01 第一章 导电材料.pptx

第1页：导电材料的分类

• 导电材料的分类导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材料两大类。
• 电子导电材料电子导电材料的导电起源于电子的运动。电子导电材料包括导体、超导体和半导体。
• 导体：电导率≥105S/m。
• 超导体：在温度小于临界温度时，电导率为无限大。
• 半导体：电导率为10-7～104S/m。

第2页：高分子导电材料

• 高分子导电材料：电导率在半导体到导体范围之间。传统的高分子材料的电导率≤10－20S/m，是典型的绝缘体。
• 绝缘体：电导率≤10-7S/m时，就认为该材料基本上不能导电，而称为绝缘体。导体、超导体、半导体和绝缘体的区别：（1）电导率的大小；
• 能带结构；
• 导电机理。

第3页：离子导电材料

• 离子导电材料1、导电机理离子导电材料的导电机理，主要起源于离子的运动。
• 电导率离子的运动速度远小于电子的运动速度。离子导电材料的电导率也远小于电子导电材料的电导率。目前，电导率最高不＞102S/m，大多＜100S/m。

第4页：能带的基本概念

• 能带的基本概念1、能带的形成：晶体内部结构的周期性，产生周期势场，作用于价电子，价电子共有化，原来原子中电子的能级发生分裂，分裂后新能级的能量范围，称为能带。
• 禁带：相邻两个能带之间不存在电子稳定态的能量间隔。
• 满带：各能级都被电子填满的能带。
• 价带：价电子能级分裂形成的能带。
• 空带：没有电子填入的能带。
• 导带：未被电子填满的能带。

第5页：导体的三种能带结构(a)类有未充

1、导体的三种能带结构(a)类有未充满的能带，能带间相互重叠，无禁带；(b)类价电子充满下面的能带，上面紧接着另一个空能带，无禁带；(c)类有未充满的能带，该能带与上面的空带间有禁带。

第6页：导带导体中均存在电子运动的通道即

2、导带导体中均存在电子运动的通道即导带。(a)类的导带由未满带、重带和空带构成。(b)类的导带由空带构成。(c)类的导带由未满带构成。电子进入导带运动均不需能带间跃迁。

第7页：导体的导电机理

• 导体的导电机理1、自由电子理论自由电子理论是导体导电机理的经典理论，认为电子在金属导体中运动时不受任何外力作用，互相之间也无作用，即金属导体中电子的势能是个常数。电导率公式可用经典力学来导出。
• 能带理论不论是金属还是非金属导体中，电子的运动是在以导体空间点阵为周期的势场中运动，电子的势能是个周期函数，而不是常数，电子不是自由电子，这就是能带理论。

第8页：导体的导电机理

二、导体的导电机理3、准自由电子理论导体的周期势场和变化都比电子平均动能小得多，按量子力学，可当作微扰来处理，这种理论称准自由电子理论。这一理论认为导体中的电子可看作准自由电子，其运动规律可视为和自由电子相似。

由量子力学导出的电导率公式仍和经典理论导出的公式形式上一样，只是每项的含意有所不同。

第9页：第一章导电材料

§1.1导体材料二、导体的导电机理4、准自由电子理论的电导率公式nF，单位体积内处于费米能级的电子数L，电子的平均自由路程；mn*，电子的有效质量；e*，电子的有效电荷；μF，费米能级电子的平均速度；μF，费米能级电子的迁移率；τF，费米电子两次碰撞的平均时间；E，电场强度。

第10页：导体的导电机理5

1/τF为费米电子在单位时间内的碰撞次数即散射次数，相当于费米电子的散射概率。散射次数决定于导体内散射中心的多少，散射中心越多，散射次数也越多。

第11页：电阻率ρ为电导率σ的倒数

电阻率ρ为电导率σ的倒数§1.1导体材料二、导体的导电机理6、电阻率公式ρi取决于晶格缺陷的多少，缺陷越多，越大，一般与温度元关。ρT取决于晶格的热振动，取决于温度。

按德拜理论，T>ΘD德拜温度时，ρT与T成正比；T≤ΘD时，ρT与T5成正比；电阻率ρ均随温度升高而升高。相反，电导率σ随温度升高而降低，这也是导体的一个特征。

第12页：导体材料的种类

• 导体材料的种类导体材料按化学成分分主要有以下三种：(1)金属材料主要的导体材料，电导率在107～108S/m之间。
• 合金材料电导率在105～107S/m之间。
• 无机非金属材料电导率在105～108S/m之间。
• 导体材料的应用导体材料在电力、电器、电子、信息、航空、航天、兵器、汽车、仪器仪表、核工业和船舶等行业中有着广泛的用途。

第13页：超导材料

超导现象及其应用

第14页：半导体的能带结构本征

一、半导体的能带结构本征半导体能带结构。下面是价带。纯半导体的原子在绝对零度时，价带是充满电子的，满价带。上面是导带。导带是空的。中间是禁带。满价带和空导带之间是禁带，价电子和原子结合得不太紧，禁带宽度Eg比较窄，一般在1eV左右。

第15页：半导体的导电机理

二、半导体的导电机理1、载流子的形成价带中的电子受能量激发后，如果激发能大于Eg，电子可从价带跃迁到导带上，同时在价带中留下一个空穴。空穴能量等于激发前电子的能量。激发既可以是热激发，也可以是非热激发。通过激发，半导体中产生载流子。

第16页：半导体的导电机理

二、半导体的导电机理2、导电机理半导体中导电载流子是电子和空穴。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，传导电子的负电荷。

同时，在满价带中留下空穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可按电子运动相反的方向运动而传导正电荷。半导体中存在电子和空穴的运动，从而导电。

第17页：半导体的分类

三、半导体的分类1、按成分分元素半导体和化合物半导体。元素半导体又可分为本征半导体和杂质半导体。化合物半导体又可分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种半导体。

第18页：本征半导体

• 本征半导体1、本征半导体的导电机理（1）本征激发半导体中价带上的电子借助于热、电、磁等方式激发到导带。
• 本征半导体满足本征激发的半导体。
• 本征半导体的电导率本征半导体的导电载流子是由本征激发所形成的导带中的电子和价带中的空穴。通过载流子的运动来实现导电。

第19页：本征半导体

四、本征半导体1、本征半导体导电机理（3）本征半导体电导率本征半导体的电导率应由电子运动和空穴运动两部分引起的电导率所构成，按照量子力学微扰处理的推导出的电导率公式

第20页：本征半导体

四、本征半导体1、本征半导体导电机理（3）本征半导体电导率为了方便讨论电导率的决定因素，电导率公式简化为σ=αe-Eg/2kTα=5×1015e(bn-bp)σ主要取决于温度T、禁带宽度Eg、电子和空穴迁移系数(bn-bp)。

第21页：杂质半导体

• 杂质半导体1、杂质激发杂质元素掺入纯元素中，电子从杂质能级(带)激发到导带上或者从价带激发到杂质能级上，从而在价带中产生空穴的激发叫非本征激发或杂质激发。
• 杂质半导体满足杂质激发的半导体。杂质半导体本身也都存在本征激发，杂质半导体既有杂质激发，又有本征激发。一般杂质半导体中杂质掺杂的浓度很小，如十亿分之一即可达到目的。

第22页：杂质半导体

• 杂质半导体3、杂质半导体的种类按掺杂元素的价电子和纯元素价电子的不同而分类。一般是在ⅣA族元素中掺ⅤA族或ⅢA族元素。
• n型半导体(电子型或施主型)

第23页：杂质半导体

五、杂质半导体3、杂质半导体的种类（1）n型半导体(电子型或施主型)（2）p型半导体(空穴型，受主型)在ⅣA族元素掺以ⅢA族元素(如B)时，掺杂元素价电子少于纯元素的价电子，原子间生成共价键以后，还缺一个电子，而在价带中产生逾量空穴。

以空穴导电为主，掺杂元素是电子受主，这类半导体称p型或空穴型或受主型。

第24页：杂质半导体

五、杂质半导体4、杂质半导体的能带结构§1.3半导体材料(a)n型，逾量电子处于施主能级，施主能级与导带底能级之差Ed大大小于禁带宽度Eg。杂质电子比本征激发更容易激发到导带，导带在通常温度下，施主能级是解离的，即电子均激发到导带。

Eg与Ed相差近三个数量级。

第25页：杂质半导体

五、杂质半导体4、杂质半导体的能带结构§1.3半导体材料(b)是p型，逾量空穴处于受主能级。受主能级与价带顶端的能隙Ea远小于禁带宽度Eg，价带上的电子很易激发到受主能级上，在价带中形成空穴导电。

第26页：化合物半导体

• 化合物半导体化合物半导体的种类繁多性质各异，有广阔的应用前景，尤其在Ⅲ－V族，Ⅱ－VI族，Ⅲ－IV族和氧化物半导体得到了优先发展。例如：禁带宽度较大的SiC、GaP，选迁移率较大的InSb等。
• 化合物半导体的分类(1)按成分分为无机合金化合物、陶瓷、高分子半导体。
• 按载流子型分为n型和p型半导体。
• 按组分分为二元化合物和多元化合物半导体。

第27页：化合物半导体

六、化合物半导体1、化合物半导体的分类（3）按组分分为二元化合物和多元化合物半导体。二元化合物半导体例如：GaAs、ZnS、SiC等。

多元化合物半导体例如：三元化合物半导体(Ga1-xAlx)As、四元化合物半导体GaxIn(1-x)AsyP(1-y)等。超晶格材料两种不同掺杂的半导体薄膜或不同组分的薄膜交替生长而成的周期性多层材料。

第28页：化合物半导体

• 化合物半导体2、化合物半导体材料的一些性质化合物半导体最突出的特点是禁带和迁移率范围宽，禁带在(0.21～0.48)×10-19J(0.13～0.30eV)；迁移率在-7.625～+0.010范围。最有用的是GaAs为代表的Ⅲ－V族化合物。
• 非晶态半导体半导体现象并非是晶体所独有的，在非晶态材料中也存在着类似的性质。非晶态的发展在固体物理学上开辟了新的研究领域，并将进一步促进科学技术的发展。

第29页：非晶态半导体

七、非晶态半导体非晶态物质与晶态物质差别在于长程无序。但是，在原子尺度上非晶态半导体的键长几乎是严格一致的，具有短程有序性。非晶态半导体的短程有序性，在非晶态半导体中测量到光吸收边、激活电导率等一些半导体的特性。

长程有序性主要影响周期性势场变化，对散射作用、迁移率、自由程等物理量起主导作用。在能带结构上无本质差别，同样可用能带结构研究非晶态半导体的主要性能。但在状态密度的能谱和带边上两者有区别。

第30页：非晶态半导体

• 非晶态半导体1、非晶态半导体的特点（1）非晶态半导体对杂质的掺入不敏感，一般具有本征半导体的性质。非晶态半导体结构不具有敏感性，掺入杂质的正常化合价都被饱和，全部价电子都处在键合状态。
• 生产工艺简单，价格低廉。非晶态半导体是非结晶性的，无方向性，没有结晶方式、提纯、杂质控制等麻烦工艺，便于大量生产，并且价格低廉。

第31页：非晶态半导体

• 非晶态半导体2、非晶态半导体的种类非晶态半导体按结构可分为共价型和离子键型。
• 共价型①四面体型，如Si、Ge、SiC、InSb、GaAs和GaSb等；
• “链状”型，如S、Se、Te、As2S和As2Se等；
• 交链网络型，如GeSbSe、GeAsSe等。
• 离子键型氧化物玻璃，如V2O5-P2O5、MnO-Al2O3-SiO2、V2O5-GeO2-BaO和TiO-B2O3-BaO等。

第32页：非晶态半导体

七、非晶态半导体3、非晶态半导体的应用非晶态半导体多制成薄膜，氢化后禁带宽度可在1.2～1.8eV之间调节，暗电导率较小，易于制成大面积薄膜。但非晶态半导体的载流子寿命较短，迁移率小。

非晶态半导体一般不作为电子材料，而作为光电材料，适用于太阳能电池、传感器、光盘和薄膜晶体管等。

第33页：高温半导体广泛使用

• 高温半导体广泛使用的半导体硅器件的工作温度不能超过200℃，而航空航天等军事工业要求工作温度为500～600℃。
• 半导体硅器件的不足（1）在高温工作时易被热击穿和烧坏。
• 本征激发产生的载流子浓度增加，造成稳定性恶化；载流子浓度随禁带宽度Eg的增加而降低。
• 高温半导体的特点（1）禁带宽度Eg大。
• 耐高温。例如：碳化硅和人造金刚石膜。

第34页：离子导电材料的导电机理

一般具有离子结构的材料都有离子电导现象存在，但大部分材料的离子电导率都很低，达不到导电的要求，故离子电导材料一般指的是电导率≥10-4S/m，且电子电导对总电导率的贡献可忽略不计的材料，又称快离子导体。

一、离子导电材料的导电机理离子导电主要发生在离子固体中。离子在固体中通过晶格的缺陷(空穴)进入穴位而发生导电。

第35页：离子导电材料的导电机理

• 离子导电材料的导电机理§1.4离子导电材料1、离子晶体中的四种热缺陷（1）正填隙离子带正电荷。
• 正空格点带负电荷。
• 负填隙离子带负电荷。
• 负空格点带正电荷。

第36页：离子导电材料的导电机理

• 离子导电材料的导电机理§1.4离子导电材料2、导电机理（1）在外电场作用下，离子晶体中四种缺陷所产生的电流方向都是正的，即电场的方向。
• 在无电场的情况下，离子在晶体中以扩散方式取代晶格空位进行运动，不产生电流。
• 在外电场作用下，离子取代空位沿电场方向运动，产生沿电场方向的离子电流。

第37页：离子导电材料的特征值

• 离子导电材料的特征值1、电导率σσ≥10-4S/cm且σe/σ≈0(σe为电子电导率)。
• 活化能EaEa越小，σ越大，离子导电材料Ea一般小于0.5eV。

第38页：银铜离子导体

§1.4离子导电材料三、离子导电材料的种类一般按离子的种类可分为7种。1、银铜离子导体2、钠离子导体3、锂离子导体4、氢离子导体（质子导体）5、氧离子导体

第39页：离子导体的应用和发展趋势

四、离子导体的应用和发展趋势1、固态离子选择电极2、固体电化学器件

第40页：研究高分子单离子导体

§1.4离子导电材料2、研究新型的高分子离子导体，设计具有隧道结构、层状结构或高结晶度的高分子，并选择电荷分散型的阴离子以便获得宽而浅的势阱，使其的导电机制类似于无机离子导体。

3、研究高分子单离子导体，仅有单一阳（或阴）离子迅速传导而无对离子迁移的高分子离子导体。