功能材料概论3(导体半导体及材料性能)

2.5导体、半导体和绝缘体固体按导电性能的高低可分为：导体、半导体、绝缘体导体：在外电场的作用下，大量共有化电子很容易获得能量，集体定向流动形成电流。（善于传导电流的物体，其电阻率很小）绝缘体：在外电场作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。（电阻率极高的物体）半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间根据能带结构及电子的填充情况可以说明导体、半导体与绝缘体的区别，这是能带理论的巨大成就。12.5.1能带的形成1.外层电子共有化对大量原子有规则地排列成晶体时，由于原子离得很近，每个电子不仅受到本身原子核的作用，而且受到邻近原子核的影响。内层电子因受原子核的牢牢束缚而受影响较小。外层电子（价电子）却不同，除受本身原子的势场作用外，还受邻近原子的势场作用，后者甚至更强，结果就导致这些电子不再局限于某一原子而可以从一个原子转移到相邻原子中去，可以在整个晶体中运动，即电子不再分属各个原子所有，而是属于整个原子所共有，这称电子的共有化。2因为当有N个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能级，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则）从而只能分裂成N个非常靠近的能级（10-22ev），因为能量差甚小，可看成能量连续的区域，称为能带。1s2p2sEo原子间距禁带禁带能带2.能带的形成泡利不相容原理（Pauli’sexclusionprinciple）指在原子中不能容纳运动状态完全相同的电子。

32.5.2能带填充与导电性1.满带：各能级都被两个自旋相反电子填满的能带满带当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电子必作相反的转移。没有额外的定向运动。满带中电子不能形成电流。满带不导电4导带电子可在外场作用下跃迁到高一级的能级形成电流。这时，沿电场正、反方向运动的电子数不相等，破坏了原来的对称分布，总电流不为零，所以不满带可以导电。2.导带：能带不满，部分能级被电子占据的能带3.空带：各能级都没有被电子填充的能带4.价带：价电子（最外层电子）所处的能带称为价带52.5.3金属、半导体、绝缘体的能带结构1.导体：价带是导带或等效导带导带满带满带空带满带空带价带是满带和空带重叠价带是满带和空带相连导体中存在导带在原子未被激发的正常态下，空带没有电子占据，空带中一旦存在电子就具有导电性，空带也是导带。导体、半导体、绝缘体的不同，主要是因为能带结构不同62.绝缘体：只有满带和空带，且禁带宽度较大满带空带禁带例如金刚石中两个碳原子相距15nm时，△Eg=5.33eV。

满带与导带之间被一个较宽的禁带所隔开，在常温下几乎很少有电子可以被激发越过禁带，因此其电导率很低。73.半导体：价带是满带，但是禁带宽度较小满带空带禁带例如硅Eg=1.14eV，锗Eg=0.67eV，砷化镓Eg=1.43eV。金属导电与半导体导电的差别：金属导电的载流子是自由电子，半导体导电的载流子是导带中的电子和价带中的空穴。半导体能带结构下面是价带，价带是一个满价带；上面是导带，导带是空的；满价带和空带之间是禁带，其禁带宽度比较窄，一般在1ev左右。价带中的电子受能量激发后，如果激发能大于Eg，电子可以从价带跃迁到空带上，形成导带，同时在价带中留下一个空的能级位置--空穴。82.6本征半导体与杂质半导体1.本征半导体：高纯度、无缺陷的元素半导体。杂质浓度﹤10-9导电机制：空带满带禁带-e-e-e-eIeIP本征激发空穴电流（本征导电）价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中，跃迁电子可在导带中自由运动；同时，在满价带中留下空穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可传导正电荷。因此，半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是导电的载流子。92.杂质半导体：在本征半导体中有意加入少量的杂质元素，以控制电导率，有n型和p型n型-施主型半导体：掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子例在四价锗（Ge）元素半导体中掺入五价砷（AS）形成的半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5掺入AS以后，五个价电子中，有四个电子与周围的Ge组成共价键晶体，还多余一个电子，此电子成为自由电子，易激发。10p型-受主型半导体：掺杂原子的价电子少于纯元素的价电子例在四价锗（Ge）元素半导体中掺入三价硼（B）形成的半导体掺入B以后，B是三价，与周围的Ge组成共价键晶体，还缺少一个电子，从而形成一个空穴，形成空穴导电。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeBB+3+3111.超导电现象超导电现象某些材料在温度低于某一温度时，电阻突然降到零的现象。具有超导电性的材料称为超导体，电阻降为零的温度称为转变温度或临界温度。R/R04.004.104.204.304.400.00000.00050.00100.00150.0020T/K临界温度低温下汞的电阻温度关系2.7超导性12

对于氧化物超导体，其转变温度范围较宽。0.9R00.5R00.1R0R0TeTmTs氧化物超导体的转变温度

电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度定义为转变温度。转变宽度132.超导体的主要特性（1）零电阻（完全导电性）超导体处于超导态时电阻完全消失，若形成回路，一旦回路中有电流，该电流将无衰减地持续下去。File和Mills利用精确核磁共振方法测量超导电流产生的磁场，来研究螺线管内超导电流的衰变，得出的结论是超导电流的衰变时间不短于10万年。（2）临界磁场、临界电流和临界温度

材料的超导态可以被外加磁场破坏而转入正常态，这种破坏超导态所需的最小磁场强度称为临界磁场。临界磁场的存在，限制了超导体中能够通过的电流。当通过超导体的电流超过某一电流值时，超导态被破坏，此电流称为临界电流。14（4）同位素效应

同位素的质量越大，转变温度越低。同位素效应说明超导不仅与电子状态有关，也与金属的离子晶格有关。磁力线不能进入超导体内部（3）迈斯纳效应——完全抗磁性

处于超导状态的金属，无论先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，超导体内的磁感应强度总是为零。这一现象为迈斯纳（Meissner）1933年发现，称为迈斯纳效应。15磁性材料主要是指由过渡元素铁、钴、镍极其合金等材料。它们主要的磁性能如下：（1）高磁导率磁性材料的磁导率很大，μr>>1，可达102~105量级。这就使它们具有被强烈磁化（呈现磁性）的特性。非磁性物质的相对磁导率为常数且接近于1；磁性物质的相对磁导率则很大。2.8磁性能16分子电流和磁畴理论：在物质的分子中，电子的绕核运动和自转将形成分子电流，分子电流产生磁场，每个分子都相当于一个基本小磁铁，具有永久轨道磁矩和自旋磁矩。同时，在磁性物质内部还分成许多小区域；由于磁性物质分子的相互作用，使分子电流在局部形成有序排列而显示出磁性，这些小区域称为磁畴。磁性物质没有外场时，各磁畴是混乱排列的，磁场互相抵消。17在外磁场作用下，磁畴就逐渐转到与外场一致的方向上，即产生了一个与外场方向一致的磁化磁场，从而磁性物质内的磁感应强度大大增加。就是说磁性物质被强烈的磁化了。

磁性物质被广泛地应用于电工设备中，电动机、电磁铁、变压器等设备中线圈中都含有的铁心。就是利用其磁导率大的特性，使得在较小的电流情况下得到尽可能大的磁感应强度和磁通。非磁性材料没有磁畴的结构，不具有磁化特性。18二、磁饱和性（2）磁感应强度饱和性当外磁场(或激励磁场的电流)增大到一定程度时，全部磁畴都会转向与外场方向一致，这时的磁感应强度将达到饱和值。（3）磁滞性要使剩磁消失，通常需进行反向磁化。使B=0时的H值称为矫顽磁力

Hc。BHO412356在铁心线圈通有交变电流时，铁心将被交变磁化。电流变化一次时，B随H而变化的关系如图所示：当H减少为零时，B并未回到零值，出现剩磁Br。磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。不同物质的滞回曲线是不同的。19(4)磁性各向异性指物质的磁性随方向而变的现象磁性的各向异性：单晶体的不同晶向上，磁性能是不同的。磁晶各向异性能：磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差。主要表现为弱磁体的磁化率及铁磁体的磁化曲线随磁化方向而变。铁磁体的磁各向异性尤