一电学性能PPT课件.ppt

于晓东Tel 6891271213683146001Email mse bit 材料物理性能 绪论 一 材料性能的定义材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的行为的参量 1 有多少行为 就对应地有多少性能 2 外界条件不同 相同的材料也会有不同的性能 3 性能必须量化 多数的性能都有量纲 二 材料性能研究的重要性 1 材料性能的研究 贯穿于整个人类的文明史 人类使用的材料 决定了人类的文明程度 实质上 这里谈的主要是材料的性能 绝缘基板材料 2 材料性能决定了材料用途 1 具有一定的强度 以便能够承载起安装在其上的集成电路元件及布在其上的电路线 2 要有均匀而平滑的表面 以便进行穿孔 开槽等精密加工 从而能够构成细微而精密的图形 3 应有优良的绝缘性能 尤其是在高频下 4 要有充分的导热性 以迅速散发电路上因电流产生的热 5 硅与基片的热膨胀系数之差应较小 从而保证基片与电路间良好的匹配性 电路与基片就不会剥离 如 根据n 2dsin 利用晶体对X ray的衍射图象 就可以推知晶体中面网间距d 进而就可以分析晶体的结构 结构决定了性能 而性能则是内部结构某些方面的体现 3 材料性能的研究 有助于研究材料的内部结构 4 对材料性能的要求决定材料生产的工艺过程 成本 质量 用途 三 材料性能的划分 物理性能 热学性能 声学性能 光学性能 电学性能 磁学性能 辐照性能 力学性能 强度 延性 韧性 刚性 化学性能 抗氧化性 耐腐蚀性 抗渗入性 复杂性能 复合性能 工艺性能 使用性能 四 材料性能研究目的 1 材料开发的出发点 也是其重要归属 3 决定了材料生产工艺 2 有助于研究材料的内部结构 五 材料性能研究注意问题 1 现象与本质同一材料不同性能只是相同的内部结构 在不同的外界条件下所表现出的不同行为 这也说明 不同的外界条件下 材料的性能是不同的 即一种材料有多种性能 2 材料性能的划分只是为了学习和研究的方便 要注意材料间的各种性能既有区别 又有联系 3 研究材料性能 要注意性能的复合与转换 4 研究材料性能 要注意性能的发展与改造 六 材料性能研究方法 1 经验方法在大量占有实验数据的基础上 对数据的分析处理 整理为经验方程 用以表示它们的函数关系 2 理论方法从机理着手 即从反映本质的基本关系 如原子间的相互作用 点阵的波形方程等 出发 按照性能的有关规律 建立物理模型 用数学方法求解 得到有关理论方程式 第一章材料的电性能 1 1引言1 2电子类载流子导电1 3离子类载流子导电1 4半导体1 5超导体1 6电导功能材料1 7电性能测量及其应用举例 1 1引言 载流子 电荷的载体 可以是电子 空穴 正离子 负离子电导率 当施加的电场产生电流时 电流密度J正比于电场强度E 其比例常数 即为电导率 J E J E电阻率 与材料本质有关 表征材料导电性能的重要参数 1 R L S 相对电导率ICAS 国际标准软铜电导率作为100 20 时 0 01724 mm2 m 导体半导体绝缘体 10 2 m 1010 m Ag 1 46X10 8 m ResistivitiesofRealMaterials 1 2电子类载流子导电 1 2 1金属导电机制 1 传导电子论 2 量子自由电子论 3 能带理论 1 经典自由电子理论 电子气 n 单位体积内自由电子数l 电子平均自由程v 电子运动平均速度t 电子两次碰撞之间的平均时间 缺陷 1 一价金属导电性好于二 三价金属 2 电子平均自由程不准 实际测量的电子平均自由程比经典理论估计的大许多 3 超导现象无法解释 4 解释不了霍尔系数 反常 现象 成功地计算出金属电导率以及电导率和热导率的关系 置于磁场中的静止载流导体 当它的电流方向与磁场方向不一致时 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势差 这种现象称霍尔效应 霍尔效应 G Hall 1897 霍尔系数 又称霍尔常数 它表示霍尔效应的强弱 电子电导的特征是具有霍尔效应 Jx B0 Ey 霍尔效应 G Hall 1897 Jx B0 Au 0 72 10 10m3C 1 正常金属 Zn 0 30 10 10m3C 1 反常金属 量子自由电子学说利用薛定谔方程求解自由电子的运动波函数 计算自由电子的能量 也称为Fermi Sommerfel电子理论 特点 同意经典自由电子学说认为价电子是完全自由的 但认为自由电子的行为不服从Maxwell Boltzmann定律 而是服从Fermi Dirac的量子统计规律 金属原子聚集成晶体时 其价电子脱离相应原子的束缚 在金属晶体中自由运动 故称为自由电子 并且认为它们的行为如理想气体一样 服从经典的Maxwell Boltzmann统计规律 2 量子自由电子理论 基本假定 正离子形成均匀电场 价电子与离子间无相互作用 内层电子保持单原子时能量状态价电子按量子化规律具有不同能量状态 即具有不同能级 单位体积内实际参与导电的电子数 有效自由电子数 电子有效质量 散射系数 1 l 适用 低浓度金属固溶体 马西森定律 1860年 金属的总电阻由两部分组成 一部分是基本电阻 与温度有关 另一部分是溶质 杂质 浓度引起的电阻 与温度无关 即 L T 可采用极低温度下的金属剩余电阻率 4 2K或相对电阻率 300K 4 2K作为衡量金属纯度的重要指标 3 能带理论 能带 由于能级间隙很小 能级分布是准连续的 分为禁带和允带 假设 价电子公有化 能级量子化 周期势场 用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论 金属 绝缘体 半导体的能带示意图 金属 绝缘体 半导体 1 2 2电阻率与温度的关系 1 T图金属的温度越高 电阻也越大 电阻和温度的关系 t 0 1 T 一般在温度高于室温情况下 对大多数金属是适用的 事实上 金属电阻率在不同温度范围与温度变化的关系是不同的 一般可分为分三段 a 电阻率正比于温度b 电阻率与温度成五次方关系c 电阻率与温度成平方关系 c 2 T关系反常现象 1 熔化时的 T反常 金属熔化时 一般电阻增高1 5 2倍 熔化时金属原子的规则排列遭到破坏 增加了对电子的散射 电阻增加 熔化时电阻反而下降熔化时化学键由共价结合转为金属键结合使电阻率下降 Sb 2 铁磁性金属发生铁磁转变时 居里点附近 T Tc时偏离线性 反常降低量 与自发磁化强度Ms平方成反比 即 Ms2 1 2 3电阻率与压力的关系 p 0 1 p 0 真空电阻率 p 压力 压力系数 10 5 10 6 1一般规律 在流体静压力压缩时 大多数金属的电阻率下降 2关系分类 正常金属 p 如Fe Co Ni Pt Cu等 反常金属 p 如碱金属 稀土金属等 3导电性转变 表1某些半导体和电介质转变为金属态所要的临界压力 很大的压力使物质由半导体和绝缘体变为导体 甚至超导体 1 2 4冷加工和缺陷对电阻率的影响 1冷加工对电阻率的影响 2形成原因 引起金属晶格畸变 从而增加电子散射几率 引起金属晶体原子间键合的改变 使原子间距发生改变 冷加工一般引起金属电阻率增加 这是因为 特例 镍 铬镍 铜 锌铁 铬 铝 剩余电阻率 当温度降到0K时 未经冷加工变形的纯金属电阻率趋于零 冷加工的金属在任何温度下都保留有高于退火态金属的电阻率 在0K时 冷加工金属仍保留某一极限电阻 称为剩余电阻率 根据马西森定律 冷加工金属的电阻率 m 与温度有关的退火金属电阻率 剩余电阻率 与温度无关 所以与冷加工程度无关 比值随温度降低而增高 3消除方法 冷加工变形铁的电阻在退火时的变化1 99 8 2 97 8 3 93 5 4 80 5 44 退火 可使电阻恢复到冷加工前金属的电阻值 4缺陷对电阻率的影响 研究晶体缺陷对电阻率的影响 评估单晶体结构完整性 研制具有一定电阻值的金属 半导体单晶体的电阻值就是依据这个原则人为控制的 空位 间隙原子以及它们的组合 位错等晶体缺陷使金属电阻率增加 根据马西森定律 在极低温度下 纯金属电阻率主要由其内部缺陷决定 2 空位和间隙原子对剩余电阻率的影响与杂质原子的影响相似 同一数量级 1 点缺陷引起的剩余电阻率的变化 线缺陷的影响 3 当形变量不大时 位错引起的电阻率变化 位错与位错密度 N位错之间呈线性关系 位错 c N位错铁 10 18 钼 5 0 10 16 钨 6 7 10 17 一般金属在变形量为8 时 位错密度为105 108 cm2 位错影响电阻率增加值很小 10 11 10 8 cm 当退火温度接近再结晶温度时 位错对电阻的影响可忽略不计 1 2 5固溶体的电阻率 1 形成固溶体时电阻率的变化 1 形成固溶体 合金导电性能 电阻率 图5 8Ag Cu合金电阻率与成分的关系 第三 合金化常常影响弹性常数 因而点阵振动的声子谱也要改变 这些因素都要反映到电阻上来 合金化对电阻的影响 首先 杂质是对除声子扰动外所有其他方面都完善的理想晶体局部的破坏 其次 合金化对能带结构起作用 其影响往往是金属电阻的参数 为剩余电阻率 C C是杂质原子含量 1 原子杂质引起的附加电阻率 偏离值 与温度和杂质浓度有关 随溶质浓度增加 偏离严重 无圆满解释 2 低浓度固溶体电阻率 3 诺伯里 林德法则 除过渡族金属外 在同一溶剂中溶入1 原子溶质金属所引起的电阻率增加 由溶剂和溶质金属的价数而定 它们的价数差愈大 增加的电阻率愈大 2 为常数 为低浓度合金溶剂和溶质间的价数差 2019 12 31 40 2 有序合金电阻率 组元化学作用 电子结合加强 导电电子数 剩余电阻率 晶体离子势场对称性 电子散射几率 剩余电阻率 当合金有序化时 电阻率降低 3 不均匀固溶体 状态 电阻率 合金元素中含有过渡族金属的合金 在回火过程中合金的电阻率反常升高 冷加工时合金的电阻率明显降低 托马斯发现 状态 不均匀固溶体 X射线与电子显微镜分析表明该固溶体为单相组织 但固溶体中原子间距的大小显著地波动 其波动正是组元原子在晶体中不均匀分布的结果 所以称 不均匀固溶体 又称 K状态 K状态是 相内分解 的结果 它不析出任何具有自己固有点阵的晶体 当形成不均匀固溶体时 在固溶体点阵中只形成原子的聚集 包含有大约1000个原子 即区域几何尺寸大致与电子自由程相当 故明显增加电子散射几率 提高了合金的电阻率 当回火温度超过一定值时 反常升高的电阻率又开始消失 因为原子集聚在高温下消散 冷加工促使不均匀组织破坏 获得普通无序固溶体 因此 合金电阻率明显降低 1 800 水淬 400 回火 2 3 形变 400 回火 1 3离子类载流子导电 自学 1 4半导体的电学性能 6eV 0 08eV 1 1eV 0 72eV 绝缘体 半导体 导体 锗比硅容易提纯 所以最初发明的半导体三极管是锗制成的 但是 锗的禁带宽度 0 67eV 只有硅的禁带宽度 1 11eV 的大约一半 所以硅的电阻率比锗大 而且在较宽的禁带中能够更加有效地设置杂质能级 所以后来硅半导体逐渐取代了锗半导体 硅取代锗的另一个主要原因是在硅的表面能够形成一层极薄的SiO2绝缘膜 从而能够制备MOS型三极管 不同材料的禁带宽度 1 4 1本征半导体的电学性能 本征半导体 纯净的无结构缺陷的半导体单晶 电学性能仅由其固有的性质决定 载流子 电子空位 一 本征载流子的浓度 ninp自由电子浓度 空穴浓度K1常数 4 82X1015K 3 2Eg禁带宽度 T 300K时 硅 Eg 1 1eV ni np 1 5X1010cm 3锗 Eg 0 72eV ni np 2 4X1013cm 3 结论 室温条件下 有一定的导电能力 但很弱 二 本征半导体的迁移率和电阻率 外电场作用下 n p 单位电场强度下 自由电子和空穴的平均迁移速度 称为迁移率 电流密度 电阻率 在300K时 Si 2 14 10 3 mGe 4 7 10 7 m 本征半导体的电学特性 1 自由电子与空穴成对产生 浓度相等 2 Eg越大 ni越小 3 T越高 ni越大 4 导电能力很弱 1 4 2杂质半导体的电学性能 一 n型半导体 ED 施主能级EC ED 施主电离能 多子少子 电阻率 二 P型半导体 EA受主能级EA EV受主电离能 电阻率 杂质半导体特点 1 掺杂浓度虽小 但载流子浓度极大提高 2 多子导电 掺杂只增加一种载流子的浓度 1 5超导体 1911年 汞T 4 2K 1933年迈斯纳效应 1957年 BCS理论 贾埃弗单电子隧道效应约瑟夫森预言约瑟夫森效应1980热罗姆有机超导体 1986 缪勒柏诺兹LaBaCuOTc 30K1987 2 6朱经武YBaCuOTc80 92K1987 2 24赵忠贤确定YBaCuO组分斯奇林HgBaCuOTc 113 5K2000秋光纯MgB2Tc 39K 1 5 1超导体特性和三个性能指标 一 特性 1 完全导电性 目前能检测出的最低电阻率10 27 cm 2迈斯纳效应 超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后 只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度 超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外 在超导体内永远保持磁感应强度为零 超导体的这种特殊性质被称为 迈斯纳效应 二 性能指标 1 临界转变温度Tc 汞在液氮温度附近电阻变化行为 超导转变宽度 Rn下降到90 和10 之间的温度间隔与材料的纯度及均匀性有关 2 临界磁场Hc 在温度T一定时 使超导态转变成正常态的最小外加磁场 若绝对零度下的临界磁场记作Hc 0 则Hc T 与临界温度Tc 温度T之间有经验关系 即 随着温度的降低 临界磁场逐渐增大 如果给超导体通上电流 那么它所承受的有效磁场将是电流产生的磁场与外加磁场的矢量和 在一定温度和一定磁场下导致材料的超导态破坏的最大电流称为临界电流Ic或临界电流密度Jc 随着外加磁场或温度的增加 Jc将会降低以保持材料的超导态 3 临界电流Ic或临界电流密度Jc 目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种 如右图元素周期表中青色方框所示 而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种 如右图元素周期表中绿色方框所示 1 5 2两类超导体 第I类超导体第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属 如铝 锌 镓 鎘 锡 铟等 该类超导体的溶点较低 质地较软 亦被称作 软超导体 其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态 并且具有完全抗磁性 第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低 因而没有很好的实用价值 第II类超导体除金属元素钒 锝和铌外 第II类超导体主要包括金属化合物及其合金 第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于 第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态 混合态 第II类超导体的混合态中有磁通线存在 而第I类超导体没有 第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场 更大的临界电流密度和更高的临界温度 第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体 理想第II类超导体的晶体结构比较完整 不存在磁通钉扎中心 并且当磁通线均匀排列时 在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消 其体内无电流通过 从而不具有高临界电流密度 非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷 并且存在磁通钉扎中心 其体内的磁通线排列不均匀 体内各处的涡旋电流不能完全抵消 出现体内电流 从而具有高临界电流密度 在实际上 真正适合于实际应用的超导材料是非理想第II类超导体 超导体的三个重要指标 Jc Hc和Tc三者越高 则材料的应用价值越高 Hc和Tc只与材料电子结构有关 是材料的本征参数 而Jc和Hc彼此有关且依赖于温度 2 6电性能测量及其应用举例 2 6 1双电桥和电位差计测量方法1 双电桥法目前测量金属电阻应用最广泛的一种方法 测量小电阻 10 1 10 6 I3Rx I2R3 I1R1I3Rn I2R4 I1R2I R3 R4 I3 I2 r调节电阻R1 R3 R2 R4则 2 电位差计法原理 当一恒定直流电通过试样和标准电阻时 测定试样和标准电阻两端的电压降Vx和VN 可得Rx RN和Vx VN 若RN已知 可计算RxRx Rn Vx VN 2 6 2直流四探针法也称四电极法 用于半导体材料或超导体的低电阻率测试 CV23 II 探针引入的电流 C