材料物理性能授課教師黃興民E-mail:xmhuang@Officenumber本概念金屬的電子導(dǎo)電離子類(lèi)載流體導(dǎo)電半導(dǎo)體導(dǎo)電本講綱要超導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理電性能測(cè)量及其應(yīng)用2基本概念電導(dǎo)率：表征材料中載流子在電場(chǎng)作用下傳輸電荷的能力，即材料導(dǎo)電時(shí)，單位電場(chǎng)強(qiáng)度所具有的電流密度。J—電流密度E—電場(chǎng)強(qiáng)度載流子：電荷的載體（電子、空穴、正離子、負(fù)離子）。遷移數(shù)：表征材料導(dǎo)電載流子輸運(yùn)種類(lèi)對(duì)導(dǎo)電貢獻(xiàn)的參數(shù)。離子導(dǎo)體混合導(dǎo)體3RSL基本概念L—電阻元件長(zhǎng)度S—電阻元件截面積電阻率：表征材料導(dǎo)電性能的重要參數(shù)，與材料本質(zhì)有關(guān)。電導(dǎo)率4基本概念108106104102110-210-610-810-1010-1210-1810-14鈉鈣玻璃錫鋁鉍銀銅金鍺硅反式聚炔硼10-4順式聚炔熔結(jié)石英聚氯乙烯白磷10-16聚乙烯硫聚四氟乙烯導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體(電介質(zhì))材料電導(dǎo)率排序5金屬電子導(dǎo)電金屬導(dǎo)電機(jī)制nef單位體積內(nèi)實(shí)際參加傳導(dǎo)過(guò)程的電子數(shù)目；m＊

電子的有效質(zhì)量，考慮到晶體點(diǎn)陣對(duì)電場(chǎng)作用的結(jié)果；只有費(fèi)米面附近能級(jí)的電子才能對(duì)導(dǎo)電做出貢獻(xiàn)；經(jīng)典自由電子理論能帶理論6金屬電子導(dǎo)電電子波通過(guò)一個(gè)理想晶體點(diǎn)陣時(shí)(0K),不受到散射。理想情況:實(shí)際情況：溫度不為0K非理想晶體離子運(yùn)動(dòng)（熱振動(dòng)）異類(lèi)原子、位錯(cuò)、點(diǎn)缺陷等理想晶體點(diǎn)陣周期性被破壞電子波發(fā)生散射7金屬電子導(dǎo)電馬西森定律散射系數(shù)∝雜質(zhì)濃度∝T與溫度有關(guān)與雜質(zhì)濃度、點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)有關(guān)8電阻率的影響因素☆溫度☆壓力☆雜質(zhì)、缺陷☆冷壓力加工☆固溶體中溶質(zhì)90T/K溫度與電阻率1—理想金屬晶體2—含有雜質(zhì)金屬3—含有晶體缺陷123低溫下雜質(zhì)、晶體缺陷對(duì)金屬電阻率的影響10溫度與電阻率32T/K金屬電阻溫度曲線(xiàn)011—2—3—T＞2/3T＜＜T≈2K11溫度與電阻率Sb,Na,K銻、鉀、鈉熔化時(shí)電阻率變化曲線(xiàn)20012016008040℃2420161284010030050070090011004080120160200SbNaKSbNaK12TTCTC鐵磁體順磁體鐵磁體順磁體T磁性轉(zhuǎn)變對(duì)鐵磁性金屬電阻的影響溫度與電阻率13100300500030205TCT/℃金屬鎳的電阻率隨溫度變化曲線(xiàn)溫度與電阻率14壓力與電阻率壓力↑↓電阻率020406080p×10-8/Pa0.81.0PtVRhTaNb靜壓壓力對(duì)金屬導(dǎo)電性的影響0.915↓原子間距原子的可動(dòng)性原子的熱振動(dòng)↓↓AB↓原子間距能帶交疊更多并傾于向高能區(qū)擴(kuò)展EF

↑極大的壓力可使許多物質(zhì)由半導(dǎo)體或絕緣體變成導(dǎo)體甚至超導(dǎo)體見(jiàn)表2.3壓力與電阻率↑↓16＞0＜0正常金屬反常金屬壓力與電阻率鐵、鈷、鎳、鈀、鉑、銥、銀、銅、金、鋯、鉿、鉬、鎢、鎂等見(jiàn)表2.2大部分堿金屬和稀土金屬，還有鈣、鍶、銻、鉍等。17冷加工與電阻率冷加工引起金屬電阻率增加，與晶格畸變有關(guān)。晶格畸變的作用類(lèi)似原子熱振動(dòng)，增加電子散射幾率；晶格畸變引起原子間鍵合的改變，導(dǎo)致原子間距的改變。如圖2.7所示，變形量越大，變形后金屬電阻的增量就越大。AgCuFe18冷加工與電阻率由馬西森定律，冷加工金屬的電阻率剩余電阻率與溫度有關(guān)的退火金屬電阻率對(duì)范性變形空位散射見(jiàn)圖2.8位錯(cuò)處散射低溫退火促使空位擴(kuò)散以消除較高溫度退火，保留至再結(jié)晶溫度19缺陷與電阻率空位、間隙原子以及它們的組合、位錯(cuò)等晶體缺陷導(dǎo)致金屬電阻率增加。如表2.4、表2.5和圖2.9所示。高溫淬火和急冷產(chǎn)生大量缺陷，引發(fā)附加電阻率。AB研究電阻率隨晶體缺陷的變化，可以評(píng)估單晶體的結(jié)構(gòu)完整性。反過(guò)來(lái)，根據(jù)晶體缺陷影響電阻率的規(guī)律，可開(kāi)發(fā)具有特定電阻值的金屬元件。20固溶體的電阻率溶質(zhì)濃度↑→畸變↑→↑如圖2.11和圖2.12由馬西森定律，低濃度固溶體電阻率表達(dá)式固溶體溶劑組元的電阻率剩余電阻率雜質(zhì)原子含量1%原子雜質(zhì)引起的附加電阻率21固溶體的電阻率Pd連續(xù)固溶體中合金成分距組元越遠(yuǎn)，電阻率也越高，在二元合金中最大電阻率常在50％原子濃度處，而且可能比組元電阻率高幾倍。鐵磁性及強(qiáng)順磁性金屬組成的固溶體情況有異常，它的電阻率一般不在50％原子處。22固溶體的電阻率馬西森定律固溶體電阻率修正公式：偏離值,與溫度和溶質(zhì)濃度有關(guān),溶質(zhì)濃度越大,偏離愈嚴(yán)重實(shí)驗(yàn)表明，除過(guò)渡族金屬外，在同一溶劑中溶入1%原子溶質(zhì)金屬所引起的電阻率的增加，由溶劑和溶質(zhì)金屬的價(jià)數(shù)而定。諾伯里-林德法則低濃度合金溶劑和溶質(zhì)間的價(jià)數(shù)差見(jiàn)圖2.1323有序固溶體的<無(wú)序固溶體的有序固溶體的電阻率固溶體有序化后，合金組元化學(xué)作用加強(qiáng)，電子結(jié)合比無(wú)序狀態(tài)更強(qiáng)。導(dǎo)電電子數(shù)減少，合金剩余電阻率增加。一方面另一方面晶體離子勢(shì)場(chǎng)在有序化時(shí)更為對(duì)稱(chēng)，大大降低了電子散射幾率。有序合金的剩余電阻率減小。綜合結(jié)果24Cu—Au合金電阻率曲線(xiàn)CAu/(原子%)151050255075100Cu3AuCuAu1—淬火2—退火有序固溶體的電阻率25有序固溶體的電阻率T/℃Cu3Au合金有序化對(duì)電阻率影響121—無(wú)序（淬火態(tài)）2—有序（退火態(tài)）有序合金Cu3Au的電阻率比無(wú)序合金的電阻率低很多有序←→無(wú)序轉(zhuǎn)變溫度26不均勻固溶體(K狀態(tài))的電阻率K狀態(tài)：固溶體中，原子間距大小顯著的波動(dòng)，組元原子在晶體中不均勻分布。高溫淬火合金回火過(guò)程中出現(xiàn)的電阻升高，冷加工時(shí)電阻又反而下降的反常升降行為。K狀態(tài)電阻反常行為(a)完全無(wú)序(b)偏聚(c)短程有序固溶體點(diǎn)陣中只形成原子的聚集，成分不同于固溶體的平均成分。27不均勻固溶體(K狀態(tài))的電阻率28046200T/℃4006008001000冷卻加熱80Ni20Cr合金加熱、冷卻電阻率變化曲線(xiàn)（原始態(tài)：高溫淬火）28不均勻固溶體(K狀態(tài))的電阻率1.061.020.980.940.900.86020406080Ni20Cr合金電阻率同冷加工變形的關(guān)系121—800℃水淬+400℃回火2—形變+400℃回火29不均勻固溶體(K狀態(tài))的電阻率A.回火過(guò)程中形成不均勻固溶體（1000個(gè)原子）原子聚集區(qū)域幾何尺寸大致與電子自由程同一數(shù)量級(jí)明顯增加電子散射幾率，提高電阻率原子的聚集B.冷加工促使固溶體不均勻組織的破壞，并獲得普通無(wú)序的固溶體?；鼗饻囟瘸^(guò)550℃原子聚集消散，回復(fù)成均勻固溶體；30離子類(lèi)載流子導(dǎo)電本征導(dǎo)電（離子導(dǎo)電、空位導(dǎo)電）晶體點(diǎn)陣的基本離子受熱振動(dòng)而脫離晶格，在外電場(chǎng)作用下，自由離子和其留下的空位作相互反方向的定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生本征導(dǎo)電。雜質(zhì)導(dǎo)電雜質(zhì)離子受熱振動(dòng)脫離晶格，在電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)。本征導(dǎo)電高溫☆

晶格與離子的聯(lián)系低溫雜質(zhì)導(dǎo)電31離子類(lèi)載流子導(dǎo)電Vb△V(a)(b)無(wú)電場(chǎng)有電場(chǎng)F為作用在離子價(jià)為z的離子上的電場(chǎng)力32離子類(lèi)載流子導(dǎo)電無(wú)電場(chǎng)時(shí)，越過(guò)位壘V的幾率有電場(chǎng)時(shí)向右運(yùn)動(dòng)的幾率向左運(yùn)動(dòng)的幾率平均漂移速度33離子類(lèi)載流子導(dǎo)電電場(chǎng)強(qiáng)度足夠低當(dāng)電場(chǎng)足夠強(qiáng)大電阻率取自然對(duì)數(shù)34離子類(lèi)載流子導(dǎo)電電導(dǎo)簡(jiǎn)化得如果材料中存在多種載流子，其總電導(dǎo)率電阻率如圖2.21

離子玻璃的電阻率35離子類(lèi)載流子導(dǎo)電離子導(dǎo)電是離子在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散現(xiàn)象。擴(kuò)散路徑通暢，離子擴(kuò)散系數(shù)越高，導(dǎo)電率也越高。能斯特-愛(ài)因斯坦（Nernst-Einstein）方程（推導(dǎo)略）描述離子電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散系數(shù)之間的聯(lián)系。擴(kuò)散系數(shù)離子荷電量載流子單位體積濃度離子遷移率離子絕對(duì)遷移率另一方面36離子導(dǎo)電的影響因素溫度的影響溫度↑→離子熱振動(dòng)加劇→電導(dǎo)率(σ)↑B—與材料有關(guān)的常數(shù)A211—低溫區(qū)的雜質(zhì)導(dǎo)電2—高溫區(qū)的本征導(dǎo)電37離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)的影響離子導(dǎo)電的影響因素材料熔點(diǎn)高→離子間結(jié)合力大→離子活性↓→導(dǎo)電激活能↑→σ↓離子半徑大→離子間結(jié)合力↓→離子活性↑→σ↑離子價(jià)數(shù)↑→離子鍵力↑→離子活性↓→σ↓晶體間隙大→離子移動(dòng)自由程↑→σ↑38離子導(dǎo)電的影響因素空位、間隙原子或摻雜原子（使空位產(chǎn)生）均可參與導(dǎo)電→σ↑缺陷當(dāng)晶體中離子擴(kuò)散方向與外電場(chǎng)力方向一致時(shí)，離子的濃度梯度愈大，導(dǎo)電性愈好。濃度梯度39快離子導(dǎo)體固體電解質(zhì)——具有離子導(dǎo)電的固體物質(zhì)?？祀x子導(dǎo)體——電導(dǎo)率較高的固體電解質(zhì)。銀和銅的鹵族和硫族化合物。金屬原子在這些化合物鍵合位置相對(duì)隨意。具有β-氧化鋁結(jié)構(gòu)的高遷移率的單價(jià)陽(yáng)離子氧化物。具有氟化鈣（CaF2)結(jié)構(gòu)的高濃度缺陷氧化物。見(jiàn)圖2.25和表2.840快離子導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)的特征決定其導(dǎo)電的離子類(lèi)型和電導(dǎo)率的大小。共同特征(1)晶體結(jié)構(gòu)的主體是由一類(lèi)占有特定位置的離子構(gòu)成。(2)具有大量的空位，這些空位數(shù)量遠(yuǎn)高于可移動(dòng)的離子數(shù)。因此，在無(wú)序的晶格里總是存在可供遷移離子占據(jù)的空位。(3)亞晶格點(diǎn)陣之間具有近乎相等的能量和較低的激活能。(4)在點(diǎn)陣間總是存在著通道，以至于沿著有利的路徑可以平移。41立方穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)氧敏元件—監(jiān)控汽車(chē)的排氣成分O2-空位基體陽(yáng)離子(Zr4+)摻雜陽(yáng)離子(2+&3+)鉑導(dǎo)線(xiàn)外電極CSZ管內(nèi)電極參考氧分壓p2待測(cè)氧分壓p142半導(dǎo)體的電學(xué)性能當(dāng)檢視單質(zhì)和化合物半導(dǎo)體的電學(xué)性能時(shí)，元素周期表中ⅣA族的碳(C)，硅(Si)，鍺(Ge)，錫(Sn)，鉛(Pb)格外引人注目。隨著原子量的增加，ⅣA族各元素的禁帶寬度ΔE從金剛石的6eV到灰錫(β-Sn)的0.08eV依次變窄。常溫下的白錫(α-Sn)已是金屬，最后一個(gè)元素鉛則純粹是金屬。43金剛石的鍵聯(lián)結(jié)構(gòu)，若A、B位置由不同的原子占據(jù)，得到閃鋅礦結(jié)構(gòu)純凈碳的金剛石結(jié)構(gòu)在室溫是典型的絕緣體，其禁帶寬ΔE=6eV。石墨是由一系列類(lèi)似于苯環(huán)的六角網(wǎng)格晶面組成的層狀結(jié)構(gòu)，介于金屬和半導(dǎo)體之間。金剛石結(jié)構(gòu)中每個(gè)原子最外層四個(gè)電子分別分配給四個(gè)最近鄰C原子。這四個(gè)最近鄰C原子處于以該原子為中心的正四面體角上，與其形成共價(jià)鍵。石墨的層狀結(jié)構(gòu)金剛石和石墨的導(dǎo)電性44單質(zhì)硅和鍺是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料。鍺在所有固體中是能夠獲得最純樣品并研究得最多的半導(dǎo)體材料。在最純的鍺樣品里雜質(zhì)的含量只有10-10。硅可以達(dá)到的純度比鍺大約低一個(gè)數(shù)量級(jí)，但仍然比任何其他物質(zhì)都純。具有廣闊應(yīng)用前景的化合物半導(dǎo)體達(dá)數(shù)十種之多，其中Ⅲ—V族，Ⅱ—Ⅳ族，Ⅳ—Ⅳ族和氧化物半導(dǎo)體更得到優(yōu)先發(fā)展。這些材料原子間的結(jié)合以共價(jià)鍵為主，其各項(xiàng)性能參數(shù)比起Ⅳ族單質(zhì)半導(dǎo)體有更大的選擇余地。半導(dǎo)體的種類(lèi)45本征半導(dǎo)體——無(wú)摻雜的純半導(dǎo)體

依靠熱激發(fā)或光子激發(fā)使價(jià)帶電子越過(guò)禁帶，變成自由電子進(jìn)入導(dǎo)帶導(dǎo)電。

表2.9本征半導(dǎo)體室溫下的禁帶寬度EgSi的Eg=1.12ev指純凈的無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶。Ge的Eg=0.66ev46(a)A位置鍵合破壞產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)電子和一個(gè)空穴本征Si基本鍵合示意圖(b)B位置鍵合斷裂發(fā)生導(dǎo)電子和空位遷移

47本征載流子的濃度濃度表達(dá)式為T(mén)為絕對(duì)溫度；式中:ni,pi分別為自由電子和空穴的濃度；K1為常數(shù)，其數(shù)值為4.82×1015K-3/2；k為玻爾茲曼常數(shù);Eg為禁帶寬度。隨著T增加，ni,pi顯著增大。T=300K，硅的Eg=1.1eV，ni=pi=1.5×1010cm-3;在室溫條件下，本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目很少，它們有一定導(dǎo)電能力但很微弱。鍺的Eg=0.72eV,ni=pi=2.4×1013cm-3。48本征半導(dǎo)體的遷移率本征半導(dǎo)體受熱后，載流子不斷發(fā)生熱運(yùn)動(dòng)，在各個(gè)方向上的數(shù)量和速度都是均布的，不會(huì)引起宏觀的遷移，也不會(huì)產(chǎn)生電流。但在外電場(chǎng)的作用下，載流子就會(huì)有定向的漂移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電流。在漂移過(guò)程中，載流子不斷地互相碰撞，使得大量載流子定向漂移運(yùn)動(dòng)的平均速度為一個(gè)恒定值，并與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比。自由電子和空穴的定向平均漂移速度分別為：式中，比例常數(shù)μn

和μp分別表示在單位場(chǎng)強(qiáng)(V/cm)下自由電子和空穴的平均漂移速度，稱(chēng)為遷移率。自由電子的自由度大，故它的遷移率μn

較大；空穴的漂移實(shí)質(zhì)是價(jià)電子依次填補(bǔ)共價(jià)鍵上空位的結(jié)果，這種運(yùn)動(dòng)被約束在共價(jià)鍵范圍內(nèi)，所以空穴的自由度小，遷移率μp

也小。49本征半導(dǎo)體的遷移率室溫下本征鍺單晶中:本征硅單晶中:☆硅遷移率比鍺小是因其載流子濃度ni小。若本征半導(dǎo)體中有電場(chǎng)，其電場(chǎng)強(qiáng)度為E，空穴將沿E方向作定向漂移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生空穴電流ip；自由電子將逆電場(chǎng)方向作定向漂移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電子電流in?？傠娏鲬?yīng)是兩者之和，故總電流密度j為：式中，jn,jp

分別為自由電子和空穴的電流密度；q為電子電荷量的絕對(duì)值。50本征半導(dǎo)體的電阻率300K(室溫)時(shí)本征鍺單晶體本征硅單晶體本征半導(dǎo)體的電學(xué)特性(1)本征激發(fā)成對(duì)地產(chǎn)生自由電子和空穴，所以自由電子濃度與空穴濃度相等，都是等于本征載流子的濃度ni。(2)禁帶寬度Eg越大，載流子濃度ni越小。(3)溫度升高時(shí)載流子濃度ni增大。(4)載流子濃度ni與原子密度相比是極小的，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很微弱。51雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能摻入五價(jià)元素(磷，砷，銻)余下了一個(gè)價(jià)電子摻入三價(jià)元素(硼、鋁、鎵、銦)大大增加了晶體中空穴濃度52n型半導(dǎo)體機(jī)理：摻入雜質(zhì)后，產(chǎn)生具有施主能級(jí)能量的多余電子，在光熱激活下躍入導(dǎo)帶導(dǎo)電。在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素的雜質(zhì)(磷，砷，銻)就可以使晶體中的自由電子的濃度極大地增加。由于能提供多余價(jià)電子，因此把這種五價(jià)元素稱(chēng)為施主雜質(zhì)，ED

稱(chēng)為施主能級(jí)，(EC-ED)稱(chēng)為施主電離能。導(dǎo)帶價(jià)帶ECEDEiEVDonorionsEC-EDEg鍺中摻磷：0.012eV硅中摻銻：0.039eV硅中摻砷：0.049eV在常溫下，每個(gè)摻入的五價(jià)元素原子的多余價(jià)電子都具有大于(EC-ED)的能量,可以進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子,因而導(dǎo)帶中的自由電子數(shù)比本征半導(dǎo)體顯著地增多。見(jiàn)圖2.3253在n型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大(1.5×1014cm-3)，故自由電子稱(chēng)為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱(chēng)多子。n型半導(dǎo)體由于自由電子的濃度大，故空穴被復(fù)合掉的數(shù)量也增多，所以n型半導(dǎo)體中空穴的濃度(1.5×106cm-3)反而比本征半導(dǎo)體中的空穴濃度小，故把n型半導(dǎo)體中的空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱(chēng)少子。在電場(chǎng)作用下，n型半導(dǎo)體中的電流主要由多數(shù)載流子—自由電子產(chǎn)生，也就是說(shuō)，它是以電子導(dǎo)電為主，故n型半導(dǎo)體又稱(chēng)為電子型半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)也稱(chēng)n型雜質(zhì)。54n型半導(dǎo)體的電流密度nno為n型半導(dǎo)體自由電子的濃度μn

電子遷移率n型半導(dǎo)體的電阻率ND

為n型半導(dǎo)體的摻雜濃度。如在n型硅半導(dǎo)體中，設(shè)ND=1.5×1014cm-3，當(dāng)μn=1400cm2／(V·s)時(shí)ρn=30μ?·cm，相比本征硅半導(dǎo)體，ρ=2.14×10-3?·m，導(dǎo)電能力增強(qiáng)七千倍。(ρ=2.14×105μ?·cm)55P型半導(dǎo)體機(jī)理：摻入雜質(zhì)后，產(chǎn)生空穴，空穴在逐個(gè)傳遞電子的過(guò)程中產(chǎn)生飄移而導(dǎo)電。摻入三價(jià)的雜質(zhì)元素(硼，鋁，鎵，銦)，就可以使晶體中空穴濃度大大增加。因?yàn)槿齼r(jià)元素的原子只有三個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它頂替晶格中的一個(gè)四價(jià)元素原子，并與周?chē)乃膫€(gè)硅(或鍺)原子組成四個(gè)共價(jià)鍵時(shí)，必然缺少一個(gè)價(jià)電子，形成一個(gè)空位置。56見(jiàn)圖2.33P型半導(dǎo)體導(dǎo)帶價(jià)帶ECEiEVAcceptorionsEA-EVEgEA因能接受價(jià)電子，把三價(jià)元素稱(chēng)為受主雜質(zhì)，EA

稱(chēng)為受主能級(jí)，(EA-EV)

稱(chēng)為受主電離能。三價(jià)元素形成的允許價(jià)電子占有的能級(jí)EA

非?？拷鼉r(jià)帶頂，即(EA-Ev)遠(yuǎn)小于Eg

。硅中摻鎵:0.065eV硅中摻銦:0.16eV鍺中摻硼或鋁:0.01eV在常溫下，處于價(jià)帶中的價(jià)電子都可以進(jìn)入EA能級(jí)。所以每一個(gè)三價(jià)雜質(zhì)元素的原子都能接受一個(gè)價(jià)電子，而在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)空穴。57在p型半導(dǎo)體中，因受主雜質(zhì)能接受價(jià)電子產(chǎn)生空穴，使空穴濃度大大提高，空穴為多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。n型半導(dǎo)體的電阻率npo

為p型半導(dǎo)體的空穴濃度p型半導(dǎo)體的電阻率p型半導(dǎo)體的電流密度NA為受主雜質(zhì)濃度在電場(chǎng)的作用下，p型半導(dǎo)體中的電流主要由多數(shù)載流子—空穴產(chǎn)生，即它是以空穴導(dǎo)電為主，故p型半導(dǎo)體又稱(chēng)空穴型半導(dǎo)體，受主雜質(zhì)又稱(chēng)p型雜質(zhì)。58雜質(zhì)半導(dǎo)體的特性(1)摻雜濃度與原子密度相比雖很微小，但是卻能使載流子濃度極大地提高，因而導(dǎo)電能力也顯著地增強(qiáng)。摻雜濃度愈大，其導(dǎo)電能力也愈強(qiáng)。(2)摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多子導(dǎo)電。當(dāng)摻入五價(jià)元素(施主雜質(zhì))時(shí)，主要靠自由電子導(dǎo)電；當(dāng)摻入三價(jià)元素(受主雜質(zhì))時(shí)，主要靠空穴導(dǎo)電。59溫度對(duì)半導(dǎo)體電阻的影響點(diǎn)陣振動(dòng)的聲子散射電離雜質(zhì)散射由于點(diǎn)陣振動(dòng)使原子間距發(fā)生變化而偏離理想周期排列，引起禁帶寬度的空間起伏，從而使載流子的勢(shì)能隨空間變化，導(dǎo)致載流子的散射。溫度越高振動(dòng)越激烈，對(duì)載流子的散射越強(qiáng)，遷移率下降。由于隨溫度升高載流子熱運(yùn)動(dòng)速度加大，電離雜質(zhì)的散射作用也就相應(yīng)減弱，導(dǎo)致遷移率增加。(1)在低溫區(qū)，施主雜質(zhì)并未全部電離。隨著溫度的升高，電離施主增多使導(dǎo)帶電子濃度增加。與此同時(shí)，在該溫度區(qū)內(nèi)點(diǎn)陣振動(dòng)尚較微弱，散射的主要機(jī)制為雜質(zhì)電離，因而載流子的遷移率隨溫度的上升而增加，使電阻率下降。60(2)當(dāng)升高到一定溫度后,雜質(zhì)全部電離，稱(chēng)為飽和區(qū)。由于本征激發(fā)尚未開(kāi)始，載流子濃度基本上保持恒定。這時(shí)點(diǎn)陣振動(dòng)的聲子散射已起主要作用而使遷移率下降，因而導(dǎo)致電阻率隨溫度的升高而增高。(3)溫度進(jìn)一步升高，進(jìn)入本征區(qū)，由于本征激發(fā)，載流子隨溫度而顯著增加的作用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)聲子散射的作用，故又使電阻率重新下降。溫度對(duì)半導(dǎo)體電阻的影響對(duì)n型半導(dǎo)體電阻率T低溫區(qū)飽和區(qū)本征區(qū)61超導(dǎo)電性Firstobservationof“Superconductivity”byOnnes(1911)OnnesResistanceofMercuryfallssuddenlybelowmeasurementaccuracyatverylowtemperature.ResistivityofCuasafunctionofTemperatureHighpuritycopperhaslargerRRR.62超導(dǎo)體的基本特性完全導(dǎo)電性完全抗磁性通量(flux)量子化例如，在室溫下把超導(dǎo)體做成圓環(huán)放在磁場(chǎng)中，并冷卻到低溫使其轉(zhuǎn)入超導(dǎo)態(tài)。這時(shí)把原來(lái)的外磁場(chǎng)突然去掉，則通過(guò)超導(dǎo)體中的感生電流，由于沒(méi)有電阻而將長(zhǎng)久的存在，成為不衰減電流。據(jù)報(bào)道，用Nb0.75Zr0.25合金導(dǎo)線(xiàn)制成的超導(dǎo)螺管磁體，估計(jì)其超導(dǎo)電流衰減時(shí)間不小于10萬(wàn)年。處于超導(dǎo)態(tài)的材料，不管其經(jīng)歷如何，磁感應(yīng)強(qiáng)度始終為零。這就是所謂的邁斯納(Meissner)效應(yīng)，說(shuō)明超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體是一抗磁體，此時(shí)超導(dǎo)體具有屏蔽磁場(chǎng)和排除磁通的功能。當(dāng)用超導(dǎo)體做成圓球并使之處于正常態(tài)時(shí)，磁通通過(guò)超導(dǎo)體。當(dāng)球處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，磁通被排斥到球外，內(nèi)部磁場(chǎng)為零。Meissner63超導(dǎo)體的性能指標(biāo)轉(zhuǎn)變溫度愈接近室溫其實(shí)用價(jià)值愈高。目前超導(dǎo)材料轉(zhuǎn)變溫度最高的是金屬氧化物，但也只有140K左右，金屬間化合物最高的是Nb3Ge，只有23.2K。臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc

當(dāng)溫度T<Tc時(shí)，將磁場(chǎng)作用于超導(dǎo)體，若磁場(chǎng)強(qiáng)度大于Hc時(shí)，磁力線(xiàn)將穿入超導(dǎo)體，即磁場(chǎng)破壞了超導(dǎo)態(tài)，使超導(dǎo)體回到了正常態(tài)，此時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱(chēng)為臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc。臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc除磁場(chǎng)影響超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度外，通過(guò)的電流密度也會(huì)對(duì)超導(dǎo)態(tài)起影響作用。當(dāng)電流超過(guò)臨界電流密度時(shí)，超導(dǎo)體回到正常態(tài)，它們是相互依存和相互影響的。臨界電流密度64兩類(lèi)超導(dǎo)體大多數(shù)純金屬(除V、Nb、Ta外)超導(dǎo)體，在超導(dǎo)態(tài)下磁通從超導(dǎo)體中被全部逐出，顯示完全的抗磁性。第一類(lèi)超導(dǎo)體在鈮、釩及其合金中，允許部分磁通透入，仍保留超導(dǎo)電性。Hc2值可以是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變熱力學(xué)計(jì)算值Hc的100倍或更高。零電阻的超導(dǎo)電流可以在環(huán)繞磁通線(xiàn)圈的超導(dǎo)區(qū)中流動(dòng)，在相當(dāng)高的磁場(chǎng)下仍有超導(dǎo)電性，故第二類(lèi)超導(dǎo)體在建造強(qiáng)磁場(chǎng)電磁鐵方面有重要的實(shí)際意義。第二類(lèi)超導(dǎo)體65超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)超導(dǎo)的BCS理論由巴丁(Bardeen)、庫(kù)柏(Cooper)和施瑞弗(Sehriffer)三人在1957年揭示。1972年Nobel獎(jiǎng)超導(dǎo)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，電子之間存在著特殊的吸引力，而不是正常態(tài)時(shí)電子之間的靜電斥力。這種吸引力使電子雙雙結(jié)成庫(kù)柏電子對(duì)，它是超導(dǎo)態(tài)電子與晶格點(diǎn)陣間相互作用產(chǎn)生的結(jié)果。66這些成對(duì)的電子在材料中規(guī)則地運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果碰到物理缺陷、化學(xué)缺陷或熱缺陷，而這種缺陷所給予電子的能量變化又不足以使“電子對(duì)”破壞，則此“電子對(duì)”將不損耗能量，即在缺陷處電子不發(fā)生散射而無(wú)阻礙地通過(guò)。超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)當(dāng)溫度或外磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，電子對(duì)獲得能量，當(dāng)溫度或外磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到臨界值時(shí)，電子對(duì)全部被拆開(kāi)成正常態(tài)電子，于是材料即由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。溫度越低，超導(dǎo)體就越穩(wěn)定。這就是超導(dǎo)體中存在臨界溫度Tc的原因。67超導(dǎo)應(yīng)用舉例日本超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)(581km/h)Principleofmagneticlevitation68SuperconductingMagneticEnergyStorage超導(dǎo)應(yīng)用舉例SMES

☆–EnergyStoredWithinaMagnet☆-RealandReactivePower69電性能測(cè)量及其應(yīng)用Rx——待測(cè)電阻RN——標(biāo)準(zhǔn)電阻（高精度電阻）R1.R3，R2.R4——同步可調(diào)電阻70電性能測(cè)量及其應(yīng)用合上K開(kāi)關(guān)后，調(diào)R1.R3，R2.R4使VBD=0這時(shí)下列關(guān)系成立：71電性能測(cè)量及其應(yīng)用R1.R3，R2.R4二組電阻采用同步調(diào)節(jié)，始終使R1=R3，R2=R4測(cè)量小電阻（10-1～10-6Ω）0.2%～0.3%精確度，測(cè)量大小10-4～10-3Ω左右金屬電阻。72電阻分析的應(yīng)用電阻率是對(duì)材料成分、組織和結(jié)構(gòu)極敏感的性能，能靈敏地反映材料內(nèi)部的微弱變化。因此常用測(cè)量電阻率的變化來(lái)研究材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化，稱(chēng)為電阻分析。由于很容易對(duì)材料的許多物理過(guò)程進(jìn)行電阻的跟蹤測(cè)量,電阻分析法在材料科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用。♀測(cè)定固溶體的溶解度曲線(xiàn)♀研究合金的時(shí)效♀合金的不均勻固溶體的形成以及有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變等♀確定稀土元素在鎂合金中的溶解極限♀研究疲勞和裂紋擴(kuò)展♀研究馬氏體相變73電阻分析法測(cè)溶解度曲線(xiàn)(1)配五種不同Mn%的合金Mg-Mn合金A、B、C、D、E。(2)加熱合金A、B、C、D、E至630℃并保溫后快冷(淬火)至室溫。(3)在室溫下測(cè)出A、B、C、D,E五合金的電阻率ρ。(4)繪出電阻率ρ～Mn%關(guān)系曲線(xiàn)，曲線(xiàn)上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)E’所對(duì)應(yīng)的Mn%即為630℃上E點(diǎn)的Mn%（a%）。(5)再用同樣的方法作出600℃、550℃、500℃、450℃……下的分界點(diǎn)，并連接各點(diǎn)，該連線(xiàn)即為溶解度曲線(xiàn)。

741200℃,24hr均勻化處理后，從850℃淬火至液氮(-196℃)得到馬氏體電阻率與時(shí)效時(shí)間的關(guān)系(a)Fe-Ni18%-C0.11%板條狀馬氏體研究合金時(shí)效(b)Fe-Ni21%-C0.4%片狀馬氏體75電阻率ρ時(shí)間（或溫度)ΔρⅠⅠ區(qū)Ⅱ區(qū)Ⅲ區(qū)（馬氏體時(shí)效）（馬氏體回火）ΔρⅡρ0研究合金時(shí)效和回火III區(qū)電阻率繼續(xù)緩慢地下降，直至達(dá)到充分回火時(shí)穩(wěn)定值。I區(qū)