周向阳 材料物理 03章 材料的电学上.ppt

材料物理电学 3 材料的电学 欧姆定律 (Ohm’s Law) 载流子迁移速度通常与E成正比：v=μE 对照欧姆定律，可得： 控制材料的导电性能实际上就是控制材料中的载流子的数量和这些载流子的移动速率。 对于金属材料来说，载流子的移动速率特别重要。 对于半导体材料来说，载流子的数量更为重要。 载流子的移动速率取决于原子之间的结合键、晶体点阵的完整性、微结构以及离子化合物中的扩散速率。 工程中也用相对电导率(IACS％)表征导体材料的导电性能。把国际标准软纯铜(在室温20℃下电阻率1.724×10-6Ω·cm)的电导率作为100％，其他导体材料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电导率。例如，Fe的IACS％为17％，Al为65％。 3 材料的电学 成功： 金属离子所形成的势场各处都是均匀的，价电子是共有化的，它们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内自由地运动，电子之间没有相互作用。电子运动服从量子力学原理 。 3.1.2金属的电导率 经典观点：以热运动速度运动的全部自由电子都参与了导电，这种观点是不恰当的。 经典理论的主要困难是不能解释平均自由程。按照经典理论分析，电子自由程可以达数百个原子间距，而不同类型的实验结果都表明低温下金属电子的平均自由程可达108 个原子间距，电子沿直线传播可以自由地越过离子实和其他电子而不受碰撞是经典观念难以理解的，只有在量子力学中才可以得到解释。 晶体为什么有结合力？ 为什么有导体、半导体与绝缘体的区别？ 周期场中电子运动模型 能带理论 布洛赫波函数不具有晶体周期性，而（k为实数时）电子分布几率具有晶格的周期性 微扰下电子的能量本征值 因此，二级能量修正： 计算结果表明： 重要结论： 能带（energy band）包括允带和禁带。 允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。 禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。 不满带电子导电 满带中的电子不导电 不满带中的电子可以导电 能带模型 能带模型 能带重叠现象 3.3材料的电导 原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点上，而是在其平衡位置附近热振动； 实际应用的半导体材料并不是绝对纯净的，而是含有若干杂质 实际半导体材料的结构并不是完整无缺的，而是存在着各种形式的缺陷(如：空位、间隙原子、位错等)这些杂质和缺陷的存在，会使严格周期性排列的原子产生的周期性势场受到破坏，从而有可能在禁带中引入允许电子所具有的能量状态(即能级)。 分析不同温度范围的情况 [例] 设n型硅的施主浓度分别为1.5×1014以及1012cm-3，试计算500 K时电子浓度n0和空穴浓度p0。（500K时，硅的本征载流子浓度ni ＝3.5×1014cm-3） 电解质是一类十分重要具有离子导电性的功能材料 液体电解质——电解质溶液 1993年美国的Angell等人在Nature上首次提出了 “polymer-in-salt”的新概念。把传统的“聚合物掺盐”的想法逆转过来,设计了一种从电解质盐出发,在其中添加有机聚合物,来制备固体离子导体的新方法。该电解质材料玻璃化转变温度很低,在室温下能保持橡胶状,同时又具有较高的离子导电性和良好的电化学稳定性,是目前报道的综合性能最好的高分子固体电解质材料。 实际材料的电导率 THE END 半导体的迁移率 载流子的散射 在有外加电场时，载流子在电场力的作用下作加速运动，漂移速度应该不断增大，电流密度将无限增大。但欧姆定律指出，在恒定电场作用下，电流密度应是恒定的，这是什么原因呢? 载流子在半导体中运动时，便会不断地与热振动着的晶格原子或电离了的杂质离子发生作用，或发生碰撞，碰撞后载流子速度的大小及方向就发生改变。用波的概念就是说电子波在半导体中传播时遭到了散射。 载流子在运动中，由于晶格热振动或电离杂质以及其它因素的影响，不断地遭到散射，载流子速度的大小及方向不断地在改变着。载流子无规则的热运动也正是由于它们不断地遭到散射的结果。所谓自由载流子，实际上只在两次散射之间才真正是自由运动的。其连续两次散射间自由运动的平均路程称为平均自由程，而平均时间称为平均自由时间。 半导体的主要散射机构 电离杂质散射 施主杂质电离后是一个带正电的离子，受主杂质电离后是一个带负电的离子。在电离施主或受主周围形成一个库仑势场，这一库仑势场局部地破坏了杂质附近的周期性势场，它就是使载流子散射的附加势场。 在散射过程中的轨迹是以施主或受主为一个焦点的双曲线 声子散射 声学声子散射 光学声子散射 晶格振动的散射 其它因素引起的散射 中性杂质散射 位错散射 平均自由时间和散射几率的关系 载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射之间的时间内才作加速运动。这段时间称为自