第四章材料的电导性能课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,无机非金属材料性能,主讲教师,:,田 俐，彭美勋,湖南科技大学化学化工学院,课程性质、教学目的与任务,本课程是一门无机非金属材料工程专业本科生重要专业必选课。本门课的前修课是物理学、固体材料结构与基础、高等数学。,通过该课程的学习，掌握无机非金属材料的力、热、光、电、磁及其之间转换性能的物理模型、基本原理和影响因素；具有分析各性能间的变化规律、性能控制和改善措施等的能力；学会运用所学知识和理论从微观的角度去设计材料；了解无机非金属材料研究领域中的前沿、热点和难点问题及其与本课程知识点的联系。,培养学生既有扎实的基础理论知识，又有科学的思维方法，为后续专业课学习打基础。,课程主要内容及教学学时,本课程是无机非金属材料工程专业的专业基础课，包括了无机材料的力学、热学、光学、电学、磁学及其材料的各种耦合性能，例如压电、热电、光电等。是各个领域在研制和应用无机非金属材料中对材料提出的基本技术要求，即所谓的材料本征参数，掌握这类本征参数的物理意义在实际工作中具有重要的意义。,根据教学计划，本课程计划总学时,56,学时，均为课堂教学。,本课程主要讲授无机材料的力学、热学、电学、光学及其耦合的各种物理性能以及它们与材料的组成和结构之间的关系和变化规律。,在系统讲授经典理论的同时，注重在课堂教学中引入相关领域的最新研究成果，使同学们既对传统经典理论有系统地了解和掌握，又对本领域最新进展有较多的了解，拓宽视野。通过引入授课教师正在承担科研课题的最新进展，使学生能直观地了解相关理论的作用及重要性，提高学习兴趣，产生师生互动，提高教学的有效性和效率。,教学方法,1,、,材料物理性能,吴其胜 华东理工大学出版社,2006,年,2,、,无机非金属材料性能,贾德昌，科学出版社，,2008,年,3,、,无机材料物理性能,关振铎，清华大学出版社，,1989,年,教材及主要参考书,第一章 材料的力学性能,9,第二章 材料的热学性能,9,第三章 材料的光学性能,9,第四章 材料的电导性能,9,第五章 材料的磁学性能,9,第六章 材料的功能转换性能,9,课程目录及课时安排,第四章 材料的电导性能,掌握,电导率、电阻率、迁移率等概念及影响因素，离子电导、电子电导的本质及影响因素，金属材料及固体材料的电导特性，半导体陶瓷的物理效应,了解导体材料、半导体材料、超导体材料、绝缘材料的应用及发展,教学目标及基本要求,教学重点和难点,电导率、电阻率、迁移率等概念及影响因素,离子的电导、电子的电导本质,固体材料的电导特性,半导体陶瓷的物理效应,1.,载流子的迁移率的物理意义是什么？,2.,电导率的微观本质是什么？,3.,什么叫晶体的热缺陷？有几种类型？写出其浓,度表达式？晶体中离子电导分为哪几类？,4.,载流子的散射有哪几种机构？,5.,举例说明陶瓷的表面效应和晶界效应。,预习题,4.1,电导的物理现象,4.2,离子电导,4.3,电子电导,4.4,金属材料的电导,4.5,固体材料的电导,4.6,半导体陶瓷的物理效应,4.7,超导体,目 录,4.1.1,电导的宏观参数,电流密度,J,电场,E,V=LE,I=SJ,（非均匀导体）,R,与材料性质有关，还与材料的长度及横截面积有关；,只与材料的本性有关，与几何尺寸无关，可评定材料的导电性。,欧姆定律微分式适用于非均匀导体，表示导体中某点的电流密度正比于该点的电场，比例系数为,（,S,cm,-1,）,。,材料按电导率大小可分为：,绝缘体：,1 S/m,超导体：,S/m,4.1.2,电导的物理特性,电流是电荷的定向运动，所以有电流必须有电荷的输运过程。,电荷靠什么输送呢？电荷的载体称为载流子。任何一种物质，只要存在载流子，就可以在电场作用下产生导电电流。,物体的导电现象的微观本质是载流子在电场作用下定向迁移。,电子电导的特征,（电子在磁场作用下产生横向移动所致）,E,Y,因电子质量小，运动容易，而离子的质量大得多，磁场作用力不足以使之产生横向位移，因而不存在霍尔效应，由此可检验材料是否存在电子电导。,离子电导的特征,E,nq,:,载流子在单位电场中的迁移速度,上式反映了电导率的微观本质,:,宏观电导率,与微观载流子浓度,n,、每一种载流子的电荷量,q,以及迁移率,的关系。,物体的导电是载流子在电场作用下的定向迁移。,4.2,离子电导,4.2.1,载流子浓度,1,、本征电导的载流子浓度,热缺陷,当晶体的温度高于绝对,0K,时，由于晶格内原子热运动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。热缺陷无论是离子或空位都可以在电场作用下定向移动而导电。,弗伦克尔缺陷,正常格点的原子由于热运动进入,晶格间隙,，而在晶体内正常格点留下空位。空位和间隙离子成对产生，浓度相等。,肖特基缺陷,正常格点的原子由于热运动跃迁到,晶体表面,，在晶体内正常格点留下空位。对于离子晶体，为保持电中性，正离子空位和负离子空位成对产生，浓度相等。,本征电导的载流子浓度决定于温度和热缺陷形成能（离解能）,E,。常温下,kT,比起,E,小很多，故只有在高温下，热缺陷浓度才显著大起来，即固有电导在高温下才显著。,离解能,E,和晶体结构有关，在离子晶体中，一般,E,S,0.99,的导体称为离子导体，把,t,i,2,10,4,。,（,3,）马西森定律,金属的总电阻包括金属的基本电阻和溶质（杂质）电阻。,金属的温度愈高，电阻率也愈大,。,若 以 和 代表金属在,0,和,T,时的电阻率，则：,在温度高于室温下，上式对大多数金属是适用的。,0-T,平均电阻温度系数：,温度区间趋向零时得,T,温度下的真电阻温度系数：,除过渡金属外，其他的,近似等于,410,-3,-1,。,4.4.2,电阻率与温度的关系,理想金属在,0K,时电阻为零。当温度升高时，电阻率随温度升高而增加。,对于含有杂质和晶体缺陷的金属的电阻，不仅有受温度影响项，而且有剩余电阻率项。,举例：,W,的,300K,/,4.2K,=3,10,5,。,（,1,）,含杂质或晶体缺陷的金属的电阻率变化：,在温度,T,（,2,3,）,D,时，电阻率正比于温度。,当,T,D,时,，电阻率与温度成,5,次方关系。,一般认为纯金属在整个温度区间电阻产生的机制是电子,声子之间的散射，只是在极低温度（,2 K,）时，电阻率与温度成,2,次方关系，电子,电子之间的散射构成了电阻产生的主要机制。,（,2,）,金属电阻率在不同温度范围与温度变化的关系是不同的。,通常金属熔化时电阻增高,1.5,2,倍。因为熔化时金属原子规则排列遭到破坏，从而增强了对电子的散射，电阻增加。,但锑随温度升高，电阻也增加；熔化时电阻反常地下降了，是因为锑在熔化时，由共价结合而变化为金属结合，电阻率下降。,（,3,）金属熔化时电阻率的变化,过渡族,铁磁性,金属在发生磁性转变时电阻与温度的关系经常出现,反常,。一般金属的电阻率与温度是,1,次方关系，对铁磁性金属在居里点以下温度不适用。在接近居里点时，铁磁金属或合金的电阻率反常降低量与其自发磁化强度,M,S,的平方成正比，由,d,与,S,壳层电子云相互作用决定。,镍,（,4,）铁磁性金属电阻率变化反常情况：,在流体静压压缩（,P1.2GPa,）时，大多数金属的电阻率下降，,因金属原子间距缩小，内部缺陷、形态、电子结构、费米能和能带结构都将发生变化。,根据压力对金属导电性的影响特性，将金属分为正常金属和反常金属。正常金属（铁、钴、镍等）：随压力增大，金属的电阻率下降；反之为反常金属（大部分碱金属和稀土金属，元素钙、锶、铋、锑等）。,4.4.3,电阻率与压力的关系,压力系数：,-10,-6,-10,-5,压力系数：,10,-6,10,-5,压力很大时可使许多物质由半导体和绝缘体变为导体，甚至变为超导体。,（,1,）冷加工引起金属电阻率增加,室温下测得经相当大的冷加工变形后纯金属的电阻率,增加,2-6%,。,4.4.4,冷加工和缺陷对电阻率的影响,范比伦公式：,n=1,2,冷加工引起金属电阻率增加，同晶格畸变,(,空位，位错,),有关。在时，未经冷加工变形的纯金属的电阻率趋于零，而,冷加工的金属在任何温度下都保留有高于退火态金属的电阻率,，在,0K,时仍保持有剩余电阻率。,退火可使金属电阻回复到冷加工前的电阻值,。,电子在空位处散射所引起的电阻率增加值,当退火温度足以使空位扩散时部分电阻消失。,电子在位错处的散射所引起的电阻率增加，保留到再结晶温度。,范性变形引起的电阻率变化：,(2),缺陷对电阻率的影响,评介单晶体结构完整性,空位、空隙原子以及它们的组合、位错等晶体缺陷使金属电阻率增加。,其对剩余电阻率的影响与金属中杂质离子的影响是同一数量级。,高温淬火和急冷也会使金属内部形成超过平衡状态浓度的缺陷。,一般在立方系晶体中金属的电阻率表现为各向同性，但在对称性较差的六方晶系、四方晶系、斜方晶系和菱面体中，导电性表现为各向异性。,4.4.5,电阻率的各向异性,4.4.6,固溶体的电阻率,（）金属形成固溶体时，电阻率增加，电性能降低。,原因：固溶体使晶格发生扭曲，破坏了晶格势场的周期性，电子受到散射的概率增加。,诺伯里,林德法则：,除过渡族金属外，在同一溶剂中溶入,1,（原子百分数）溶质金属所引起的电阻率增加，由溶剂和溶质金属的价数而定，它们的价数差愈大，增加的电阻率愈大。,（）合金有序化时，电阻率降低。,合金有序化后，其合金组元化学作用加强，电子的结合比在无序状态更强，从而使导电电子数减少，因而合金的剩余电阻率增加。,晶体离子势场在有序化时更为对称，使电子散射概率大大降低，剩余电阻率减小。（占优势）,斯米尔诺公式,：,0K,时，有序合金的剩余电阻率,C,第一组元相对原子浓度；,第一类结点相对浓度；,q,第一类结点被相应原子占据的可能性。,：远程有序度,（,3,）不均匀固溶体电阻率,K,状态：在含有过渡族金属的合金中,X,射线和电子显微镜分析为单相，但在回火过程中发现其电阻反常升高，冷加工时电阻率明显降低的组织状态，为不均匀固溶体。,4.5,固体材料的电导,大多数固体材料为多晶多相材料，其显微结构较为复杂，由,晶粒、玻璃相、气孔,等组成。,多晶多相材料的电导比单晶和均质材料要复杂得多。,4.5.1,玻璃态电导,1,、碱金属玻璃,玻璃体的结构比晶体疏松，碱金属离子能够穿过间隙克服位垒而导电，,离子电导,。,碱金属在玻璃中为弱联系离子，电导活化能小，因而,导电性大大增加,。,碱金属浓度不大时，电导率,与其浓度有直线关系增长,，因为增加的只是载流子。增加到一定浓度时，电导率,与其浓度呈指数关系增长，因为结构被破坏，活化能降低，导电率指数式上升。,（,1,）双碱效应,：,在碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子的电导比一种要小。,原因：两种原子及其空位互相干扰，堵塞通道，迁移率,降低。,2,、双碱效应和压碱效应,（,2,）压碱效应,：,含碱玻璃中加入二价金属离子氧化物，特别是重金属氧化物 ，玻璃电导率降低。,原因：二价金属与阴离子团结合牢固，堵塞通道，迁移困难，电导活化能增加，从而迁移率减小。,3,、玻璃半导体,（,1,）氧化物玻璃 （,2,）硫属化合物,（,3,）元素非晶态半导体,4.5.2,多晶多相固体材料的电导,陶瓷材料通常为多晶多相材料，主要由,微晶相、玻璃相、气孔相,构成，三者决定陶瓷材料电导率大小。,微晶相、玻璃相的电导率较高，间隙或缺陷固溶体电导率增加。,晶界气孔对多晶材料电导的影响：, 离子和电子的自由程都很短，电子：,10-15nm,。晶界的散射效应远小于晶格，所以晶粒大小对电导率影响小, 小量气孔时，气孔增加，导电降低；大量气孔形成连续相时将吸附杂质、水和离子而影响电导，电导受气相控制,多晶多相陶瓷材料的其导电机理包括电子电导和离子电导，但很大程度上决定于电子电导。,原因：,杂质半束缚,电子,的离解能很小，易被激发，浓度随温度升高增加快。,电子或空穴的迁移率比离子迁移率大许多个数量级。,所以，绝缘陶瓷要严格控制烧成气氛，防止,金属阳离子还原，减小电子电导。,4.5.3,次级现象,（,1,）空间电荷效应：,施加电场时，正负,离子,分别向负正极移动，引起电介质内各点离子密度变化，使自由电荷在电极附近积累的现象。,电流吸收：充放电时电流随时间变化的现象。,电流吸收现象是在外电场作用下电介质内自由电荷重新分布的结果。,电流吸收现象主要发生在以离子电导为主的陶瓷材料中。,吸收电流,漏导电流,吸收电流,（,2,）电化学老化现象：,在电场作用下，由于化学变化引起材料电性能不可逆的恶化的现象。,电化学老化的原因：,离子在电极附近发生氧化还原反应,。,阳离子,阳离子电导,：晶相玻璃相中的一价正离子活动能力强，迁移率大；同时电极的,Ag,+,也能参与漏导。两种离子在阴极处都被电子中和，形成新物质。,阴离子,阳离子电导,：参加导电的正、负离子分别在阴、阳极被中和形成新物质。,电子,阳离子电导,：发生在在具有变价阳离子的介质中。如含钛陶瓷，除纯电子电导，阳离子,Ti,4+,发生电还原过程成为,Ti,3+,。,电子,阴离子电导,：如,TiO,2,在高温缺氧条件下，在阳极氧离子放出氧气和电子，在阴极,Ti,4+,被还原成,Ti,3+,。,陶瓷电化学老化的必要条件是,介质中的,离子,至少有一种,参加电导。,陶瓷材料：晶粒、晶界、气孔、玻璃相等是电导因素，主要考虑,晶粒和晶界：,4.5.4,固体材料电导混合法则,n,0,时，晶粒均匀分散在晶界中,陶瓷电导的对数混合法则：,n=-1,n=1,n,0,按电导率从大到小的顺序依次有：,导体、半导体和绝缘体,。导体的,1 S/m,，半导体的,=10,-6,10,2,S/m,，绝缘体的电导率,10,-6,S/m.,半导体材料：,=10,-4,10,10,cm,，对外界因素，如微量杂质、外加电场、磁场、光照、温度、压力及周围环境（湿度、气氛）改变或轻微改变晶格缺陷的密度非常敏感的材料。,半导体分为,本征,半导体和,杂质,半导体两类。,4.6,半导体材料,4.6.1,半导体概述,1,、本征半导体,纯材料,(,纯度高达,10,-10,),，半导体由固有的性质决定。,把由外部作用而改变半导体固有性质的半导体称为非本征半导体或杂质半导体。,主要的半导体器件为非本征半导体。,对于本征半导体，电子类载流子就是从价带激发到导带中的电子，相应地产生同样数目的空穴：,Ne,=,Nh,导带中的电子数,导带中的电子数是温度和电子有效质量的函数。,Eg,为导带底部的能量级，,E,F,为费米能，费米能代表,0K,时金属基态系统电子所占有的能级最高的能量，费米能级可以粗略地认为位于半导体的价带和导带的一半,(,禁带的中央,),。,本征半导体的能带结构,导电机理,：价电子受大于禁带宽度的能量激发后，可从价带跃到导带上，同时在价带中留下一个空穴。,n,型半导体,：将,VA,族元素如,Sb,、,As,、,P,等作为杂质掺入半导体中，掺杂浓度,l,，,越大，压敏特性越好。,C,难测定，常用,I=1mA,下施加的电压,V,来代替,C,值。,V,C,定义为压敏电阻器电压，其值为厚,lmm,试样流过,lmA,电流的电压值。,和,V,C,为描述压敏电阻器特性的参数。,ZnO,压敏电阻：,ZnO,及添加物,Bi,2,O,3,和,Pr,6,O,11,。压敏电阻器的结构及性能受生产过程中的烧成温度、烧成气氛、,冷却,速度等影响。,获得压敏特性的条件是要在空气中（氧化气氛下）烧成，缓慢冷却，使晶界充分氧化。,压敏机理的研究：,SEM,，,TEM,，,EDS,，,AES,等。,铋偏析,:,Zn,2+,Bi,3+,形成电子耗损层,晶界上具有负电荷吸附的受主能级，形成双肖特基势垒,正向电压；,电子耗尽层减薄,势垒降低。,压敏特性的机理：是陶瓷的一种,晶界效应,。,铋偏析,：,Bi,2,O,3,副成分相很少存在于两个晶粒间的晶界处，大部分存在于三晶粒所形成的晶界部位。,置换固溶,Zn,的位置在距晶界面,2 nm,的地方形成,电子耗损层,，晶界上具有,负电荷吸附,的受主能级，从而形成相对于晶界面对称的,双肖特基势垒,。电压到某一值以上，晶界面上所捕获的电子，由于隧道效应通过势垒，造成电流急剧增大，从而呈现出异常的非线性关系。,（,2,）,PTC,效应,温敏效应,BaTiO,3,半导体化有两种模式，即,价控型,和,还原型,。,价控型,是用半径同,Ba,2+,、,Ti,4+,相近，原子价不同的阳离子去置换固溶,Ba,2+,、,Ti,4+,位置，在氧化气氛中进行烧结，形成,n,型半导体，如形成,Ba,1-x,La,x,(Ti,1-2x,4+,Ti,x,3+,)O,3,。,还原型,即用高温还原法可使之半导体化，如形成,Ba(Ti,1-2x,4+,Ti,2x,3+,)O,3-x,。,PTC,现象,（正温度系数）,在材料的晶型转变点附近，电阻率随温度上升发生突变，增大了,3,4,个数量级。,PTC,现象是价控型半导体所特有的，是其最大的特征。单晶和还原型半导体都不具有此特性。,PTC,现象的机理,Heywang,理论,n,型半导体陶瓷的晶界上具有表面能级，可捕获载流子,产生电子耗损层，形成肖特基势垒，介电常数有关。,温度超过居里点时，,介电系数急剧减少，,势垒增高，,引起电阻率的急剧增加。,势垒高度,势垒半厚,PTC,现象的机理,Heywang,理论,n,型半导体陶瓷的晶界上具有表面能级,（,如晶格原子周期排列终止处所产生的达姆能级、晶格缺陷或表面吸附原子所形成的电子能级等,）,，此表面能级可以捕获载流子，从而在两边晶粒内产生一层,电子耗损层,，形成,肖特基势垒,。肖特基势垒的高度与介电常数有关。在铁电范围内，介电系数大，势垒低。当温度超过居里点，根据居里,外斯定律，材料的,介电系数急剧减少，势垒增高，,从而引起,电阻率的急剧增加,。,铁电体在居里温度以上的,遵循导里,外斯定律：,由,泊松方程,得到势垒高度为：,PTC,陶瓷的电阻率为：,铁电相,：,TT,C,，,就急剧减少,，,0,变大,，,就增高,。,PTC,陶瓷的应用,由,PTC,主要应用于,温度敏感元件,、,限流元件,以及,恒温发热体,等方面。,温度敏感元件,有两种类型。一是利用,PTC,电阻,温度特性，用于各种家用电器的过热报警器以及马达的过热保护；另一类是利用,PTC,静态特性的温度变化，主要用于液位计。,限电流元件,应用于电子电路的过流保护、彩电的自动消磁；近年来广泛应用于冰箱、空调机等的,马达启动,。,PTC,恒温发热元件,应用广泛。家用电器：由电子灭蚊器、电热水壶、电吹风、电饭锅等小功率发热元件发展到用于干燥机、暖风机房等的大功率蜂窝状发热元件。工业上：电烙铁、石油汽化发热元件、汽车冷启动恒温加热器等。,2,、表面效应,陶瓷气敏元件主要是利用半导体表面的气体吸附反应。利用表面,电导率变化,的信号来检测各种气体的存在和浓度,。,（,1,）半导体表面空间电荷的形成,半导体表面存在着各种表面能级,，,这些表面能级将作为施主或受主和半导体内部产生,电子授受,关系,。,当,表面能级低于半导体的费米能级,（,受主表面能级,）,时，从半导体内部俘获电子而带负电，内层带正电,，,在表面附近形成,表面空间电荷层,，这种电子的转移将持续到表面能级中电子的平均自由能与半导体内部的费米能级相等为止,。,耗尽层：表面附近的能带往上弯曲，空间电荷层中的电子浓度比内部小的空间电荷层。,n,型半导,体表面存,在,受主型,表面能级,时，平衡,状态下的,表面能带,图,根据表面能级所捕获的电荷和数量大小，可以形成,积累层、耗尽层、反型层,三种空间电荷层。,积累层,：,n,型半导体若发生,D,gas,D,ad,D,+,ad,吸,附反应，将形成积累层。空间电荷层中的多数载流子的浓度比内部大。积累层吸附：由气体吸附所形成的积累层状态。,耗尽层,：气体分子为受主时发生,A,gas,A,ad,A,-,ad,，吸附气体捕获内部电子而带负电，所形成的空间电荷层中的多数载流子浓度（,n,型为电子）比内部少。,反型层,：积累层中少数载流子浓度比内部小，耗尽层中少数载流子浓度比内部大，若电子大规模转移使之结果相反的空间电荷层。,半导体表面吸附气体时，半导体和吸附气体分子或分解后的基团之间由于电子的转移产生电荷的偏离。,如果吸附分子的电子亲和力,比半导体的功函数,W,大，则吸附分子从半导体捕获电子而带负电；若吸附分子的电离势,I,比半导体的电子亲和力,小，则吸附分子向半导体供给电子而带正电。,因此，,知道吸附分子（或基团）的,和,I,及半导体的,W,和,X,，那么就可以判断吸附状态和对电导率的影响,。,（,2,）半导体表面吸附气体时电导率的变化,通常，根据对电导率的影响来判断半导体的类型和吸附状态。,当,n,型半导体,（表面能级低于费米能级为受主能级，空间电荷层中的电子浓度比内部小）,负电吸附、,p,型半导体正电吸附时，表面均形成耗尽层，因此表面电导率减少而功函数增加。,当,n,型半导体正电吸附、,p,型半导体负电吸附时，表面均形成积累层，因此表面电导率增加。,半导体气敏元件的表面与空气接触时，氧常以,O,n-,的形式被吸附；随着温度的升高，吸附氧离子的形态变化情况为：,氧分子对,n,型和,p,型半导体都捕获电子而带负电（负电吸附）；,H,2,、,CO,及酒精等，往往产生正电吸附。,ZnO在温度200500,时，氧离子吸附为O,-,和,O,2-,，,半导体表面电导减少，电阻增加。,若此时,接触H,2,、CO等还原性气体，则与,之反应。,反应释放出电子。因而表面电导率增加。表面控制型气敏元件就是利用表面电导率变化的信号来检测各种气体的存在和浓度。,以厚度为,d,，宽度为,W,，电极间距离为,L,的半导体片状试样为例研究气体吸附电导率的变化。设空间电荷层宽度为,，在空间电荷层内宽为,x,处的电导率为,( x),，半导体内部电导率为,( b),时，试样的电导,G,为,样品厚度,样品宽度,电极间距,空间电荷层宽度,半导体内部电导率,由吸附电导引起的电导变化量,:,表面电导率：由载流子的电荷、浓度及迁移率的乘积表示。,n,型半导体气敏元件中正电荷吸附时电导率增加，负电荷吸附时电导率减少。,由半导体陶瓷气敏元件是一种多晶体，存在着晶粒之间的接触或颈部接合。半导体接触气体时，在晶粒表面形成空间电荷层。,当,n,型半导体晶粒发生负电荷吸附时，晶粒之间便形成势垒，阻止晶粒间的电子转移。势垒的高度因气体种类、浓度不同而异，从而使电导率随之改变。在空气中，氧的负电荷吸附结果，势垒高，电导率小。若接触可燃气体，则与吸附氧反应，负电荷吸附减少，势垒降低，电导率增加。,晶粒间颈部接合厚度的不同，对电导率的影响也不尽相同。,若颈部厚度很大，吸附气体和半导体之间的电子转移仅仅发生在相当于空间电荷层的表面层内，不影响内部的能带构造。,若颈部厚度小于空间电荷层的厚度，整个颈部厚度都直接参与和吸附气体之间的电子平衡，因而表现出吸附气体对颈部电导率较强的影响，即电导率变化最大。,半导体气敏元件,晶粒大小,、,接触部的形状,等对气敏元件的性能有很大影响。,3,、西贝克效应,温差电动势效应,（在具有温度梯度的样品两端会出现电压降。）,半导体材料的两端如果有温度差，那么在较高的温度区有更多的电子被激发到导带中去，但热电子趋向于扩散到较冷的区域。当这两种效应引起的化学势梯度和电场梯度相等且方向相反时，就达到稳定状态。多数载流子扩散到冷端，结果在半导体两端就产生温差电动势。,温差电动势系数：,温差电动势系数,的符号同载流子带电符号一致，测量,可判断半导体的类型（,p,型还是,n,型）。,若载流子和晶格极化作用较强，形成小极化子在很窄的能带内进行完全电子跃迁传导，则,V,A,可看作是单位体积内的有效阳离子数量，其值可达,10,28,m,-3,，而,A,值近似为零。,当半导体中存在一种类型的载流子，其浓度分布规律近似于玻尔兹曼函数分布时，,可表达为：,若载流子在宽能带内传导，,A,近似为,2,，可求载流子浓度。,由电导率,和载流子浓度,n,的测量值，根据电导率公式,=,ne,，可求出迁移率,值。,4.6.4,p-n,结,1,、,p-n,结势垒的形成,半导体中电子和空穴数目分别决定于费米能级与导带底和满带顶的距离。,n,型半导体在杂质激发的范围，电子数远多于空穴，因此,E,F,应在禁带的上半部，接近导带；而,P,型半导体空穴远多于电子，,E,F,将在禁带下部，接近于满带。,当,n,型半导体和,P,型半导体相接触时，或半导体内一部分为,n,型，另一部分为,P,型时，由于,n,型和,P,型费米能级不同，因而引起电子的流动，在接触面两侧形成正负电荷积累，产生一定的接触电势差。,接触电势差使,p,型相对于,n,型带负的电势,-,V,d,，在,p,区电子静电势能提高,e,V,d,，表现在,P,区整个电子能级向上移动,e,V,d,，恰好补偿,E,F,原来的差别，即使两边,E,F,拉平（热平衡状态）。能带弯曲处相当于,p-n,结的空间电荷区，其中存在强的电场，对,n,区电子或,p,区空穴来说，都是高度为,e,V,d,的一个势垒。,如果从具体载流子的平衡来看，势垒电场恰好能阻止密度大的,n,区电子向,p,区扩散；对空穴，由于电荷符号和电子相反，,p-n,结的势垒也正好阻止空穴由密度高的,p,区向密度低的,n,区扩散。假定考虑电子运动，那么在平衡状态下，,p,区极少量的电子由于势垒的降低而产生一定的电流（饱和电流,-I,0,）与,n,区电子由于势垒增高,eV,d,而产生的电流（扩散电流,I,d,）相互抵消。,扩散电流,I,d,：,2,、 偏压下的,p-n,结势垒和整流作用,如果在,p-n,结上外加偏置电压,V,，且,p,区接电压正极，,n,区接负极，即外加正偏压，则,p,区相对于,n,区的电势由无偏压时的,-,V,d,改变为,-,（,V,d,-V,），这时势垒高度为,e,（,V,d,-V,）， 能带图中势垒将降低。,在偏压下，势垒就不再能完全抵消电子和空穴的扩散作用，结果由电子所产生的净电流为,空穴所产生的净电流有类似的结果，因此，通过,P-n,结的总电流可以表达为,当,P-n,结上施加负偏压时，,p,区的电子和,n,区的空穴浓度都很低，仅流过极小的电流，这时的电流不能超过,-I,0,。,当负偏压继续增大时，能带弯曲变大，出现隧道效应。电流急剧增大，产生绝缘破坏，此时的电压称为反向击穿电压。,P-n,结的,V-I,特性如图,4-42,。,3,、 光生伏打效应,如果用能量比半导体禁带宽度还大的光照射P,-,n结，半导体吸收光能，电子从价带激发至导带，价带中产生空穴。P区的电子向n区移动，n区的空穴向P区移动，结果产生电荷积累，P区带正电，n区带负电，从而产生电位差。这和费米能级的弯曲相,对应。,若在,P-n,结两侧设置电极，与外电路相连就有电流通过。利用这种原理，可以将太阳能转换为电能，制造出太阳能电池或光检测器件。,例子：将,n,型半导体,CdS,烧结体上电析一层,P,型半导体,Cu,2,S,，,Cu,2,S,扩散在局部晶界上形成,P-n,结，从而增大,P-n,结的接触面积，提高光电流的收集效率，制得高效能的太阳能电池。,4.7.1,概述,1911,年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的直流电阻在,4.2K,时突然消失，首次观察到超导电性。,定义,：在一定的低温条件下，材料突然失去电阻的现象。,电阻率,超导材料,普通金属材料,温度，,K,处于零电阻的状态叫超导态,;,有超导态存在的导体叫超导体,.,4.7,超导体,正常态,:,有电阻,超导态：无电阻,1960,年代前：金属和金属间化合物,T,C,30K,1960,年代：发现氧化物超导体,1980,年代：,J.G.Bedorz,发现较宽温度的超导体，超导转变温度为,35K,，并因此得到诺贝尔奖。,1980-1990,年代为超导研究和发展的高峰时期，我国科学家对此也有突出贡献。到,1993,年，加压条件下超导转变温度达到,160k,。,Hg,系的铜氧化物 在高压条件下 可以达到,164K,（美籍华人朱经武做出来的）,超导研究史,超导体的发展,4.7.2,超导体的特征及特征值,一、特征：,(1),零电阻效应,:,在降低到某一温度时，物质的电阻率降为,0.,(2),完全抗磁性,:,施加外磁场样品内不出现净磁通量密度。,正常态,超导态,内,二、超导体的特征值,（,1,）临界温度,T,c,（,2,）临界磁场,H,c(,T,),（,3,）临界电流密度,J,c,（,4,）迈斯纳,(,Meissner,),效应,（,1,）,临界温度,Tc,:,电阻突然消失的温度,/,T,/K,T,c,=4.2K,Hg,超导态,正常态,电阻率与温度的关系,10,-6,0,（,2,）,临界磁场,H,c(,T,),T,H,超导态,H,c,正常态,Tc,0,超导电性可以被外加磁场所破坏。,