物性讲义(电学1)-导体-半导体-绝缘体分解.ppt

材料物理;为什么要学《材料物理》; 使用教材： 邱成军等 主编《材料物理性能》，哈尔滨工业大学出版社，2003。 参考书目： 1. 马向东,王振廷.材料物理性能.中国矿业大学出版社,2002. 2. 田莳,材料物理性能.北京航空航天大学出版社,2001 3. 关振铎,张中太,焦金生.无机材料物理性能.清华大学出版社,1998. ;主要内容及学时安排;注意事项;第一章 材料的电学性能;1.1 固体的导电性和晶体能带; 不同材料的电阻率（ 或电导率 ? ＝ ρ －1）：;二、晶体的能带 导体和非导体的区别 半导体和绝缘体的区别;(a)金属：满带、空带和未满带； (b) 绝缘体：满带和空带，禁带宽度Eg比较大； (c) 半导体：满带和空带，禁带宽度很小；(d) 半金属：满带和空带，无禁带宽度;有关能带被占据情况的几个名词：; 它们的导电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。; 在外电场的作用下，大??共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。;从能级图上来看，是因为满带与空带之间 有一个较宽的禁带（?Eg 约3～6 eV）， 共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到 高能级（空带）上去。;三、导电性的表征参数 1.电阻R与电阻率ρ 2.电导与电导率σ：电阻率的倒数，电导率越大，材料导电性越好。 3.导体、半导体与绝缘体 导 体： ρ ＜10 。 纯金属ρ：10 ～10 合金ρ：10 ～10 。 半导体：ρ在10 ～10 。 绝缘体：ρ＞10 。 ;一、金属的导电机制与马基申定则 ●用量子电子理论和能带理论可导出所有材料的电导率： 此式完整地反应了晶体导电的物理本质。 量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时，它将不会受到散射而无阻碍地传播，即 无穷大，这时ρ＝0，而σ为无穷大，即此时的材料是一个理想的导体。;在晶体点阵的完整性及由于晶体点阵离子的热振动，晶体中的异类原子、位错和点缺陷等使晶体点阵的周期性遭到破坏，电子波就会受到散射， 减小，从而产生了阻碍作用，降低导电性，这就是材料产生电阻的本质所在。 令 为散射系数，可导出： 即材料的电阻与散射系数成正比。 ●金属电阻随温度升高而升高原因： 金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，可认为μ与温度成正比，则ρ也与温度成正比。 ; 由于实际的晶体并非理想，会有杂质和缺陷。因此，传导电子的散射发生在电子-声子、电子-杂质以及其它点阵静态缺陷相互相碰撞的时候。 金属电阻包括： （1）基本电阻ρ(T) ：对应声子散射和电子散射两机制，由热振动产生，与温度有关，0K时为0。纯金属电阻率。 （2）残余电阻ρ残 ：对应电子在杂质和缺陷上的散射机制， 0K时金属的电阻。反应了金属的纯度和完整性。 ;●马基申定律 马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率ρ(T)和残余电阻ρ残组成。 即ρ＝ρ（T）＋ρ残 称为马基申定律。 问题：马基申定律忽略了电子各种散射机制间的交互作用，但简明描述了合金的导电性，并对于低浓度固溶体与实验事实符合的很好。 根据马基申定律，在高温时金属的电阻率基本上取决于ρ(T) ，而在低温时取决于ρ残。既然ρ残是电子在杂质和缺陷上的散射引起的，那么ρ残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。 考虑到ρ残测量困难，实际上常采用相对电阻率ρ(300K)/ ρ(4.2K)的大小来评定金属的电学纯度。晶体越纯、越完善，相对电阻率越大。许多完整的金属单晶相对电阻率可高达20000。; 二、影响金属导电性的因素 主要因素：温度，受力情况，冷加工，晶体缺陷，热处理，几何尺寸效应，电阻率各向异性。 1. 温度 加热时发生点阵热振动和振幅的变化，出现相变、回复、空位、再结晶以及合金相成分和组织的变化，这些现象对电阻的变化有重要影响。 测量电阻与温度的关系是研究这些现象和过程的一个重要方法。对于简单金属，情况如下。 (1)一般规律（指一般金属的规律） 在绝对零度下，纯净又无缺陷的金属，电阻率等于零。随温度的升高金属电阻率增加。理想晶体的电阻率是温度的单值函数，若晶体中存在杂质和结构缺陷，那么电阻率与温度的关系曲线将发生变化。 ;●ρ(T)与θD 之间的关系 ρ(T)在θD 以上和以下与温度有不同的函数关系：（电子－声子散射） T＜＜ θD 时： 电子