第5章 材料的电导性能

1、第5章 材料的电导性能,2009.03,1,2. 有序固溶体合金的导电特性,在若干合金体系的固溶体中存在有序-无序转变。固溶体的有序化对合金的电阻率有显著的影响。 1914年HC库尔纳科夫等人研究在高温形成连续固溶体的Cu-Au合金时注意到成分相当于Cu3Au和CuAu的合金经高温淬火及退火处理电阻变化很大退火后的电阻只有原来淬火态的12或13。当时无法确定合金中这种转变的性质。,2,Cu3Au合金有序化对电阻率的影响,3,Cu-Ag合金的电阻率曲线 a.淬火态；b.退火态,4,X射线结构分析指出，对于退火的Cu3Au和CuAu合金，除了代表具有面心立方点阵无序固溶体的X射线谱外，还出现另外一

2、些线谱，称为超结构线谱。假设成分为Cu3Au和CuAu的合金在退火时晶体点阵中的原子进行了有序排列就可以解释超结构线谱。,5,由四个简单点阵组成的面心立方点阵。,6,面心点阵可以认为是由四个互相交错的简单立方点阵组成的。 在成分相当于分子式Cu3Au的无序固溶体中，Au原子平均地分配给四个简单点阵，使每个简单点阵合有25金原子。在理想有序状态四个简单点阵中有一个(例如点阵1)全部由Au原子组成，其他三个简单点阵由Cu原子组成。 当成分为CuAu的合金呈有序状态时，Au原子占有点阵1、2，而Cu原子形成点阵3、4，使整个点阵具有层状结构。,7,当固溶体有序化后，一方面，异类原子使点阵的周期场遭到

3、破坏而使电阻率增大，而固溶体的有序化则有利于改善离子电场的规整性，从而减少电子的散射； 另一方面，有序化使组元之间化学作用加强，导致传导电子数目减少。 在这两种相反作用的共同影响下，电场对称性增加使电阻率下降起着主导作用，所以有序化表现是电阻率降低。,8,斯米尔诺夫根据合金的成分及远程有序度，从理论上计算了有序合金的残余电阻率，假定：完全有序合金在0K和纯金属一样不具有电阻，只有当原子的有序排列遭到破坏时才有电阻。,式中r为0K时合金的电阻率；A为与组元性质有关的系数；c为合金中第一组元的相对原子浓度；为第一类结点（第一组元占据）的相对浓度；对于c,q=c/，而对于c,q=1,q值表示第一类结

4、点被相应原子占据的可能性，即被第一组元原子占据的可能性；=(p-c)/(q-c)；p为被自己原子即第一组元原子占据的第一类结点的相对数目。,9,有序化不仅存在于以组元为基的一级固溶体中，具有与组元不同空间点阵的中间相也可能存在有序化。,10,3. 不均匀固溶体合金的导电特性,某些含有过渡族金属的合金，虽是单相固溶体结构，但由于存在特殊相变及特殊结构，其电阻出现反常变化： 电阻-温度曲线呈S形或部分S形 冷加工可使合金的电祖率降低，而退火使电阻率升高 高温淬火处理后再经低温回火，室温电阻上升 “K状态” 固溶体内组元原子在晶体中分布不均匀，存在原子偏集区，形成不均匀固溶体状态,11,5.1.4

5、金属化合物、中间相及多相合金导电性,1. 金属化合物 若组元间的电负性相差较大，原子间的键合具有离子键的性质，则在许多情况下，均形成金属化合物。 金属化合物的电导率比较小，一般情况下，它比形成化合物的组元的电导率要小得多。 原子间结合类型发生变化 有时组成化合物后，合金变成半导体材料 金属化合物的电导率与其组元之间电离势之差有关，此差值减小则电导率增大,12,2. 中间相 电子化合物，电阻值随温度升高而增大，在熔化时电阻值下降 间隙相主要是指过渡族金属与氢氮碳硼组成的化合物 处于金属原子点阵的间隙位置，绝大部分属于金属型 正电阻温度系数与固溶体温度系数有相同的数量级 原因：具有金属性的结合，并

6、且非金属给出部分价电子到传导电子中去,13,3. 多相合金 合金的导电性有组成相的导电性决定 受到晶粒大小、晶界状态及组织结构等因素的影响 若一种相的尺寸与电子平均自由程为相同数量级时，对电子产生最大的散射作用 以上因素可忽略时，合金的电阻可从各相电阻相加得到,14,合金的电导率 基体型组织合金 对统计型组织合金,15,当元素形成金属间化合物时。合分性能(包括电学性能)变化最为激烈，这是由于存在金属键的同时还存在部分离子键和共价键，使结合性质激烈变化。此外，晶体结构的变化也起着重要的作用。 已知的金属只有几十种，而它们形成了几千种二元、三元以及更复杂的金属化合物，且新发现化合物的数量还在不断增

7、加。由于金属间化合物可以看成是一种新的物质，研究各种因素对其比电阻的影响引起了颇大的兴趣。,16,化合物在许多金属系统中往往在原始组元的一定浓度区形成。化合物的晶体结构不同于组元及其固溶体的结构。在二元系中常遇到 一系列中间相，它们有的在相图的液相线和固相线上有显露的极大值，有的则按包晶反应形成。,17,HC库尔纳科夫比较了单相区内不同金属相的“成分性能”曲线发现，在曲线上有的相出现了特殊的点，库尔纳科夫称之为奇异点，而有的相物理性能却随成分均匀地改变。为此他把中间相划分为道尔顿体和别尔多利体两大类，前者以“成分性能”图上存在奇异点为特征；后者则不存在奇异点。道尔顿体与别尔多利体物理性能上的不

8、同是由于它们结构不同的这一假设在1925年以后已为x射线的研究完全证实了。,18,与某一定分子式成分相当而性能图上存在奇异点的道尔顿体中，两个组元的原子排列达到了最大的长程有序。在别尔多利体中没有这种最大有序的点，它虽然也具有自己的晶体结构，但原子的有序排列只是局部的。可以把别尔多利体看成以某种化合物为基的固溶体，而该化合物在自由状态下则是不稳定的。显然，奇异点的存在与否表示金属相是否能够形成有序结构。从这个观点看，前面所讨论的CuAu和Au3Au有序固溶体乃是道尔顿体，因而也可以纳人金属间化合物之列。,19,Mg-Ag系相图和出现道尔顿体的成分性能图。,MgAg相属于道尔顿体，在这个相的均质

9、区中电导率的极大值与化学计算成分相对应。沿化学计算成分的两侧电导率都激烈下降。,20,Fe2Ti成分的Laves相电阻率与浓度的关系 1.室温(4.2K淬冷后); 2.室温 (淬冷前); 3. 4.2K,在4.2K的低温下接近Fe2Ti化学比的残余电阻却处于极小值，这可能与超导效应有关。,21,5.2 半导体导电性能,半导体材料的分类 分类依据：电阻率、禁带宽度、电学性能,22,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化

10、物、氧化物等。,半导体及其特点,23,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。,24,半导体的导电能力受外界因素的影响很大：,对温度敏感 热敏元件,掺杂 半导体二极管、三极管、场效应管、晶闸管等半导体器件,对光照敏感 光电管、光电池等光敏元件,半导体的这些特点是由其原子结构决定的,25,5.2.1 本征半导体,本征半导体：纯净的、结构完整的半导体晶体。应用最多的本征半导体为硅和锗，原子结构中最外层的价电子都是四个。通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。

11、 本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合，每个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成共用电子对，这对价电子是此相邻原子共有的，它们通过共价键将相邻原子结合在一起。,26,一、本征半导体的结构特点,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,27,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,硅和锗的晶体结构：,28,硅和锗的共价键结

12、构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,29,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,30,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,1.载流子、自由电子和空穴,二、本征半导体的导电机理,31,自由电子,空穴,束缚电子,32,2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，