有化学分析方法,霍尔电场强度Ey正比于外磁场的磁感应强度，又正比于霍尔电压Vy可通过Vy的测量来测量磁感应强度用霍尔效应制成磁强计。根据霍尔效应还可制成霍尔器件，用来制作非接触开关和传感器等，广泛应用于计算机和自动控制系统。,应用,126,127,128,6.3 离子晶体导电性,129,离子电导是带电荷的离子载流子在电场作用下的定向运动。从离子型晶体看可以分为二种情况。 一类是晶体点阵的基本离子由于热振动而离开晶格，形成热缺陷，这种热缺陷无论是离子或空位都可以在电场作用下成为导电的载流子，参加导电。这种导电称为本征导电。另一类是参加导电的载流子主要是杂质，因而称为杂质导电。一般情况下，由于杂质离子与晶格联系弱，所以，在较低温度下杂质导电表现显著，而本征导电在高温下才成为导电主要表现。,130,一 离子电导机理,离子导电性是离子类载流子电场作用下，通过材料的长距离迁移。电荷载流子一定是材料中最易移动的离子。例如，对于硅化物玻璃，可移动的载流子一般是SiO2基体中的一价阳离子。在多晶陶瓷材料中，晶界碱金属离子的迁移是离子导电机制的主体。离子迁移的能量变化可用右图来描述。,131,132,离子进行一维迁移越过势垒迁移的频率P,以正离子为例，沿电场方向的势垒降低为,正离子沿电场方向的迁移频率为,133,整理可得,存在一个沿电场正方向的净迁移，其平均迁移速度为,同理，与电场方向相反的迁移频率为,一般电场强度较低，2kT Fb，则有,134,电流密度,而势垒,推导出离子导电的电流密度J为,n为载流子的体积浓度；z为离子价数；e为电子电量；b为势阱之间的距离；P为离子运动的几率；F作用在离子价为z的离子上的电场力；E为电场强度；k波尔兹曼常数；T为绝对温度,电流密度J为,h为普朗克常数；为适应系数；Gdc为直流条件下的自由能变化；R为为气体常数,135,电导率,电导率的对数和1/T成直线关系，同理电阻率也类似,136,137,而自由能变,直线的斜率和截距可计算离子导电过程中的焓变和熵变,138,离子电导实际上是离子在电场下的扩散现象，因此可推导其电导率和扩散系数的关系,而电导率,能斯特-爱因斯坦方程,D为扩散系数；n为载流子的体积浓度；q为离子电量；k波尔兹曼常数；T为绝对温度,为离子迁移率,二 离子导电的影响因素,1.温度的影响温度是以指数形式影响其电导率。随着温度从低温向高温增加，其的对数的斜率会发生变化，即出现拐点，显著地把ln-T-1线分为二部分，也就是高温区的本征导电和低温区的杂质电导，如右图所示。在分析ln-T-1曲线时拐点并不一定是离子导电机制变化，也可能是导电载流子种类发生变化，例如刚玉在低温下是杂质离子导电，而高温时则是电子导电。,139,2.离子性质、晶体结构的影响,对离子导电的影响是通过改变导电激活能实现的。那些熔点高的晶体，其结合力大，相应的导电激活能也高，电导率就低。研究碱卤化合物的导电激活能发现，负离子半径增大，其正离子激活能显著降低。例如 NaF的激活能为216 kJ/mol，NaCl只有169 kJ/mol，而Nal只有118kJ/mol，因此导电率便提高。一价正离子尺寸小，荷电少，活化能低；相反，高价正离子，价键强,激活能高，故迁移率就低，电导率也低。 晶体结构的影响是提供利于离子移动的“通路”，也就是说，如果晶体结构有较大间隙，离子易于移动，则其激活能就低。,140,3.点缺陷的影响,理想晶体不存在点缺陷，正是由于热激活，使晶体产生肖特基(Shottky)缺陷或弗仑克尔(Frenkel)缺陷。同样，不等价固溶掺杂形成晶格缺陷，例如AgBr中掺杂CdBr2，从而生成缺陷。缺陷也可能是由于晶体所处环境气氛发生变化，使离子型晶体的正负离子的化学计量比发生改变，而生成晶格缺陷。例如稳定型ZrO2，由于氧的脱离而生成氧空位。 根据电中性原则，产生点缺陷也就是离子型缺陷的同时，也会发生电子性缺陷，它们都会显著影响电导率。,141,综上，实际离子晶体由于存在有这样的或那样的缺陷，尤其是正离子半径较小，可以通过空位机理进行迁移，形成导电，这种导体称作Schottky导体；也可以通过间隙离子存在的亚间隙迁移方式进行离子运动而导电，这种导体称作Frenkel导体。但这两种导体的电导率都很低，一般电导值在10-1810-4Scm-1的范围内。正如上述，它们的电导率和温度的关系服从阿仑尼乌斯公式，活化能一般在12ev。,142,上面我们讨论了经典离子晶体由于离子扩散可以形成导电。但一般来说，这些晶体的