《功能材料概論》課件

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1、第二章電功能材料半導(dǎo)體材料超導(dǎo)體材料電接點(diǎn)（觸頭）材料以特殊的電學(xué)性能或各種電效應(yīng)作為主要性能指標(biāo)的一類(lèi)材料。半導(dǎo)體材料超導(dǎo)材料電接點(diǎn)（觸頭）材料導(dǎo)電材料的分類(lèi)按導(dǎo)電機(jī)理可分為：電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料兩大類(lèi)。電子導(dǎo)電材料包括導(dǎo)體、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體：半導(dǎo)體10-710-610-510-410-310-210-1100101102103104105106電導(dǎo)率σS/m絕緣體導(dǎo)體超導(dǎo)體：σ→∞離子導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理源于離子的運(yùn)動(dòng)，由于離子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電子的運(yùn)動(dòng)速度，因此其電導(dǎo)率較小，目前最高不超過(guò)102S/m，一般在100S/m以下。導(dǎo)體電阻率公式電阻率公式：ρi取決

2、于晶格缺陷的多少，缺陷越多，ρi越大，一般與溫度無(wú)關(guān)；ρT取決于晶格的熱振動(dòng)。電阻率隨著溫度升高而升高，這是導(dǎo)體的一個(gè)特征。導(dǎo)體材料的種類(lèi)導(dǎo)體材料按照化學(xué)成分主要有以下三種：（1）金屬材料。電導(dǎo)率在107~108S/m之間；銀（6.63×107S/m）、銅（5.85×107S/m）和鋁（3.45×107S/m）（2）合金材料。電導(dǎo)率在105~107S/m之間；黃銅（1.60×107S/m），鎳鉻合金（9.30×105S/m）（3）無(wú)機(jī)非金屬材料。電導(dǎo)率在105~108S/m之間。石墨在基晶方向?yàn)?.5×106S/m。導(dǎo)體材料的應(yīng)用金屬導(dǎo)體材料主要用作：電纜材料、電機(jī)材

3、料、導(dǎo)電引線材料、導(dǎo)體布線材料、輻射屏蔽材料、電池材料、開(kāi)關(guān)材料、傳感器材料、信息傳輸材料、釋放靜電材料和接點(diǎn)材料等，還可以作成各種金屬填充材料和金屬?gòu)?fù)合材料。合金導(dǎo)體材料主要用作電阻材料和熱電偶材料，如鉑銠-鉑熱電偶等。非金屬導(dǎo)體材料主要用作耐腐蝕導(dǎo)體和導(dǎo)電填料。2.1半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體之間;（σ＝10-7～104）具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)。（導(dǎo)體具有正的電阻溫度系數(shù)）(一)基本概念當(dāng)大量原子結(jié)合成晶體時(shí)（如，1019個(gè)原子大約可形成1mm3的晶體),由于相鄰原子電子云相互交疊，對(duì)應(yīng)于孤立原子中的每一能級(jí)都將分裂成有一定能量寬度的能帶。（1）能帶Ener

4、gyBand一、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)電子數(shù)量增加時(shí)能級(jí)擴(kuò)展成能帶(2)帶隙BandGap能帶之間的區(qū)域（3）禁帶ForbiddenBand帶隙不存在電子的能級(jí)（4）價(jià)帶ValenceBand對(duì)應(yīng)價(jià)電子能級(jí)的能帶(5)空帶EmptyGap價(jià)帶上面的能帶（6）導(dǎo)帶ConductionBand最靠近價(jià)帶的空帶（7）滿(mǎn)帶FilledBand價(jià)帶被電子填滿(mǎn)導(dǎo)體的能帶中都有末被填滿(mǎn)的價(jià)帶，在外電場(chǎng)的作用下，電子可由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而形成電流。絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)是滿(mǎn)帶與導(dǎo)帶之間被一個(gè)較寬的禁帶所隔開(kāi)，在常溫下幾乎很少有電子可以被激發(fā)越過(guò)禁帶，因此其電導(dǎo)率很低。鈉的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶禁帶半導(dǎo)體

5、能帶結(jié)構(gòu)下面是價(jià)帶，其價(jià)帶是充滿(mǎn)了電子，因此是一個(gè)滿(mǎn)價(jià)帶。上面是導(dǎo)帶，而導(dǎo)帶是空的。滿(mǎn)價(jià)帶和空導(dǎo)帶之間是禁帶，其禁帶寬度比較窄，一般在1ev左右。價(jià)帶中的電子受能量激發(fā)后，如果激發(fā)能大于Eg，電子可以從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶上，同時(shí)在價(jià)帶中留下一個(gè)空的能級(jí)位置--空穴。(二)、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子受激發(fā)后從滿(mǎn)價(jià)帶躍到空導(dǎo)帶中，躍遷電子可在導(dǎo)帶中自由運(yùn)動(dòng)，傳導(dǎo)電子的負(fù)電荷。同時(shí)，在滿(mǎn)價(jià)帶中留下空穴，空穴帶正電荷，在價(jià)帶中空穴可按電子運(yùn)動(dòng)相反的方向運(yùn)動(dòng)而傳導(dǎo)正電荷。因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電來(lái)源于電子和空穴的運(yùn)動(dòng)，電子和空穴都是半導(dǎo)體中導(dǎo)電的載流子。二、典型半導(dǎo)體材料及其應(yīng)

6、用(一)、元素半導(dǎo)體高純度、無(wú)缺陷的元素半導(dǎo)體。雜質(zhì)濃度小于10-9在本征半導(dǎo)體中有意加入少量的雜質(zhì)元素，以控制電導(dǎo)率，形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體在元素周期表中介于金屬和非金屬之間具有半導(dǎo)體性質(zhì)的元素有十二種，但是其中具備實(shí)用價(jià)值的元素半導(dǎo)體材料只有硅、鍺和硒。硒是最早使用的，而硅和鍺是當(dāng)前最重要的半導(dǎo)體材料，尤其是硅材料由于具有許多優(yōu)良持性，絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件都是用硅材料制作的。本征半導(dǎo)體廣泛研究的元素是Si、Ge和金剛石。金剛石可看作是碳元素半導(dǎo)體，它的性質(zhì)是1952年由Guster發(fā)現(xiàn)的。除了硅、鍺、金剛石外，其余的半導(dǎo)體元素一般不單獨(dú)使用。因?yàn)楸菊靼雽?dǎo)體單位體

7、積內(nèi)載流子數(shù)目比較少，需要在高溫下工作電導(dǎo)率才大，故應(yīng)用不多。1、本征半導(dǎo)體2、雜質(zhì)半導(dǎo)體利用將雜質(zhì)元素?fù)饺爰冊(cè)刂校央娮訌碾s質(zhì)能級(jí)（帶）激發(fā)到導(dǎo)帶上或者把電子從價(jià)帶激發(fā)到雜質(zhì)能級(jí)上，從而在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴的激發(fā)叫非本征激發(fā)或雜質(zhì)激發(fā)。這種半導(dǎo)體叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體本身也存在本征激發(fā)，一般雜質(zhì)半導(dǎo)體中摻雜雜質(zhì)的濃度很低，如十億分之一就可達(dá)到目的。摻雜原子的價(jià)電子多于純?cè)氐膬r(jià)電子，又稱(chēng)施主型半導(dǎo)體摻雜原子的價(jià)電子少于純?cè)氐膬r(jià)電子，又稱(chēng)受主型半導(dǎo)體2、雜質(zhì)半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體（電子型，施主型）ⅣA族元素(C、Si、Ge、Sn)中摻入以VA族元素(P、