1、第五章第五章 導(dǎo)電物理導(dǎo)電物理材料物理材料物理材料物理材料物理 導(dǎo)電性能對于材料來說也是非常重要的，導(dǎo)電材導(dǎo)電性能對于材料來說也是非常重要的，導(dǎo)電材料、電阻材料、電熱材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、電阻材料、電熱材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料和絕緣材料都是以材料的導(dǎo)電性能為基礎(chǔ)的。料和絕緣材料都是以材料的導(dǎo)電性能為基礎(chǔ)的。 長距離傳輸電力的金屬導(dǎo)線要有很高的導(dǎo)電性，以減長距離傳輸電力的金屬導(dǎo)線要有很高的導(dǎo)電性，以減少由于電線發(fā)熱造成的電力損失。少由于電線發(fā)熱造成的電力損失。 陶瓷和高分子絕緣材料必須不導(dǎo)電，以防止產(chǎn)生短路陶瓷和高分子絕緣材料必須不導(dǎo)電，以防止產(chǎn)生短路或電弧。或電弧。 作為太陽能電池的半

2、導(dǎo)體對其導(dǎo)電性能要求更高，以作為太陽能電池的半導(dǎo)體對其導(dǎo)電性能要求更高，以追求盡可能高的太陽能利用效率追求盡可能高的太陽能利用效率。2材料物理材料物理當(dāng)在材料的兩端施加電壓當(dāng)在材料的兩端施加電壓U時，材料中有電流通過，這種現(xiàn)時，材料中有電流通過，這種現(xiàn)象稱為導(dǎo)電現(xiàn)象。由歐姆定律可知材料的電阻大小為象稱為導(dǎo)電現(xiàn)象。由歐姆定律可知材料的電阻大小為用電阻的大小可以評價材料的導(dǎo)電性能，其值不僅與材料的用電阻的大小可以評價材料的導(dǎo)電性能，其值不僅與材料的性能有關(guān)，還與材料的尺寸有關(guān)性能有關(guān)，還與材料的尺寸有關(guān)式中，式中，L為材料長度，為材料長度，S為材料截面積，為材料截面積，（電阻率）為與材（電阻率）為

3、與材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。 只與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，與導(dǎo)體只與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，與導(dǎo)體的尺寸無關(guān)，所以通常用的尺寸無關(guān)，所以通常用來表示材料的導(dǎo)電性能。來表示材料的導(dǎo)電性能。另外，還常用電導(dǎo)率另外，還常用電導(dǎo)率來表示導(dǎo)電性能來表示導(dǎo)電性能3IUR SLR1材料物理材料物理工程中有時也會用電導(dǎo)率（工程中有時也會用電導(dǎo)率（IACS%）來表征材料的導(dǎo)電性能，）來表征材料的導(dǎo)電性能，把國際標(biāo)準(zhǔn)軟銅（在室溫把國際標(biāo)準(zhǔn)軟銅（在室溫20 下電阻率為下電阻率為0.01724 m）的）的電導(dǎo)率作為電導(dǎo)率作為100%，其他導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與之相比的百分，其他導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與之相比的百分?jǐn)?shù)即為該導(dǎo)

4、體材料的相對電導(dǎo)率。數(shù)即為該導(dǎo)體材料的相對電導(dǎo)率。例如例如Fe的的IACS%為為17%，Al的的IACS%為為65%。4材料物理材料物理根據(jù)導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。根據(jù)導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。導(dǎo)體：電阻率在導(dǎo)體：電阻率在10-810-4 m范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。半導(dǎo)體半導(dǎo)體:電阻率在電阻率在10-4108 m范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。絕緣體絕緣體:電阻率電阻率108 m。超導(dǎo)體：電阻率超導(dǎo)體：電阻率10-27 m。5材料物理材料物理材料材料電子結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率（電導(dǎo)率（-1cm-1）堿金屬堿金屬Na1s22s22p63s12.13105堿土金屬堿土金屬 Mg1s22s

5、22p63s22.25105A族金屬族金屬Al1s22s22p63s23p13.77105過渡族金屬過渡族金屬Fe.3d64s21.00105高分子材料聚乙烯高分子材料聚乙烯10-15陶瓷材料陶瓷材料Al2O310-146v能夠攜帶電荷的粒子稱為載流子。能夠攜帶電荷的粒子稱為載流子。 v在金屬、半導(dǎo)體和絕緣體中攜帶電荷的載流子是在金屬、半導(dǎo)體和絕緣體中攜帶電荷的載流子是電子。電子。v在離子化合物中，攜帶電荷的載流子則是離子。在離子化合物中，攜帶電荷的載流子則是離子。v控制材料的導(dǎo)電性能實際上就是控制材料中的載控制材料的導(dǎo)電性能實際上就是控制材料中的載流子的數(shù)量和這些載流子的移動速率。流子的數(shù)量

6、和這些載流子的移動速率。 材料物理材料物理7v對于金屬材料來說，載流子的移動速率特別重要。對于金屬材料來說，載流子的移動速率特別重要。 v對于半導(dǎo)體材料來說，載流子的數(shù)量更為重要。對于半導(dǎo)體材料來說，載流子的數(shù)量更為重要。 v載流子的移動速率取決于原子之間的結(jié)合鍵、晶載流子的移動速率取決于原子之間的結(jié)合鍵、晶體點陣的完整性、微結(jié)構(gòu)以及離子化合物中的擴(kuò)體點陣的完整性、微結(jié)構(gòu)以及離子化合物中的擴(kuò)散速率。散速率。 材料物理材料物理8導(dǎo)電性理論發(fā)展的三個階段導(dǎo)電性理論發(fā)展的三個階段材料物理材料物理9經(jīng)典自由電子理論經(jīng)典自由電子理論1.量子自由電子理論量子自由電子理論2.能帶理論能帶理論3.材料物理材料

7、物理10v 金屬是由原子點陣組成的，價電子是完全自由的，可以在金屬是由原子點陣組成的，價電子是完全自由的，可以在整個金屬中自由運(yùn)動。就像氣體充滿整個容器一樣，自由整個金屬中自由運(yùn)動。就像氣體充滿整個容器一樣，自由電子的運(yùn)動遵守經(jīng)典力學(xué)氣體分子運(yùn)動論。電子的運(yùn)動遵守經(jīng)典力學(xué)氣體分子運(yùn)動論。v 自由電子沿各個方向運(yùn)動的概率相同，因而不產(chǎn)生電流。自由電子沿各個方向運(yùn)動的概率相同，因而不產(chǎn)生電流。在外電場作用下自由電子將沿電場的反方向運(yùn)動，從而產(chǎn)在外電場作用下自由電子將沿電場的反方向運(yùn)動，從而產(chǎn)生電流。電子在定向運(yùn)動的過程中，不斷會與原子發(fā)生碰生電流。電子在定向運(yùn)動的過程中，不斷會與原子發(fā)生碰撞妨礙電

8、子的繼續(xù)加速，形成電阻。撞妨礙電子的繼續(xù)加速，形成電阻。v 經(jīng)典自由電子理論忽略了電子之間的排斥作用和正離子點經(jīng)典自由電子理論忽略了電子之間的排斥作用和正離子點陣周期場的作用。陣周期場的作用。材料物理材料物理11可以推導(dǎo)出歐姆定律、焦?fàn)柨梢酝茖?dǎo)出歐姆定律、焦?fàn)? -楞次定楞次定律等律等 一價金屬和二價金屬的導(dǎo)電問題一價金屬和二價金屬的導(dǎo)電問題電子比熱電子比熱 問題的根源在于經(jīng)典電子理論是立足于牛頓力學(xué)的。問題的根源在于經(jīng)典電子理論是立足于牛頓力學(xué)的。對于微觀粒子的運(yùn)動需要用量子力學(xué)的概念來解決。對于微觀粒子的運(yùn)動需要用量子力學(xué)的概念來解決。 按照自由電子的概念，二價金屬的價電子比一價金屬多，按

9、照自由電子的概念，二價金屬的價電子比一價金屬多，似乎二價金屬的導(dǎo)電性比一價金屬好很多。但是實際情況似乎二價金屬的導(dǎo)電性比一價金屬好很多。但是實際情況并不是這樣。并不是這樣。 材料物理材料物理12（-1cm-1）電子比熱問題電子比熱問題 按照經(jīng)典自由電子論，金屬中價電子如同氣體分子一樣，在溫度按照經(jīng)典自由電子論，金屬中價電子如同氣體分子一樣，在溫度T下下每每1個電子的平均能量為個電子的平均能量為 (kB為玻耳茲曼常數(shù)為玻耳茲曼常數(shù))。 對于一價金屬來說，每對于一價金屬來說，每1mol電子氣的能量電子氣的能量 式中式中NA為阿佛加德羅常數(shù)，為阿佛加德羅常數(shù)，NA=6.0221023mol-1,R為

10、氣體常數(shù)。為氣體常數(shù)。 1mol電子氣的熱容電子氣的熱容 這一結(jié)果比試驗測得的熱容約大這一結(jié)果比試驗測得的熱容約大100倍。倍。 材料物理材料物理13TkB23ABeNTkE23molcalRdTdECeeV/323材料物理材料物理14v 金屬離子所形成的勢場各處都是均勻的。金屬離子所形成的勢場各處都是均勻的。 v 價電子是共有化的，它們不束縛于某個原子上，可以在整價電子是共有化的，它們不束縛于某個原子上，可以在整個金屬內(nèi)自由地運(yùn)動，電子之間沒有相互作用。個金屬內(nèi)自由地運(yùn)動，電子之間沒有相互作用。v 電子運(yùn)動服從電子運(yùn)動服從量子力學(xué)原理量子力學(xué)原理：電子的能量不是連續(xù)分布的，：電子的能量不是連

11、續(xù)分布的，而是分立的不連續(xù)的。而是分立的不連續(xù)的。量子自由電子理論和經(jīng)典電子量子自由電子理論和經(jīng)典電子理論的主要區(qū)別。理論的主要區(qū)別。v 由于電子的能級是分立的不連續(xù)的，只有那些處于較高能級的電子才由于電子的能級是分立的不連續(xù)的，只有那些處于較高能級的電子才能夠跳到?jīng)]有別的電子占據(jù)的更高能級上去，那些處于低能級的電子能夠跳到?jīng)]有別的電子占據(jù)的更高能級上去，那些處于低能級的電子不能跳到較高能級去，因為那些較高能級已經(jīng)有別的電子占據(jù)著。不能跳到較高能級去，因為那些較高能級已經(jīng)有別的電子占據(jù)著。v 熱激發(fā)的電子的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于總的價電子數(shù)，所以用量子自由電子論熱激發(fā)的電子的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于總的價電子數(shù)，所

12、以用量子自由電子論推導(dǎo)出的比熱可以解釋實驗結(jié)果。推導(dǎo)出的比熱可以解釋實驗結(jié)果。v 經(jīng)典自由電子論認(rèn)為所有電子都有可能被熱激發(fā)，因而計算出的熱容經(jīng)典自由電子論認(rèn)為所有電子都有可能被熱激發(fā)，因而計算出的熱容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實驗值。量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實驗值。材料物理材料物理15材料物理材料物理16這一理論認(rèn)為，電子具有波粒二象性，運(yùn)動著的電子作為物這一理論認(rèn)為，電子具有波粒二象性，運(yùn)動著的電子作為物質(zhì)波，其頻率和波長與電子的運(yùn)動速率或動量之間的關(guān)系為質(zhì)波，其頻率和波長與電子的運(yùn)動速率或動量之間的關(guān)系為其中，其中，m為電子質(zhì)量，為電子質(zhì)量，v為電子速度，為電子速度，為波長，為波長，p為電子動量為電子動量，h為普朗克

13、常數(shù)。為普朗克常數(shù)。hphmvKphmvh222材料物理材料物理17在一價金屬中，自由電子的動能在一價金屬中，自由電子的動能代入上式得代入上式得式中，式中， 為常數(shù)，為常數(shù)， ，稱為波數(shù)頻率，是表征，稱為波數(shù)頻率，是表征金屬中自由電子可能具有的能量狀態(tài)的參數(shù)。金屬中自由電子可能具有的能量狀態(tài)的參數(shù)。221mvE 2228KmhEmh2282K材料物理材料物理18E-K關(guān)系曲線為拋物線，圖中的關(guān)系曲線為拋物線，圖中的“+ +”和和“- -”表示自由電子運(yùn)表示自由電子運(yùn)動的方向。電子的波數(shù)越大，則能量越高。動的方向。電子的波數(shù)越大，則能量越高。材料物理材料物理19量子自由電子理論還可以解釋量子自由

14、電子理論還可以解釋納米材料的尺寸效應(yīng)納米材料的尺寸效應(yīng)：普通金屬材料具有：普通金屬材料具有良好的導(dǎo)電性，而納米金屬顆粒在低溫下顯示電絕緣性（不導(dǎo)電），這良好的導(dǎo)電性，而納米金屬顆粒在低溫下顯示電絕緣性（不導(dǎo)電），這是因為普通金屬中相鄰能級直接的能量差很小，電子很容易就被激發(fā)到是因為普通金屬中相鄰能級直接的能量差很小，電子很容易就被激發(fā)到高能級，但當(dāng)金屬尺寸降至納米量級時，相鄰能級之間的差要增大幾個高能級，但當(dāng)金屬尺寸降至納米量級時，相鄰能級之間的差要增大幾個數(shù)量級，當(dāng)溫度較低時，電子很難被激發(fā)至高能級，所以不導(dǎo)電。數(shù)量級，當(dāng)溫度較低時，電子很難被激發(fā)至高能級，所以不導(dǎo)電。 能帶理論是在量子自由

15、電子論的基礎(chǔ)上，考慮了離子所造成的周期性能帶理論是在量子自由電子論的基礎(chǔ)上，考慮了離子所造成的周期性勢場的存在，從而導(dǎo)出了電子在金屬中的分布特點，并建立了禁帶的勢場的存在，從而導(dǎo)出了電子在金屬中的分布特點，并建立了禁帶的概念。概念。 材料物理材料物理20連續(xù)能量分布連續(xù)能量分布的價電子在均的價電子在均勻勢場中的運(yùn)勻勢場中的運(yùn)動動不連續(xù)能量分不連續(xù)能量分布的價電子在布的價電子在均勻勢場中的均勻勢場中的運(yùn)動運(yùn)動不連續(xù)能量分不連續(xù)能量分布的價電子在布的價電子在周期性勢場中周期性勢場中的運(yùn)動的運(yùn)動材料物理材料物理Contents123421 根據(jù)原子結(jié)構(gòu)理論，每個電子都占有一個分立的能級。泡利根據(jù)原子

16、結(jié)構(gòu)理論，每個電子都占有一個分立的能級。泡利（Pauli）不相容原理指出，每個能級只能容納不相容原理指出，每個能級只能容納2個電子。個電子。 材料物理材料物理22 固體中若有固體中若有N個原子個原子,由于各原子間的相互作用由于各原子間的相互作用,對應(yīng)于原來孤對應(yīng)于原來孤立原子的每一個能級立原子的每一個能級,變成了變成了N條靠得很近的能級條靠得很近的能級,稱為稱為能帶能帶。能帶的寬度記作能帶的寬度記作 E 。材料物理材料物理23v 越是外層電子，能帶越寬，越是外層電子，能帶越寬， E越大。越大。v 點陣間距越小，能帶越寬，點陣間距越小，能帶越寬， E越大。越大。v 兩個能帶有可能重疊。兩個能帶有

17、可能重疊。 滿帶滿帶：電子總是優(yōu)先填滿的能量較低的能級，在能帶結(jié)構(gòu)：電子總是優(yōu)先填滿的能量較低的能級，在能帶結(jié)構(gòu)中，如果一個能帶中的各能級都被電子填滿，這樣的能帶中，如果一個能帶中的各能級都被電子填滿，這樣的能帶稱為滿帶。稱為滿帶。材料物理材料物理24 價帶價帶：由價電子能級分裂而形成的能帶稱為價帶，通常情：由價電子能級分裂而形成的能帶稱為價帶，通常情況下，價帶為能量最高的能帶。價帶可能被電子填滿，稱況下，價帶為能量最高的能帶。價帶可能被電子填滿，稱為滿帶，也可能未被電子填滿，形成非滿帶。為滿帶，也可能未被電子填滿，形成非滿帶。材料物理材料物理25 空帶空帶：由各個原子的激發(fā)能級相對應(yīng)的能帶，

18、在未被激發(fā)：由各個原子的激發(fā)能級相對應(yīng)的能帶，在未被激發(fā)的情況下，沒有電子填入，這樣的能帶稱為空帶。的情況下，沒有電子填入，這樣的能帶稱為空帶。材料物理材料物理26 導(dǎo)帶導(dǎo)帶：當(dāng)一些被充滿的價帶頂部的電子受到激發(fā)而進(jìn)入導(dǎo)帶，此時，：當(dāng)一些被充滿的價帶頂部的電子受到激發(fā)而進(jìn)入導(dǎo)帶，此時，價帶和空帶均表現(xiàn)為非滿帶，在外加電場的作用下形成電流，這個的價帶和空帶均表現(xiàn)為非滿帶，在外加電場的作用下形成電流，這個的空帶又稱為導(dǎo)帶。空帶又稱為導(dǎo)帶。 未被填滿的能帶均為價帶，在未被激發(fā)時，價電子處于價帶的底部，未被填滿的能帶均為價帶，在未被激發(fā)時，價電子處于價帶的底部，受到激發(fā)后電子會躍遷到價帶的頂部，在外加

19、電場的作用下形成電流受到激發(fā)后電子會躍遷到價帶的頂部，在外加電場的作用下形成電流，這樣不滿的價帶，也稱為導(dǎo)帶。，這樣不滿的價帶，也稱為導(dǎo)帶。材料物理材料物理27 禁帶禁帶：有些固體在價帶和空帶之間存在著一段能量間隔，有些固體在價帶和空帶之間存在著一段能量間隔，在這個區(qū)域內(nèi)永遠(yuǎn)不可能有電子，這個能量區(qū)域稱為禁帶在這個區(qū)域內(nèi)永遠(yuǎn)不可能有電子，這個能量區(qū)域稱為禁帶或帶隙。或帶隙。材料物理材料物理28材料物理材料物理29圖鈉的能帶結(jié)構(gòu)鈉的能帶結(jié)構(gòu) 能帶中電子隨溫度升高而進(jìn)行能級躍遷能帶中電子隨溫度升高而進(jìn)行能級躍遷（a）絕對零度時絕對零度時,所有外層電子占據(jù)低的能級所有外層電子占據(jù)低的能級;（b）溫度

20、升高溫度升高,部分電子被激發(fā)到原未被填充的能級部分電子被激發(fā)到原未被填充的能級 材料物理材料物理30材料的導(dǎo)電性能不同材料的導(dǎo)電性能不同, ,是因為它們的能帶結(jié)構(gòu)不同是因為它們的能帶結(jié)構(gòu)不同材料物理材料物理31導(dǎo)體有導(dǎo)體有2種情況種情況1.價電子所在能帶為非滿帶價電子所在能帶為非滿帶2.價電子所在能帶為滿帶，但能帶有重疊（例如：鎂）價電子所在能帶為滿帶，但能帶有重疊（例如：鎂）兩個相鄰能帶可能重疊（交疊），此時禁帶消失了，能帶交兩個相鄰能帶可能重疊（交疊），此時禁帶消失了，能帶交疊的程度與原子間距有關(guān)，原子間距越小，交疊程度越大。疊的程度與原子間距有關(guān)，原子間距越小，交疊程度越大。材料物理材料

21、物理32材料物理材料物理33圖鎂的能帶結(jié)構(gòu)鎂的能帶結(jié)構(gòu) 絕緣體絕緣體：滿帶與空帶之間有一個較寬的禁帶：滿帶與空帶之間有一個較寬的禁帶( Eg約約36eV),共有化電子很難從低能級共有化電子很難從低能級(滿帶滿帶)躍遷到高能級躍遷到高能級(空帶空帶)上去。上去。 半導(dǎo)體半導(dǎo)體：滿帶與空帶之間也是禁帶：滿帶與空帶之間也是禁帶,但是禁帶很窄但是禁帶很窄( Eg約約0.12eV)。材料物理材料物理34v 導(dǎo)電材料：以傳送電流為主要目的的材料。要求有高的導(dǎo)電率，高的導(dǎo)電材料：以傳送電流為主要目的的材料。要求有高的導(dǎo)電率，高的力學(xué)性能，良好的抗腐蝕性能，良好的工藝性能，價格便宜。電力工力學(xué)性能，良好的抗腐

22、蝕性能，良好的工藝性能，價格便宜。電力工業(yè)這樣的強(qiáng)電應(yīng)用的導(dǎo)電材料主要有銅、鋁及其合金。業(yè)這樣的強(qiáng)電應(yīng)用的導(dǎo)電材料主要有銅、鋁及其合金。 v 電阻材料：包括精密電阻材料和電阻敏感材料。精密電阻材料的以銅電阻材料：包括精密電阻材料和電阻敏感材料。精密電阻材料的以銅鎳合金為代表，要有恒定的高電阻率，電阻的溫度系數(shù)小。電阻敏感鎳合金為代表，要有恒定的高電阻率，電阻的溫度系數(shù)小。電阻敏感材料只通過電阻變化來獲取系統(tǒng)中所需信息的元器件材料，如熱敏電材料只通過電阻變化來獲取系統(tǒng)中所需信息的元器件材料，如熱敏電阻，光敏電阻等。阻，光敏電阻等。 v 電熱材料：使用溫度非常高。使用溫度為電熱材料：使用溫度非常高

23、。使用溫度為9001350的電熱合金，常的電熱合金，常用鎳鉻合金。使用溫度更高時，一般的電熱合金都會發(fā)生熔化，或發(fā)用鎳鉻合金。使用溫度更高時，一般的電熱合金都會發(fā)生熔化，或發(fā)生氧化。此時需要采用陶瓷電熱材料。生氧化。此時需要采用陶瓷電熱材料。材料物理材料物理35v 離子材料中的導(dǎo)電性往往需要通過離子的遷移來實現(xiàn)，因為這類材料中離子材料中的導(dǎo)電性往往需要通過離子的遷移來實現(xiàn)，因為這類材料中的禁帶寬度較大，電子難以躍遷到導(dǎo)帶。所以大多數(shù)的離子材料是絕緣的禁帶寬度較大，電子難以躍遷到導(dǎo)帶。所以大多數(shù)的離子材料是絕緣體。如果在離子材料中引入雜質(zhì)或空位，能夠促進(jìn)離子的擴(kuò)散，改善材體。如果在離子材料中引入

24、雜質(zhì)或空位，能夠促進(jìn)離子的擴(kuò)散，改善材料的導(dǎo)電性。高溫也能促進(jìn)離子擴(kuò)散，進(jìn)而改善導(dǎo)電性。料的導(dǎo)電性。高溫也能促進(jìn)離子擴(kuò)散，進(jìn)而改善導(dǎo)電性。v 高分子材料中的電子都是共價鍵結(jié)合的，所以高分子材料的禁帶寬度都高分子材料中的電子都是共價鍵結(jié)合的，所以高分子材料的禁帶寬度都非常大，電導(dǎo)率也非常低。因此高分子材料常用作絕緣體。有時，低電非常大，電導(dǎo)率也非常低。因此高分子材料常用作絕緣體。有時，低電導(dǎo)率也會對材料造成損害。解決這些問題的方法有兩種，一是在高分子導(dǎo)率也會對材料造成損害。解決這些問題的方法有兩種，一是在高分子材料中引入添加劑，改善材料的導(dǎo)電性，二是開發(fā)本身就具有導(dǎo)電性的材料中引入添加劑，改善材

25、料的導(dǎo)電性，二是開發(fā)本身就具有導(dǎo)電性的高分子材料。高分子材料。 材料物理材料物理36材料物理材料物理Contents123437材料物理材料物理38vlmnemne2222 n n ：單位體積內(nèi)參與導(dǎo)電的電子數(shù)單位體積內(nèi)參與導(dǎo)電的電子數(shù) ：兩次碰撞的時間間隔兩次碰撞的時間間隔 : :電子的平均自由程電子的平均自由程 : :實際參與導(dǎo)電電子的平均速度實際參與導(dǎo)電電子的平均速度lvlvnem22電導(dǎo)率電導(dǎo)率或電阻率或電阻率材料物理材料物理391. 應(yīng)當(dāng)比總的電子平均速度大得多應(yīng)當(dāng)比總的電子平均速度大得多2.因為金屬熔點以下費米分布隨溫度變化很小，即因為金屬熔點以下費米分布隨溫度變化很小，即 實際上

26、與溫度的變實際上與溫度的變化無關(guān)?；療o關(guān)。 可見，電導(dǎo)率可見，電導(dǎo)率(或電阻率或電阻率)與溫度的關(guān)系決定于與溫度的關(guān)系決定于 的改變。這是因為所的改變。這是因為所有其他量都與溫度無關(guān)。有其他量都與溫度無關(guān)。vvl材料物理材料物理40 定義定義 ，稱為散射系數(shù)。稱為散射系數(shù)。量子力學(xué)可以證明，當(dāng)電子波在絕對零度下通過一個完整的晶量子力學(xué)可以證明，當(dāng)電子波在絕對零度下通過一個完整的晶體點陣時，將不受到散射而無阻礙地傳播，這時體點陣時，將不受到散射而無阻礙地傳播，這時 電阻率電阻率0，而，而， 和和 應(yīng)為無窮大。應(yīng)為無窮大。只有在晶體點陣的完整性遭到破壞的地方電子波才受到散射，只有在晶體點陣的完整性

27、遭到破壞的地方電子波才受到散射，因而產(chǎn)生電阻。由溫度引起點陣離子的振動、點缺陷和位錯的因而產(chǎn)生電阻。由溫度引起點陣離子的振動、點缺陷和位錯的存在都會使理想晶體的周期性遭到破壞，從而產(chǎn)生各自的附加存在都會使理想晶體的周期性遭到破壞，從而產(chǎn)生各自的附加電阻。所以在絕對零度下的電阻率電阻。所以在絕對零度下的電阻率可以表示晶體點陣完整性被可以表示晶體點陣完整性被破壞的程度。破壞的程度。l1l材料物理材料物理41理想金屬的電阻對應(yīng)著兩種散射機(jī)制理想金屬的電阻對應(yīng)著兩種散射機(jī)制( (聲子散射和電子散射聲子散射和電子散射) )，可以看，可以看成為基本電阻。這個電阻在絕對零度時降為零。成為基本電阻。這個電阻在

28、絕對零度時降為零。第三種機(jī)制第三種機(jī)制( (電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射) )在有缺陷的晶體中可以觀察在有缺陷的晶體中可以觀察到，是絕對零度下金屬殘余電阻的實質(zhì)，這個電阻表示了金屬的純度到，是絕對零度下金屬殘余電阻的實質(zhì)，這個電阻表示了金屬的純度和完整性。和完整性。材料物理材料物理42馬基申馬基申(Mathhissen)和沃格特和沃格特(Vogt)早期根據(jù)對金屬固溶體中溶質(zhì)原子的濃早期根據(jù)對金屬固溶體中溶質(zhì)原子的濃度較小，以致可以略去它們之間的相互影響，把固溶體的電阻看成由金屬度較小，以致可以略去它們之間的相互影響，把固溶體的電阻看成由金屬的基本電阻的基本電阻(T) 和殘余

29、電阻和殘余電阻 殘組成。這實際上表明，在一級近似下不同組成。這實際上表明，在一級近似下不同散射機(jī)制對電阻的貢獻(xiàn)可以加法求和。這一導(dǎo)電規(guī)律稱為馬基申定則。散射機(jī)制對電阻的貢獻(xiàn)可以加法求和。這一導(dǎo)電規(guī)律稱為馬基申定則。式中式中(T)為與溫度有關(guān)的金屬基本電阻，即溶劑金屬為與溫度有關(guān)的金屬基本電阻，即溶劑金屬(純金屬純金屬)的電阻；的電阻； 殘為決定于化學(xué)缺陷和物理缺陷而與溫度無關(guān)的殘余電阻。化學(xué)缺陷為偶為決定于化學(xué)缺陷和物理缺陷而與溫度無關(guān)的殘余電阻?；瘜W(xué)缺陷為偶然存在的雜質(zhì)原子以及人工加入的合金元素原子。物理缺陷系空位、間隙然存在的雜質(zhì)原子以及人工加入的合金元素原子。物理缺陷系空位、間隙原子、位

30、錯以及它們的復(fù)合體。原子、位錯以及它們的復(fù)合體。殘)(T材料物理材料物理43 在高溫時金屬的電阻基本上決定于在高溫時金屬的電阻基本上決定于(T) ，而在低溫時則決定于殘余，而在低溫時則決定于殘余電阻電阻殘。 既然殘余電阻是電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射引起的，那末既然殘余電阻是電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射引起的，那末殘的大小的大小可以用來評定金屬的電學(xué)純度。與化學(xué)純度不同，電學(xué)純度考慮了可以用來評定金屬的電學(xué)純度。與化學(xué)純度不同，電學(xué)純度考慮了點陣物理缺陷的影響。點陣物理缺陷的影響。 由于殘余電阻測量很麻煩，實際上往往采用相對電阻由于殘余電阻測量很麻煩，實際上往往采用相對電阻 的大小評定金屬的電學(xué)純度。

31、許多完整的金屬單晶得到的相對電阻的大小評定金屬的電學(xué)純度。許多完整的金屬單晶得到的相對電阻高達(dá)高達(dá)2l04。KK2 . 4300材料物理材料物理44在超低溫下電子平均自由程長度在超低溫下電子平均自由程長度 同樣可以作為金屬純度直觀的物理同樣可以作為金屬純度直觀的物理特性。特性。晶體越純、越完善，自由程長度越長、相對電阻值也越大。反之，金晶體越純、越完善，自由程長度越長、相對電阻值也越大。反之，金屬中雜質(zhì)越多，在連續(xù)散射之間電子自由程長度越短，相對電阻也越屬中雜質(zhì)越多，在連續(xù)散射之間電子自由程長度越短，相對電阻也越小。小。目前可以得到很純的金屬，在它們當(dāng)中目前可以得到很純的金屬，在它們當(dāng)中4.2

32、K時的電子平均自由程長度時的電子平均自由程長度可達(dá)幾個可達(dá)幾個mm。例如，相對電阻為。例如，相對電阻為7106的超純鎢，其電子自由程長的超純鎢，其電子自由程長達(dá)達(dá)12.5mm.l材料物理材料物理45低溫下金屬電阻與溫度的關(guān)系低溫下金屬電阻與溫度的關(guān)系在絕對零度下化學(xué)上純凈又無缺陷的在絕對零度下化學(xué)上純凈又無缺陷的金屬，其電阻等于零。隨著溫度的升金屬，其電阻等于零。隨著溫度的升高，金屬電阻也在增加。如曲線高，金屬電阻也在增加。如曲線1所示。所示。如果在晶體中存在少量雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺如果在晶體中存在少量雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，電阻與溫度的關(guān)系發(fā)生變化，曲陷，電阻與溫度的關(guān)系發(fā)生變化，曲線線2和和3所示。在低溫

33、下材料結(jié)構(gòu)對電所示。在低溫下材料結(jié)構(gòu)對電阻的貢獻(xiàn)主要由阻的貢獻(xiàn)主要由 殘表示。缺陷的數(shù)量表示。缺陷的數(shù)量和類型決定了與缺陷有關(guān)的電阻。和類型決定了與缺陷有關(guān)的電阻。材料物理材料物理46在在2K以下金屬的電阻主要由以下金屬的電阻主要由“電子電子-電子電子”散射決定，但除了最低的溫散射決定，但除了最低的溫度以外，在所有溫度下大多數(shù)金屬的電阻都決定于度以外，在所有溫度下大多數(shù)金屬的電阻都決定于“電子電子-聲子聲子”散射。散射。即金屬的電阻取決于離子的熱運(yùn)動。即金屬的電阻取決于離子的熱運(yùn)動。根據(jù)德拜理論，原子熱振動的特征在兩個溫度區(qū)域存在本質(zhì)的差別，根據(jù)德拜理論，原子熱振動的特征在兩個溫度區(qū)域存在本質(zhì)

34、的差別，劃分這兩個區(qū)域的溫度劃分這兩個區(qū)域的溫度D稱為德拜溫度或特征溫度。在稱為德拜溫度或特征溫度。在T D時電阻與溫度有不同的函數(shù)關(guān)系。時電阻與溫度有不同的函數(shù)關(guān)系。25232TKTTTTTDD時，時，時，材料物理材料物理47 實驗表明，對于普通的非過渡族金屬，德拜溫度一般不超過實驗表明，對于普通的非過渡族金屬，德拜溫度一般不超過500K。 當(dāng)當(dāng) 時，電阻和溫度成線性關(guān)系，即時，電阻和溫度成線性關(guān)系，即式中式中為電阻溫度系數(shù)。為電阻溫度系數(shù)。在低溫下金屬電阻取決于在低溫下金屬電阻取決于“電子電子-電子電子”散射。這時的電阻與溫度的平方成散射。這時的電阻與溫度的平方成正比。正比。大多數(shù)金屬在熔

35、化成液態(tài)時，其電阻率會突然增大大多數(shù)金屬在熔化成液態(tài)時，其電阻率會突然增大1.5-2倍，這是由于原子倍，這是由于原子排列的長程有序被破壞，反而加強(qiáng)了對電子的散射，引起電阻增加。但有排列的長程有序被破壞，反而加強(qiáng)了對電子的散射，引起電阻增加。但有些金屬是反常的。些金屬是反常的。DT32)1 (0TT2T電-電材料物理材料物理48由于壓力改變著系統(tǒng)的熱力學(xué)平衡條件，壓力對材料的性能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的由于壓力改變著系統(tǒng)的熱力學(xué)平衡條件，壓力對材料的性能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的影響。影響。材料物理材料物理49高的壓力往往導(dǎo)致物質(zhì)的金屬化，引起導(dǎo)電類型的變化，而且高的壓力往往導(dǎo)致物質(zhì)的金屬化，引起導(dǎo)電類型的變化，而且有助

36、于從絕緣體有助于從絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體金屬金屬超導(dǎo)體的某種轉(zhuǎn)變。超導(dǎo)體的某種轉(zhuǎn)變。某些半導(dǎo)體和電介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)所要的臨界壓力某些半導(dǎo)體和電介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)所要的臨界壓力材料物理材料物理50 與純金屬相比，金屬固溶體的形成總是伴隨著電阻的增大，即使是在低與純金屬相比，金屬固溶體的形成總是伴隨著電阻的增大，即使是在低導(dǎo)電性溶劑中加人高導(dǎo)電性溶質(zhì)也是如此，但電阻隨成分平穩(wěn)地連續(xù)變化導(dǎo)電性溶劑中加人高導(dǎo)電性溶質(zhì)也是如此，但電阻隨成分平穩(wěn)地連續(xù)變化而不發(fā)生突變。而不發(fā)生突變。在無限固溶體的情況下，當(dāng)組元在無限固溶體的情況下，當(dāng)組元A添加于添加于組元組元B時電阻逐漸增大，到達(dá)極大值后減時電阻逐漸增大，到達(dá)

37、極大值后減小到小到B組元的電阻值。組元的電阻值。這是因為原子半徑差所引起的晶體點陣這是因為原子半徑差所引起的晶體點陣畸變使電子的散射增加，固溶體電阻總畸變使電子的散射增加，固溶體電阻總是大于純金屬電阻，且原子半徑差越大，是大于純金屬電阻，且原子半徑差越大，固溶體電阻也越大。固溶體電阻也越大。材料物理材料物理Contents123451材料物理材料物理52純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，如純硅和純鍺。這些半導(dǎo)體的禁帶純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，如純硅和純鍺。這些半導(dǎo)體的禁帶EgEg比較比較小，具有足夠熱能的電子能夠越過禁帶，從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶。被激發(fā)的電小，具有足夠熱能的電子能夠越過禁帶，從價帶激發(fā)到

38、導(dǎo)帶。被激發(fā)的電子原來能級上則留下一個空穴。如果另一個電子過來填充這個空穴，那么子原來能級上則留下一個空穴。如果另一個電子過來填充這個空穴，那么它原來的能級上又會出現(xiàn)一個空穴。所以空穴可以攜帶一個正電荷，空穴它原來的能級上又會出現(xiàn)一個空穴。所以空穴可以攜帶一個正電荷，空穴的移動也會產(chǎn)生電流。如果在半導(dǎo)體材料上加上電壓，導(dǎo)帶上的電子向正的移動也會產(chǎn)生電流。如果在半導(dǎo)體材料上加上電壓，導(dǎo)帶上的電子向正極移動，價帶上的空穴則向負(fù)極移動。極移動，價帶上的空穴則向負(fù)極移動。材料物理材料物理53在本征半導(dǎo)體中，導(dǎo)電性能對溫度非常敏感。絕對零度時，所有的電在本征半導(dǎo)體中，導(dǎo)電性能對溫度非常敏感。絕對零度時，

39、所有的電子都處于價帶，導(dǎo)帶中的所有能級都是空的。當(dāng)溫度升高時，電子占子都處于價帶，導(dǎo)帶中的所有能級都是空的。當(dāng)溫度升高時，電子占據(jù)導(dǎo)帶能級的可能性也增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也隨之增加。在一般使據(jù)導(dǎo)帶能級的可能性也增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也隨之增加。在一般使用溫度下，本征載流子濃度隨溫度升高近似按指數(shù)關(guān)系增加。半導(dǎo)體用溫度下，本征載流子濃度隨溫度升高近似按指數(shù)關(guān)系增加。半導(dǎo)體中的導(dǎo)電性與溫度的這種關(guān)系剛好與金屬相反。中的導(dǎo)電性與溫度的這種關(guān)系剛好與金屬相反。由于溫度會影響本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，所以很難嚴(yán)格控制本征半導(dǎo)體由于溫度會影響本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，所以很難嚴(yán)格控制本征半導(dǎo)體的性能。但是，如果在半導(dǎo)體材

40、料中加入雜質(zhì)，可以得到非本征半導(dǎo)的性能。但是，如果在半導(dǎo)體材料中加入雜質(zhì)，可以得到非本征半導(dǎo)體。非本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要取決于添加的雜質(zhì)原子的數(shù)量，而在體。非本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要取決于添加的雜質(zhì)原子的數(shù)量，而在一定溫度范圍內(nèi)與溫度關(guān)系不大。一定溫度范圍內(nèi)與溫度關(guān)系不大。 材料物理材料物理54如果向本征半導(dǎo)體中添加像銻、砷、磷這樣的如果向本征半導(dǎo)體中添加像銻、砷、磷這樣的5價價元素，那么銻、砷、磷中的元素，那么銻、砷、磷中的4個價電子會參加本征個價電子會參加本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)合。當(dāng)它頂替本征半導(dǎo)體晶格半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)合。當(dāng)它頂替本征半導(dǎo)體晶格中一個中一個4價元素原子時，還余下一個價電子，這個

41、價元素原子時，還余下一個價電子，這個價電子有可能進(jìn)入導(dǎo)帶，參加導(dǎo)電。價電子有可能進(jìn)入導(dǎo)帶，參加導(dǎo)電。由于雜質(zhì)原子可以提供電子，稱為施主。摻入了由于雜質(zhì)原子可以提供電子，稱為施主。摻入了施主雜質(zhì)的非本征半導(dǎo)體以負(fù)電荷（電子）作為施主雜質(zhì)的非本征半導(dǎo)體以負(fù)電荷（電子）作為載流子，所以稱為載流子，所以稱為N（negative，表示負(fù)電荷的意，表示負(fù)電荷的意思）型半導(dǎo)體。思）型半導(dǎo)體。材料物理材料物理55理論計算和實驗結(jié)果表明，施主的富余價電子所理論計算和實驗結(jié)果表明，施主的富余價電子所處的能級處的能級Ed（施主能級）非?？拷鼘?dǎo)帶底（施主能級）非?？拷鼘?dǎo)帶底（Ec為為導(dǎo)帶能級），這個價電子并沒有被施主

42、原子束縛導(dǎo)帶能級），這個價電子并沒有被施主原子束縛得很緊，只要有一個很小的能量得很緊，只要有一個很小的能量Ec -Ed就可以使就可以使這個電子進(jìn)入導(dǎo)帶。這個多余的價電子進(jìn)入導(dǎo)帶這個電子進(jìn)入導(dǎo)帶。這個多余的價電子進(jìn)入導(dǎo)帶后，不會在價帶中產(chǎn)生空穴。后，不會在價帶中產(chǎn)生空穴。例如：在鍺中摻磷例如：在鍺中摻磷Ec -Ed值為值為0.012eV 在硅中摻砷在硅中摻砷Ec -Ed值為值為0.049eV 在硅中摻銻在硅中摻銻Ec -Ed值為值為0.039eV材料物理材料物理56當(dāng)溫度從很低的溫度逐漸升高時，越來越多的施當(dāng)溫度從很低的溫度逐漸升高時，越來越多的施主電子得到能量主電子得到能量Ec -Ed越過禁帶

43、進(jìn)入導(dǎo)帶，一般越過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，一般來說，在常溫下，每個摻入的來說，在常溫下，每個摻入的5價元素原子的價價元素原子的價電子都具有大于電子都具有大于Ec -Ed的能量，所以所有施主電的能量，所以所有施主電子都進(jìn)入導(dǎo)帶，而本征半導(dǎo)體中的電子還沒有足子都進(jìn)入導(dǎo)帶，而本征半導(dǎo)體中的電子還沒有足夠的能量進(jìn)入導(dǎo)帶，因此導(dǎo)帶中的電子數(shù)目不變，夠的能量進(jìn)入導(dǎo)帶，因此導(dǎo)帶中的電子數(shù)目不變，電導(dǎo)率將維持一個常量。電導(dǎo)率將維持一個常量。在更高的溫度下，才會出現(xiàn)本征半導(dǎo)體產(chǎn)生的導(dǎo)在更高的溫度下，才會出現(xiàn)本征半導(dǎo)體產(chǎn)生的導(dǎo)電性。電性。材料物理材料物理57如果向本征半導(dǎo)體中添加像鎵、銦、硼、鋁如果向本征半導(dǎo)體中添加像鎵、

44、銦、硼、鋁這樣的這樣的3價元素，因為沒有足夠的電子參與價元素，因為沒有足夠的電子參與共價鍵的結(jié)合，當(dāng)它頂替本征半導(dǎo)體晶格中共價鍵的結(jié)合，當(dāng)它頂替本征半導(dǎo)體晶格中的一個的一個4價元素的原子時，必然缺少一個價價元素的原子時，必然缺少一個價電子，形成一個空位，如果相鄰的其他電子電子，形成一個空位，如果相鄰的其他電子過來填充這個空穴，就會產(chǎn)生一個新的空穴。過來填充這個空穴，就會產(chǎn)生一個新的空穴。像這種能夠向本征半導(dǎo)體提供空穴作為載流像這種能夠向本征半導(dǎo)體提供空穴作為載流子的雜質(zhì)元素稱為受主。摻入了受主雜質(zhì)的子的雜質(zhì)元素稱為受主。摻入了受主雜質(zhì)的非本征半導(dǎo)體以正電荷（空穴）作為載流子，非本征半導(dǎo)體以正電

45、荷（空穴）作為載流子，所以稱為所以稱為P（positive）型半導(dǎo)體。）型半導(dǎo)體。材料物理材料物理58理論計算和實驗結(jié)果表明，理論計算和實驗結(jié)果表明，3價元素形成的價元素形成的允許價電子占有的能級允許價電子占有的能級Ea與本征半導(dǎo)體的價與本征半導(dǎo)體的價帶能級帶能級Ev非常接近，價帶上的電子只要獲得非常接近，價帶上的電子只要獲得能量能量Ea- Ev ，就可以躍遷上去填充受主的空，就可以躍遷上去填充受主的空穴而在價帶上產(chǎn)生空穴。價帶上的空穴可以穴而在價帶上產(chǎn)生空穴。價帶上的空穴可以移動，傳導(dǎo)電流。移動，傳導(dǎo)電流。例如：在鍺中摻硼、鋁的例如：在鍺中摻硼、鋁的Ea-Ev值為值為0.01eV 在硅中摻鎵

46、的在硅中摻鎵的Ea-Ev值為值為0.065eV 在硅中摻銦的在硅中摻銦的Ea-Ev值為值為0.16eV材料物理材料物理59當(dāng)溫度從很低的溫度逐漸升高時，越來越多當(dāng)溫度從很低的溫度逐漸升高時，越來越多的受主空穴被價帶上的電子所填充，一般來的受主空穴被價帶上的電子所填充，一般來說，在常溫下，處于價帶的價電子都具有大說，在常溫下，處于價帶的價電子都具有大于于Ea- Ev的能量，都可以進(jìn)入的能量，都可以進(jìn)入Ea能級，所以能級，所以中的空穴全部被填充，而價帶中的電子還沒中的空穴全部被填充，而價帶中的電子還沒有足夠的能量進(jìn)入導(dǎo)帶，因此價帶中的空穴有足夠的能量進(jìn)入導(dǎo)帶，因此價帶中的空穴數(shù)目不變，電導(dǎo)率將維持

47、一個常量。數(shù)目不變，電導(dǎo)率將維持一個常量。在更高的溫度下，才會出現(xiàn)本征半導(dǎo)體產(chǎn)生在更高的溫度下，才會出現(xiàn)本征半導(dǎo)體產(chǎn)生的導(dǎo)電性。的導(dǎo)電性。材料物理材料物理60半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系 材料物理材料物理61v 本征半導(dǎo)體中的電子載流子和空穴載流子的數(shù)量相等，而非本征半導(dǎo)本征半導(dǎo)體中的電子載流子和空穴載流子的數(shù)量相等，而非本征半導(dǎo)體中的電子載流子和空穴載流子的數(shù)量是不相等的。體中的電子載流子和空穴載流子的數(shù)量是不相等的。v N型半導(dǎo)體中電子載流子多于空穴載流子，電子稱為多數(shù)載流子。型半導(dǎo)體中電子載流子多于空穴載流子，電子稱為多數(shù)載流子。P型半導(dǎo)體中空穴載流子多于電子載流

48、子，空穴稱為多數(shù)載流子。由于型半導(dǎo)體中空穴載流子多于電子載流子，空穴稱為多數(shù)載流子。由于少數(shù)載流子是由本征半導(dǎo)體中熱激發(fā)出來的，所以少數(shù)載流子對溫度少數(shù)載流子是由本征半導(dǎo)體中熱激發(fā)出來的，所以少數(shù)載流子對溫度非常敏感。非常敏感。材料物理材料物理62在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一型半導(dǎo)體，另一邊形成邊形成P型半導(dǎo)體，那么在兩種半導(dǎo)體的交界面附近就形成了型半導(dǎo)體，那么在兩種半導(dǎo)體的交界面附近就形成了PN結(jié)。結(jié)。P區(qū)N區(qū)N區(qū)的電子必然向區(qū)的電子必然向P區(qū)運(yùn)動，擴(kuò)散區(qū)運(yùn)動，擴(kuò)散到到P區(qū)的電子與空穴復(fù)合而消失。區(qū)的電子與空

49、穴復(fù)合而消失。同時同時P區(qū)的空穴也要向區(qū)的空穴也要向N區(qū)擴(kuò)散，區(qū)擴(kuò)散，與與N區(qū)中的電子復(fù)合。這種由于區(qū)中的電子復(fù)合。這種由于濃度差而引起的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)濃度差而引起的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。動。材料物理材料物理63P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)負(fù)離子空穴正離子電子U內(nèi)，接觸電勢差內(nèi)電場平衡狀態(tài)下的平衡狀態(tài)下的PN結(jié)結(jié)材料物理材料物理64P區(qū)N區(qū)U內(nèi)-U外內(nèi)電場外電場耗盡層材料物理材料物理65P區(qū)N區(qū)U內(nèi)+U外內(nèi)電場外電場耗盡層材料物理材料物理66PNPN結(jié)的整流效應(yīng)結(jié)的整流效應(yīng) 材料物理材料物理67反向偏壓太大，通過反向偏壓太大，通過PNPN結(jié)的絕緣結(jié)的絕緣區(qū)的漏電流的載流子將會被大大區(qū)的漏電流的載流子將會被大

50、大加速，從而激發(fā)出其他的載流子，加速，從而激發(fā)出其他的載流子，導(dǎo)致在反向偏壓下也產(chǎn)生一個很導(dǎo)致在反向偏壓下也產(chǎn)生一個很大的電流。這種現(xiàn)象稱為大的電流。這種現(xiàn)象稱為PNPN結(jié)的結(jié)的反向擊穿。反向擊穿。可以通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體摻雜和可以通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體摻雜和PNPN結(jié)結(jié)的結(jié)構(gòu)來改變的結(jié)構(gòu)來改變PNPN結(jié)的反向許可電結(jié)的反向許可電壓。壓。材料物理材料物理68n-p-nn-p-n型晶體管電路及其結(jié)構(gòu)型晶體管電路及其結(jié)構(gòu) 材料物理材料物理69n-p-nn-p-n型型MOSMOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管 v 光致發(fā)光效應(yīng)（熒光效應(yīng)）光致發(fā)光效應(yīng)（熒光效應(yīng)） 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 v 電致發(fā)光效應(yīng)電致發(fā)光效應(yīng) 激光二極管激

51、光二極管v 光伏特效應(yīng)光伏特效應(yīng) 材料物理材料物理70材料物理材料物理71價帶的電子受到入射光子的激發(fā)后，會躍過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶。如果導(dǎo)帶價帶的電子受到入射光子的激發(fā)后，會躍過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶。如果導(dǎo)帶上的這些被激發(fā)的電子又躍遷回到價帶時，會以放出光子的形式來釋上的這些被激發(fā)的電子又躍遷回到價帶時，會以放出光子的形式來釋放能量，這就是放能量，這就是光致發(fā)光效應(yīng)光致發(fā)光效應(yīng)，也稱為熒光效應(yīng)。，也稱為熒光效應(yīng)。 熒光產(chǎn)生原理熒光產(chǎn)生原理(a) (a) 沒有禁帶的金屬沒有禁帶的金屬;(b) ;(b) 有禁帶的半導(dǎo)體有禁帶的半導(dǎo)體 材料物理材料物理72在某些陶瓷和半導(dǎo)體中，價帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度不大不小，所

52、以被在某些陶瓷和半導(dǎo)體中，價帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度不大不小，所以被激發(fā)的電子從導(dǎo)帶躍過禁帶回到價帶時釋放的光子波長剛好在可見光波激發(fā)的電子從導(dǎo)帶躍過禁帶回到價帶時釋放的光子波長剛好在可見光波段。這樣的材料稱為段。這樣的材料稱為熒光材料熒光材料。 日光燈燈管的內(nèi)壁涂有熒光物質(zhì)。管內(nèi)的汞蒸氣在電場作用下發(fā)出紫日光燈燈管的內(nèi)壁涂有熒光物質(zhì)。管內(nèi)的汞蒸氣在電場作用下發(fā)出紫外線，這些紫外線轟擊在熒光物質(zhì)上使其發(fā)光。關(guān)掉電源后熒光物質(zhì)外線，這些紫外線轟擊在熒光物質(zhì)上使其發(fā)光。關(guān)掉電源后熒光物質(zhì)便不再發(fā)光。便不再發(fā)光。材料物理材料物理73如果熒光材料中含有一些微量雜質(zhì)，且這些雜質(zhì)的能級位于禁帶內(nèi)，相當(dāng)如果熒

53、光材料中含有一些微量雜質(zhì)，且這些雜質(zhì)的能級位于禁帶內(nèi)，相當(dāng)于陷阱能級于陷阱能級(E(Ed d) )，從價帶被激發(fā)的電子進(jìn)入導(dǎo)帶后，又會掉入這些陷阱能，從價帶被激發(fā)的電子進(jìn)入導(dǎo)帶后，又會掉入這些陷阱能級。因為這些被陷阱能級所捕獲的激發(fā)電子必須首先脫離陷阱能級進(jìn)入導(dǎo)級。因為這些被陷阱能級所捕獲的激發(fā)電子必須首先脫離陷阱能級進(jìn)入導(dǎo)帶后才能躍遷回到價帶，所以它們被入射光子激發(fā)后，需要延遲一段時間帶后才能躍遷回到價帶，所以它們被入射光子激發(fā)后，需要延遲一段時間才會發(fā)光，出現(xiàn)了所謂的才會發(fā)光，出現(xiàn)了所謂的余輝現(xiàn)象余輝現(xiàn)象。 材料物理材料物理74余輝時間余輝時間取決于這些陷阱能級與導(dǎo)帶之間的能級差，即陷阱能

54、級深度。因取決于這些陷阱能級與導(dǎo)帶之間的能級差，即陷阱能級深度。因為在一定溫度下，處于較深的陷阱能級上的電子被熱重新激發(fā)到導(dǎo)帶的幾為在一定溫度下，處于較深的陷阱能級上的電子被熱重新激發(fā)到導(dǎo)帶的幾率較小，或者電子進(jìn)入導(dǎo)帶后又落入其他陷阱能級（發(fā)生多次捕獲），這率較小，或者電子進(jìn)入導(dǎo)帶后又落入其他陷阱能級（發(fā)生多次捕獲），這些情況都使余輝時間變長，也就是使發(fā)光的衰減很慢。些情況都使余輝時間變長，也就是使發(fā)光的衰減很慢。通過研究光致發(fā)光材料中陷阱能級的規(guī)律，可以制造出具有長余輝效應(yīng)的通過研究光致發(fā)光材料中陷阱能級的規(guī)律，可以制造出具有長余輝效應(yīng)的發(fā)光材料，余輝時間特別長的熒光材料可以用作發(fā)光材料，余

55、輝時間特別長的熒光材料可以用作夜光材料夜光材料，可以將白天受，可以將白天受的光儲存起來用于夜晚顯示。的光儲存起來用于夜晚顯示。 材料物理材料物理75SrAlSrAl2 2O O4 4Eu,DyEu,Dy長余輝材料的發(fā)光原理長余輝材料的發(fā)光原理 材料物理材料物理76當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成PNPN結(jié)時，結(jié)時，按照費米能級的定義，電子將從按照費米能級的定義，電子將從費米能級高的費米能級高的N N區(qū)流向費米能級低區(qū)流向費米能級低的的P P區(qū)，直至兩邊的費米能級相等區(qū)，直至兩邊的費米能級相等時，時，PNPN結(jié)處于平衡狀態(tài)。結(jié)處于平衡狀態(tài)。在空間電荷區(qū)能帶發(fā)生彎曲，電在空間電荷區(qū)能帶發(fā)生

56、彎曲，電子從勢能低的子從勢能低的N N區(qū)向勢能高的區(qū)向勢能高的P P區(qū)區(qū)運(yùn)動時，必須克服這一勢能運(yùn)動時，必須克服這一勢能“高高坡坡”，這一勢能，這一勢能“高坡高坡”通常稱通常稱為為PNPN結(jié)的勢壘，空間電荷區(qū)也叫結(jié)的勢壘，空間電荷區(qū)也叫勢壘區(qū)。勢壘區(qū)。材料物理材料物理77在正向偏壓的作用下，在正向偏壓的作用下，PNPN結(jié)勢壘降低，勢壘區(qū)內(nèi)建電場也相應(yīng)減弱，載流子也會結(jié)勢壘降低，勢壘區(qū)內(nèi)建電場也相應(yīng)減弱，載流子也會在正向偏壓的作用下發(fā)生擴(kuò)散。在正向偏壓的作用下發(fā)生擴(kuò)散。n n型半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子電子擴(kuò)散到型半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子電子擴(kuò)散到p p型半導(dǎo)體區(qū)，同時型半導(dǎo)體區(qū)，同時p p型半導(dǎo)體區(qū)

57、內(nèi)的多數(shù)型半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子空穴擴(kuò)散到載流子空穴擴(kuò)散到n n型半導(dǎo)體區(qū)。這些注入到型半導(dǎo)體區(qū)。這些注入到p p區(qū)的載流子電子和注入到區(qū)的載流子電子和注入到n n區(qū)的載流區(qū)的載流子空穴都是非平衡的少數(shù)載流子。這些非平衡的少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)子空穴都是非平衡的少數(shù)載流子。這些非平衡的少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光，這就是半導(dǎo)體合而發(fā)光，這就是半導(dǎo)體PNPN結(jié)發(fā)光的原理。結(jié)發(fā)光的原理。 材料物理材料物理78導(dǎo)致發(fā)光的能級躍遷除了可以在導(dǎo)帶與價帶這樣的帶與帶之間（稱為本導(dǎo)致發(fā)光的能級躍遷除了可以在導(dǎo)帶與價帶這樣的帶與帶之間（稱為本征躍遷）發(fā)生外，還可以在雜質(zhì)能級與帶之間、雜質(zhì)能級之間

58、（稱為非征躍遷）發(fā)生外，還可以在雜質(zhì)能級與帶之間、雜質(zhì)能級之間（稱為非本征躍遷）發(fā)生。本征躍遷）發(fā)生。導(dǎo)帶上的電子還會以導(dǎo)帶上的電子還會以熱量的形式釋放出一熱量的形式釋放出一部分能量后掉入雜質(zhì)部分能量后掉入雜質(zhì)能級，然后再向價帶能級，然后再向價帶躍遷。這種躍遷稱為躍遷。這種躍遷稱為間接躍遷，其能量小間接躍遷，其能量小于禁帶寬度。間接躍于禁帶寬度。間接躍遷可以有遷可以有4 4種類型。種類型。 材料發(fā)光與能級躍遷材料發(fā)光與能級躍遷 材料物理材料物理79發(fā)光二級管的發(fā)光顏色與材料成分的關(guān)系發(fā)光二級管的發(fā)光顏色與材料成分的關(guān)系 如果將如果將GaPGaP和和GaAsGaAs混混合制成合制成GaAsGaA

59、s1-x1-xP Px x混混晶，可以通過調(diào)節(jié)晶，可以通過調(diào)節(jié)x x的值來改變混晶體的值來改變混晶體的能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)哪軒ЫY(jié)構(gòu)。當(dāng)P P的的含量含量x x大于大于0.450.45后，后，直接躍遷就會變?yōu)橹苯榆S遷就會變?yōu)殚g接躍遷。間接躍遷。材料物理材料物理80能級躍遷所產(chǎn)生的光子并不能夠全部傳到半導(dǎo)體材料的外部來。能級躍遷所產(chǎn)生的光子并不能夠全部傳到半導(dǎo)體材料的外部來。因為從發(fā)光區(qū)發(fā)出的光子不僅在通過半導(dǎo)體材料時有可能被再吸收，而因為從發(fā)光區(qū)發(fā)出的光子不僅在通過半導(dǎo)體材料時有可能被再吸收，而且在半導(dǎo)體的表面處很可能發(fā)生全發(fā)射而返回到半導(dǎo)體材料內(nèi)部。且在半導(dǎo)體的表面處很可能發(fā)生全發(fā)射而返回到半導(dǎo)體材

60、料內(nèi)部。為了避免這種現(xiàn)象，可以將半導(dǎo)體材料表面制成球面，并使發(fā)光區(qū)域處為了避免這種現(xiàn)象，可以將半導(dǎo)體材料表面制成球面，并使發(fā)光區(qū)域處于球心位置。于球心位置。 材料物理材料物理81處于低能級的電子吸收一個入射光子后，從低能級被激發(fā)到高能級，處于低能級的電子吸收一個入射光子后，從低能級被激發(fā)到高能級，這個過程稱為光吸收。當(dāng)電子從高能級躍遷回到低能級時，會輻射這個過程稱為光吸收。當(dāng)電子從高能級躍遷回到低能級時，會輻射放出一個光子，這種輻射稱為自發(fā)輻射。放出一個光子，這種輻射稱為自發(fā)輻射。 在受激輻射過程中，處于高能級的電子受到入射光子的作用，躍遷到在受激輻射過程中，處于高能級的電子受到入射光子的作用