第一章电学性能2014

1、 于晓东于晓东Tel: 68912712mail: 材料物理性能材料物理性能绪论绪论（一）材料性能的定义（一）材料性能的定义 材料性能是一种用于表征材料在材料性能是一种用于表征材料在给定的外给定的外界条件下界条件下的的行为行为的参量。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（二）材料性能研究的重要性 1.1.材料性能的研究，贯穿于整个人类的文明史。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，人类使用的材料，

2、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。这里谈的主要是材料的性能。绝缘基板材料绝缘基板材料2.2.材料性能决定了材料用途材料性能决定了材料用途 1)1)具有一定的具有一定的强度强度，以便能够承载起安装在其上的集成电路，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；元件及布在其上的电路线；2)2)要有要有均匀而平滑的表面均匀而平滑的表面，以便进行穿孔、开槽等精密加工，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；从而能够构成细微而精密的图形；3)3)应有优良的应有优良的绝缘性能绝缘性能( (尤其是在高频下尤其是在高频下) )；4)4)要有充分的要有充分的

3、导热性导热性，以迅速散发电路上因电流产生的热；，以迅速散发电路上因电流产生的热；5)5)硅与基片的硅与基片的热膨胀系数之差热膨胀系数之差应较小，从而保证基片与电路应较小，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。间良好的匹配性，电路与基片就不会剥离。如：根据如：根据n=2dsinn=2dsin，利用晶体对，利用晶体对X-rayX-ray的衍射图象，就的衍射图象，就可以推知晶体中面网间距可以推知晶体中面网间距d d，进而就可以分析晶体的结构。，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。结构决定了性能，而性能则是内部结构某些方面的体现。3. 3. 材

4、料性能的研究，有助于研究材料的内部结构。材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构。4. 4. 对材料性能的要求决定材料生产的工艺过程。对材料性能的要求决定材料生产的工艺过程。 成本成本质量质量用途用途（三）材料性能的划分（三）材料性能的划分物理性能物理性能（ 热学性能、声学性能、光学性热学性能、声学性能、光学性能、电学性能、磁学性能、辐照性能）能、电学性能、磁学性能、辐照性能） 力学性能力学性能（ 强度、强度、 延性、延性、 韧性、韧性、 刚性）刚性） 化学性能化学性能（抗氧化性、耐腐蚀性、抗渗入性）（抗氧化性、耐腐蚀性、抗渗入性）复杂性能复杂性能（复合性能、工艺性能、使用性能）（复合性能、工

5、艺性能、使用性能） （四）材料性能研究目的（1 1）材料开发的出发点，也是其重要归属。）材料开发的出发点，也是其重要归属。 （3 3）决定了材料生产工艺。）决定了材料生产工艺。（2 2）有助于研究材料的内部结构。）有助于研究材料的内部结构。 （五）材料性能研究注意问题 1、现象与本质现象与本质 同一材料不同性能只是同一材料不同性能只是相同的内部结构相同的内部结构，在，在不同的不同的外界条件外界条件下所表现出的不同行为。下所表现出的不同行为。 这也说明，不同的外界条件下，材料的性能是不同这也说明，不同的外界条件下，材料的性能是不同的，即一的，即一种材料有多种性能。种材料有多种性能。 2 2、材料

6、性能的划分只是为了学习和研究的方便。、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。要注意材料间的各种性能既有区别，又有联系。 3 3、研究材料性能，要注意性能的研究材料性能，要注意性能的复合与转换复合与转换。 4 4、研究材料性能，要注意性能的研究材料性能，要注意性能的发展与改造发展与改造。 （六）材料性能研究方法 (1) 经验方法经验方法 在大量占有实验数据的基础上，对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。函数关系。 (2) 理论方法理论方法 从机理着手，即从

7、反映本质的基本从机理着手，即从反映本质的基本关系关系(如原子间的相互作用、点阵的波形方程等如原子间的相互作用、点阵的波形方程等)出发，出发，按照性能的有关规律、建立物理模型，用数学方法求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。解，得到有关理论方程式。第一章第一章 材料的电性能材料的电性能 1.1 引言引言1.2 电子类载流子导电电子类载流子导电1.3 离子类载流子导电离子类载流子导电1.4 半导体半导体1.5 超导体超导体1.6 电导功能材料电导功能材料1.7 电性能测量及其应用举例电性能测量及其应用举例 1.1 引引 言言载流子载流子：电荷的载体。可以是电子、空

8、穴、正离子、：电荷的载体。可以是电子、空穴、正离子、 负离子负离子电导率电导率：当施加的电场产生电流时，电流密度：当施加的电场产生电流时，电流密度J正比正比于电场强度于电场强度E，其比例常数，其比例常数即为电导率。即为电导率。 J= EE = J= JE电阻率电阻率：与材料本质有关，表征材料导电性能的重：与材料本质有关，表征材料导电性能的重要参数。要参数。 =1/=1/ R= R= L/SL/S相对电导率相对电导率ICAS：国际标准软铜电导率作为：国际标准软铜电导率作为100%。 （20 时，时，=0.01724mm2/m导导 体体半导体半导体 绝缘体绝缘体10-2m1010mAg ： 1.4

9、6X10-8mCompound Resistivity ( -cm) Compound Resistivity ( -cm) Ca 3.9 10-6 Si 0.1 Ti 42 10-6 Ge 0.05 Mn 185 10-6 ReO3 36 10-6 Zn 5.9 10-6 Fe3O4 52 10-6 Cu 1.7 10-6 TiO2 9 104 Ag 1.6 10-6 ZrO2 1 109 Pb 21 10-6 Al2O3 1 1019 1.2 电子类载流子导电电子类载流子导电1.2.1 金属导电机制金属导电机制 （1）传导电子论）传导电子论 （2）量子自由电子论）量子自由电子论 （3）能带

10、理论）能带理论（1）经典自由电子理论）经典自由电子理论 tmnevmlne22“电子气电子气”n：单位体积内自由电子数：单位体积内自由电子数l：电子平均自由程：电子平均自由程v：电子运动平均速度：电子运动平均速度t：电子两次碰撞之间的平均时间：电子两次碰撞之间的平均时间缺陷：缺陷：1、一价金属导电性好于二、三价金属。、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、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。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。、超导现象无法解释。4、解释不了霍尔系数、解释不了霍尔系数“反常反常”现象。现象。

11、成功地计算出金属电导率以及电成功地计算出金属电导率以及电导率和热导率的关系。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。产生电动势差，这种现象称霍尔效应。 霍尔效应霍尔效应(G.Hall,1897)0BJRExHy 霍尔系数（又称霍尔常数），它表示霍尔效应的强弱。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。电子电导的特征是具有霍尔效应。XYZJx

12、B0Ey霍尔效应霍尔效应(G.Hall,1897)0BJRExHyXYZJxB0neBJHERxH10Au：-0.7210-10m3C-1正常金属正常金属Zn：0.3010-10m3C-1反常金属反常金属 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，也称为运动波函数，计算自由电子的能量，也称为Fermi-Sommerfel电子理论。电子理论。特点：特点： 同意经典自由电子学说认为价电子是完全自由的，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但认为自由电子的行为不服从Maxwell-Boltz

13、mann定律定律，而是服从而是服从Fermi-Dirac的量子统计规律。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。统计规律。（2）量子自由电子理论）量子自由电子理论基本假定：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内层电子保持

14、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。价电子按量子化规律具有不同能量状态，即具有不同能级。mnenvmvmentmenvmleneffeffeffeffeff222221222单位体积内单位体积内实际参与导电实际参与导电的电子数，的电子数，有效自由电子数有效自由电子数电子有效质量电子有效质量散射系数散射系数，=1/=1/lT理想金属电阻理想金属电阻声子散射声子散射基本电阻基本电阻电子散射电子散射有缺陷晶体有缺陷晶体杂质或缺陷散射杂质或缺陷散射残余电阻残余电阻适用：低浓度金属固溶体适用：低浓度金属固溶体马西森定律（马西森定律（1860年）年） 金属的总电阻由两部分组

15、成：一部分是基本电阻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（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）即电阻（与温度无关）即 = =L L（T T） 可采用极低温度下的金属剩余电阻率可采用极低温度下的金属剩余电阻率4 4.2K.2K 或相对电或相对电阻率阻率300K300K / / 4 4.2K.2K作为衡量金属纯度的重要指标。作为衡量金属纯度的重要指标。（3）能带理论）能带理论能带能带：由于能级间隙很小，能级分布是准连续的，分为：由于能级间隙很小，能级分布是准连续的，分为禁带禁带和和允带允带。假设：假设： 价电子公有化

16、，价电子公有化， 能级量子化，能级量子化， 周期势场周期势场用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论。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、半导体的能带示意图金属金属绝缘体绝缘体半导体半导体1.2.2 电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系1.TT图图 金属的温度越高，电阻也越大。金属的温度越高，电阻也越大。电阻和温度的关系：电阻和温度的关系： t t0 0（1 1+ +T T）一般在一般在温度高于室温情况温度高于室温情况下，对大多数金属是适用的。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事实上，金属电阻率在不同温度范围与温度变化的

17、关系是不同的。一般可分为温度变化的关系是不同的。一般可分为分三段：分三段： a a、电阻率正比于温度、电阻率正比于温度 b b、电阻率与温度成五次方关系、电阻率与温度成五次方关系 c c、电阻率与温度成平方关系、电阻率与温度成平方关系 c2 T关系反常现象关系反常现象（1）熔化时的）熔化时的T反常反常 金属熔化时，一般电阻增高金属熔化时，一般电阻增高1.52倍。倍。熔化时金属原子的规则排列遭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，到破坏，增加了对电子的散射，电阻增加。电阻增加。熔化时电阻反而下降熔化时电阻反而下降熔化时化学键由共价结合转熔化时化学键由共价结合转为金属键结合使电阻率

18、下降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）铁磁性金属发生铁磁转变时（居里点附近）TTc时时 偏离线性，反常降低量偏离线性，反常降低量与自发磁化强度与自发磁化强度M Ms s平平方成反比，即方成反比，即 M Ms s2 21.2.3 电阻率与压力的关系电阻率与压力的关系 p=0(1+p) 0：真空电阻率，：真空电阻率， p：压力，：压力， ：压力系数（：压力系数（-10-510-6）1 一般规律一般规律在流体静压力压缩时，大多数金属的在流体静压力压缩时，大多数金属的电阻率下降电阻率下降。2 关系分类关系分类正常金属正常金属：p，。如。如Fe、Co、Ni、P

19、t、Cu等。等。反常金属反常金属： p， 。如碱金属、稀土金属等。如碱金属、稀土金属等。3 导电性转变导电性转变表表1 1 某些半导体和电介质转变为金属态所要的临界压力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冷加工和缺陷对电阻率的影响纯金属纯金属Fe，AlWMo26%3050%1520%固溶体固溶体单相固溶体单相固溶体有序固溶体有序固溶体1020%100%1 冷加工对电阻率的影响冷加工对电阻率的影响2 形成原因形成原因引起金属晶格畸变，从而增加电子

20、散射几率。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，使原子间距引起金属晶体原子间键合的改变，使原子间距发生改变。发生改变。冷加工一般引起金属电阻率增加冷加工一般引起金属电阻率增加，这是因为，这是因为特例：特例： 镍镍-铬铬 镍镍-铜铜-锌锌 铁铁-铬铬-铝铝剩余电阻率剩余电阻率 当温度降到当温度降到0K时，未经冷加工变形的纯金属时，未经冷加工变形的纯金属电阻率趋于零。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。火态金属的电阻率。在在0K时，冷加工金属仍保留时，冷加工金属仍保留某一极限电阻，称为剩余电阻

21、率。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根据马西森定律，冷加工金属的电阻率 m m ：与温度有关的退火金属电阻率：与温度有关的退火金属电阻率 ：剩余电阻率：剩余电阻率与温度无关，所以与冷加工程度无关。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。比值随温度降低而增高。3 消除方法消除方法冷加工变形铁的电阻在退火时的变化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。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缺陷对电阻率的

22、影响 研究晶体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；评估单晶体结构完整性； 研制具有一定电阻值的金属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）（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。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）空位和间隙原子对剩余电阻率的影响与杂质

23、原子的影响相似，同一数量级。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）点缺陷引起的剩余电阻率的变化线缺陷的影响(3)(3)当形变量不大时，位错引起的电阻率变化当形变量不大时，位错引起的电阻率变化位错位错与位错与位错密度密度N N位错位错之间呈线性关系之间呈线性关系 位错位错=c N N位错位错 铁：铁：10-18，钼：，钼：5.010-16，钨：，钨：6.710-17一般金属在变形量为一般金属在变形量为8%时，位错密度为时，位错密度为105108/cm2，位，位错影响电阻率增加值很小（错影响电阻率增加值很小（10-11 10-8 cmcm ）。）。当退火温度接近再结晶

24、温度时，位错对电阻的影响可忽略不计。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固溶体的电阻率固溶体的电阻率1. 形成固溶体时电阻率的变化形成固溶体时电阻率的变化（1）形成固溶体）形成固溶体合金导电性能合金导电性能电阻率电阻率图58 Ag-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。都要反映到电阻上来。合金化对电阻的影响：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

25、的破坏；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；响往往是金属电阻的参数； + + 为剩余电阻率为剩余电阻率 C C是杂质原子含量，是杂质原子含量， 1%原子杂质引起的附加电阻率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。增加，偏离严重。无圆满解释。 （2）低浓度固溶体电阻率：）低浓度固溶体电阻率：（3）诺伯里）诺伯里-林德法则：林德法则： 除过渡族金属外，在同一溶剂中溶入除过渡族金属外，在同一溶剂中溶入1%原子溶质金原子溶质

26、金属所引起的电阻率增加，由溶剂和溶质金属的价数而定，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。它们的价数差愈大，增加的电阻率愈大。 +（ ）2 、为常数，、为常数， 为低浓度合金溶剂和溶质间的价数差为低浓度合金溶剂和溶质间的价数差2.有序合金电阻率有序合金电阻率 组元化学作用组元化学作用电子结合加强电子结合加强导电电子数导电电子数 剩余电阻率剩余电阻率 晶体离子势场对称性晶体离子势场对称性电子散射几率电子散射几率 剩余电阻率剩余电阻率 当合金有序化时，电阻率降低当合金有序化时，电阻率降低。3.不均匀固溶体（状态）电阻率不均匀固溶体（状态）电阻率合金元

27、素中含有过渡族金属的合合金元素中含有过渡族金属的合金，金，在回火过程中合金的电阻率在回火过程中合金的电阻率反常升高反常升高；冷加工时合金的电阻冷加工时合金的电阻率明显降低。率明显降低。托马斯发现：托马斯发现：状态：不均匀固溶体状态：不均匀固溶体 X射线与电子显微镜分析表明该固溶体为射线与电子显微镜分析表明该固溶体为单相组织单相组织，但固溶体中但固溶体中原子间距的大小显著地波动原子间距的大小显著地波动，其波动正是，其波动正是组元原子在晶体中不均匀分布的结果组元原子在晶体中不均匀分布的结果，所以称，所以称“不均不均匀固溶体匀固溶体”，又称，又称“K 状态状态”。K状态是状态是“相内分解相内分解”的

28、结果，它的结果，它不析出任何具有自己固有点阵的晶体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，包含有大约聚集，包含有大约1000个原子，即个原子，即区域几何尺寸大致与电子区域几何尺寸大致与电子自由程相当自由程相当，故明显增加电子散射几率，提高了合金的电阻，故明显增加电子散射几率，提高了合金的电阻率。率。 当回火温度超过一定值时，反常升高的电阻率又开始消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。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冷加工促使不均匀组

29、织破坏，获得普通，获得普通无序固溶体，因此，合金电阻率明显降低。无序固溶体，因此，合金电阻率明显降低。1-800水淬水淬+400回火；回火；2，3-形变形变+400回火回火1.3离子类载流子导电离子类载流子导电 （自学）（自学）1.4 半导体的电学性能半导体的电学性能6eV0.08eV1.1eV0.72eV绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体 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（制成的。但是，锗的禁带宽度（0.67eV）只有硅的禁带）只有硅的禁带宽度（宽度（1.11eV）的大约一半，所以硅的电阻率比锗大，）的大约一

30、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个主要原因是在硅的表面能够形成一层极薄的SiO2绝缘绝缘膜，从而能够制备膜，从而能够制备MOS型三极管。型三极管。 不同材料的禁带宽度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的电学性能本征半导体本征半导体：纯净的无结构缺陷的半导体单晶。：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。满带满带禁带禁带Eg 空

31、带空带载流子载流子： 电子电子 空位空位价带价带禁带禁带Eg 导带导带空位空位自由电子自由电子（一）本征载流子的浓度（一）本征载流子的浓度ni np自由电子浓度，空穴浓度自由电子浓度，空穴浓度K1常数，常数，4.82X1015K-3/2 Eg禁带宽度禁带宽度T=300K时，时，硅，硅，Eg=1.1eV，ni=np=1.5X1010cm-3锗，锗， Eg=0.72eV，ni=np=2.4X1013cm-3)2exp(2/31kTETKnngpi结论：结论： 室温条件下，有一定的导电能力，但很弱室温条件下，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（二）本征半导体的迁移率和电阻率外电

32、场作用下，外电场作用下，EppvEnnvn p：单位电场强度下，自由电子和空穴的平均迁移速单位电场强度下，自由电子和空穴的平均迁移速 度，称为度，称为迁移率迁移率。电流密度：电流密度：EvqpEvqnJjjpinipn电阻率：电阻率：)(1piiqnjE在在300K时，时，Si，=2.1410-3 mGe，=4.710-7 m本征半导体的电学特性：本征半导体的电学特性：（1） 自由电子与空穴成对产生，浓度相等自由电子与空穴成对产生，浓度相等（2）Eg越大，越大，ni越小越小（3）T越高，越高，ni越大越大（4）导电能力很弱）导电能力很弱1.4.2杂质半导体的电学性能杂质半导体的电学性能（一）（

33、一）n型半导体型半导体ED ：施主能级：施主能级EC-ED：施主电离能：施主电离能多子多子少子少子nDnqN1电阻率电阻率（二（二) P 型半导体型半导体EA 受主能级受主能级EA-EV 受主电离能受主电离能pApqN1电阻率电阻率杂质半导体特点：杂质半导体特点：（1）掺杂浓度虽小，但载流子浓度极大提高。）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。）多子导电，掺杂只增加一种载流子的浓度。1.5 超导体超导体1911年年* 汞汞 T=4.2K1933年年 迈斯纳效应迈斯纳效应1957年年 * BCS理论理论 * 贾埃弗贾埃弗 单电子单电子 隧道效应隧道效应

34、约瑟夫森约瑟夫森 预言约瑟夫森效应预言约瑟夫森效应1980 热罗姆热罗姆 有机超导体有机超导体1986 * 缪勒缪勒 柏诺兹柏诺兹 LaBaCuO Tc30K1987.2.6 朱经武朱经武 YBaCuO Tc 80-92K1987.2.24 赵忠贤赵忠贤 确定确定YBaCuO组分组分 斯奇林斯奇林 HgBaCuO Tc=113.5K2000 秋光纯秋光纯 MgB2 Tc=39K1.5.1超导体特性和三个性能指标超导体特性和三个性能指标（一）特性（一）特性1、完全导电性、完全导电性目前能检测出的最低电阻率目前能检测出的最低电阻率 10-27 cm2 迈斯纳效应迈斯纳效应 超导体冷却到临界温度以下

35、而转变为超导态后，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殊性质被称为迈斯纳效应迈斯纳效应。 （二）性能指标（二）性能指标1、临界转变温度临界转变温度Tc汞在液氮温度附近电阻变化行为汞在液氮温度附近电阻变化行为TsTm T0超导转变宽度超导转变宽度：Rn 下降到下降到90%和和10%之间的温度间隔之间的温度间

36、隔 与材料的纯度及均匀性有关与材料的纯度及均匀性有关2、 临界磁场临界磁场 Hc在温度在温度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绝对零度下的临界磁场记作Hc(0)，则，则Hc(T)与临界温度与临界温度Tc、温、温度度T之间有经验关系：之间有经验关系： 2ccc10TTHTH即：即：随着温度的降低，临界磁场逐渐增大。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，在一定温度是电流产生的磁场与外加磁场的矢

37、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临界电流Ic或临界电流密度或临界电流密度Jc 。随着外加磁场或温度。随着外加磁场或温度的增加，的增加，Jc将会降低以保持材料的超导态。将会降低以保持材料的超导态。3、 临界电流临界电流Ic或临界电流密度或临界电流密度Jc： 目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有3232种种（如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下或制（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成薄膜状时具有超导电性的元素金

38、属有1414种种（如右图元素（如右图元素周期表中绿色方框所示）。周期表中绿色方框所示）。 1.5.2两类超导体两类超导体第第I I类超导体类超导体 第第I I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的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，亦被称作点较低、质地较软，亦被称作“软超导体软超导体”。其特征是由。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。正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第第I I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因

39、而没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。有很好的实用价值。 第第IIII类超导体类超导体 除金属元素钒、锝和铌外，第除金属元素钒、锝和铌外，第IIII类超导体主要包括类超导体主要包括金属化合物及其合金。第金属化合物及其合金。第IIII类超导体和第类超导体和第I I类超导体的类超导体的区别主要在于：区别主要在于：第第IIII类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合态）（混合态）第第IIII类超导体的混合态中有磁通线存在，而第类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I I类超导类超导体没有；体没有；1)1)第第IIII类超

40、导体比第类超导体比第I I类超导体有更高的临界磁场、更大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。的临界电流密度和更高的临界温度。 第第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类超类超导体和非理想第导体和非理想第II类超导体。类超导体。理想第理想第II类超导体的晶体结构比较完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

41、。过，从而不具有高临界电流密度。非理想第非理想第II类超导体的晶体结构存在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际上，真正适合于实际应用的超导材料是非理想第料是非理想第II类超导体类超导体。超导体的三个重要指标：超导体的三个重要指标： Jc、Hc和和Tc三者越高，则材料的应用价值越高。三者越高，则材料的应用价值越高。Hc和和T

42、c只与材料电子结构有关，是材料的本征只与材料电子结构有关，是材料的本征参数，而参数，而Jc和和Hc彼此有关且依赖于温度彼此有关且依赖于温度2.6电性能测量及其应用举例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双电桥和电位差计测量方法1） 双电桥法双电桥法目前测量金属电阻应用最广泛的一种方法，测量小电阻目前测量金属电阻应用最广泛的一种方法，测量小电阻（10-110-6）。）。 I3Rx+ I2R3= I1R1 I3Rn+ I2R4= I1R2 I（R3+R4）=（I3-I2）r调节电阻调节电阻R1=R3，R2=R4 则：则：NNxRRRRRRR43212） 电位差计法电位差计法原理：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样和标准电阻两端的电压降V Vx x和和V VN N，可得可得R Rx x/R/RN N和和V Vx x/ V/ VN N，若若R RN N已知，可计算已知，可计算R Rx x R Rx x=R=Rn n(V(Vx x/ V/ VN N) ) 2.6.2 直流四探针法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。也称四电极法，用于半导体材料或超导体的低电阻率测试。 =C V23/I I：探针引入的电流（），：探针引入的电流（）