材料的导电性能ppt课件

3.2 能带结构及导电材料,第3章 导电物理,1,3.2.1 能带结构,3.2.2 导电材料与电阻材料,3.2.3 其他材料的导电性能,2,根据原子结构理论，每个电子都占有一个分立的能级。 Pauli不相容原理，每个能级只能容纳2个电子,电子填充能带的原则：,2、首先填充能量最小的状态,1、泡利不相容原理：不能有两个电子处于完全相同的量子态,3,能带结构：,能量,能带,能带,禁带,平衡间距,原子间距,能级,能级,孤立原子的能级,考察 N 个相同原子组成的固体 ：,原子距离很大（无相互作用、孤立原子）时：,每个原子的能级构造相同；系统的能级相当于 N 度简并的孤立原子能级。,原子相互靠近结合成晶体（原子间有相互作用） ：,电子除受自身原子的作用外，还受周围原子势场的作用,系统的电子能态结构：,N 度简并的能级,N 个彼此相距很近的能级，展宽为能带,固体电子能带的形成,4,能级分裂的原因：电子波函数叠合、相互作用的结果,能级分裂：,从价电子到内层电子。,能量,能带,能带,禁带,平衡间距,原子间距,能级,能级,孤立原子的能级,内层能级只有原子非常接近时才发生分裂，即使分成能带、能带也很窄,固体电子能带结构：,原子间处于平衡间距时的能带结构,电子填充能带的原则：,2、首先填充能量最小的状态,1、泡利不相容原理：不能有两个电子处于完全相同的量子态,形象电子图,5,电子数量增加时能级扩展成能带,举例，一个原子到N个原子的2s轨道变迁：,6,当N个原子相互靠近形成一个固体时，泡利不相容原理仍然成立，即在整个固体中，也只能有2个电子占据相同的2s能级。 当两个原子的距离足够近时，它们的2s轨道的电子就会相互作用，以致不能再维持在相同的能级。 当固体中有N个原子，这N个原子的2s轨道的电子都会相互影响。这时就必须出现N个不同的分立能级来安排所有这些2s轨道的电子（这些电子共有2N个）。 2s轨道的N个分立的能级组合在一起，成为2s的能带。,举例，一个原子到N个原子的2s轨道变迁：,7,孤立原子的能量较高的空能级，原子结合成晶体、形成的能带后仍是空着的,（一）金属的电子能带结构,钠原子的电子结构：,满电子能级,钠晶体的与之相应能带也是全满带,与之相应能带是半满带,8,钠的能带结构： 能级分布取决于原子之间的距离,9,钠只有1个3s电子，在3s价带只有一半的能级被电子所占据。自然，这些被电子占据的能级应该是能量较低的能级，而3s价带中能量较高的处于上方的能级很少有电子占据。 当温度为绝对零度时，只有下面一半的能级被电子占据，上面一半的能级没有电子占据。能带中有一半的能级被电子占据的能级称为费密能级。而当温度大于绝对零度时，有一些电子获得了能量，跳到价带里的较高能级，而在相对应的较低的能级上失去了电子，产生了相同数量的空穴。,钠的能带结构,10,图 ：能带中电子随温度升高而进行能级跃迁 绝对零度时,所有外层电子占据低的能级; 温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级,这些激发电子和空穴都是携带电荷的载流子,11,能带的交叠现象：,Mg 金属电子能带,3s,3p,镁原子的电子结构：,满电子能级,镁晶体的与之相应能带也是全满带,与之相应能带是空带,镁晶体的 3s 与 3p 能带存在交叠,12,能带重叠现象,Mg的能带结构,13,镁原子的核外电子结构为1s22s22p63s2。像镁这样的周期表A族元素的最外层3s轨道有2个电子，所以按理说它的3s能带就会被电子全部占满。 但是，由于固体镁的3p能带与3s能带有重叠，这种重叠使得电子能够激发到3s和3p的重叠能带里的高能级，所以镁具有导电性。,Mg的能带结构,14,铝原子的电子结构：,满电子能级,与之相应能带仅部分填充,Al 金属电子能带,3p,3s,铝晶体的与之相应能带也是全满带,能带与 能带存在交叠,15,过渡族金属的电子结构,16,从钪到镍的过渡族金属中，未被电子充满的3d能带和4s能带发生重叠。这种重叠使得电子能够被激发到高能量的能级。 能带之间的复杂的相互作用使得这些金属的导电性不够理想。 但铜是一个例外。铜中的内层3d能带已经被电子充满，这些电子被原子紧紧束缚，不能与4s能带相互作用。由于铜中的3d能带和4s能带之间基本没有相互作用，所以铜的导电性非常好。银和金的情况与铜类似。,17,极小的能量即可激发费米能级附近的价电子成为自由电子,金属是良导体,并非说有价电子都能参与导电、只有被激发到费米能级以上的电子（自由电子）才能导电,金属中自由电子的数密度：,金属的能带结构特征：,存在未满的价带或存在价带和其上的空带交叠,被价电子占据的最高能级上存在许多空能级,最高能级：,费米能级( Fermi level ), Ef,18,周期表A族元素，如 C：1S22S22P2 Si：1S22S22P63S23P2,Si 单晶：,杂化,分裂成两个各包含 4N 个能级的能带：,价带导带,4N 个价电子恰好填满价带，导带全空,非金属类-杂化能带结构：,19,周期表A族元素，如碳、硅、锗、锡，在最外层p轨道有2个电子，化合价为4。根据前面的讨论，因为这些元素的p能带没有被电子充满，似乎应该具有良好的导电性。 但实际情况却不是这样。这些元素都是以共价键结合的，最外层的s能带电子和p能带电子都被原子紧紧束缚。共价键使能带结构发生比较复杂的变化，即杂化现象。,20,金刚石中碳的能带结构,金刚石中的碳原子的2s和2p能级可以容纳8个电子，但实际上只有4个电子可用。当碳原子形成固体金刚石时，2s和2p能级相互作用，形成如图的2个杂化能带。 每个杂化能带都能容纳4N个电子，但是由于一共只有4N个电子，所以较低的杂化能带（价带）充满了电子，而较高的杂化能带（导带）则没有一个电子。,21,在金刚石的价带和导带之间有一个较大的禁带Eg。很少有电子具有足够的能量，能够从价带跃迁到导带去。所以金刚石的电导率很低。其他共价键和离子键材料也有类似的杂化能带结构，导电性都像绝缘体一样。,提高温度或者施加高电压，可以使价带的电子获得能量，跃迁到导带。例如，氮化硼的室温的电导率为10-13-1cm-1，温度升到800时则为10-4-1cm-1。,22,（二）半导体和绝缘体的能带结构,禁带,禁带,导带,价带,价带,导带,EC,EV,Eg,绝缘体,半导体,能带结构特征：,被电子填满的价带与未被电子填充的空带（导带）间没有交叠，价带和导带间被禁带隔开,禁带宽度：,23,绝缘体的禁带宽度：,常温下价电子几乎不能被激发到导带,价带电子必须获得 ，才能从价带被激发到导带、参与导电,激发前,激发后,绝缘体不导电,半导体的禁带宽度：,常温下具有一定的导电性,导带中电子数密度,24,虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似，但这些材料的禁带宽度Eg 较小。实际上，锡的禁带宽度小得使它具有类似导体的导电性。而禁带宽度Eg稍大一点的锗和硅成了典型的半导体。,绝缘体的能带结构与半导体相似，价带上都排满了电子，而导带上则没有电子。不同之处在于，许多半导体的禁带宽度为 0.4 0.5 eV，而绝缘体的禁带宽度则为 4 5 eV。不过，并没有一个严格的禁带宽度数值以截然区别半导体和绝缘体。,25,表2 一些材料的禁带宽度Eg（eV）,26,27,导体、半导体和绝缘体的区别-能带角度解释,它们的导电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。,晶体按导电性能的高低可以分为,导体,半导体,绝缘体,总结：,27,金属、半导体和绝缘体的能带结构,28,3.2.2 导电材料与电阻材料,导电材料是以传送电流为主要目的的材料。对于像电力工业这样的强电应用的导电材料，主要有铜、铝及其合金。 而像电子工业这样的弱电应用的导电材料则除了铜、铝之外，还常用金、银等。,29,电阻材料的主要目的是给电路提供一定的电阻。作为精密电阻材料的以铜镍合金为代表，如康铜（Cu-40%Ni-1.5%Mn）。铜镍合金的电阻率随着成分的变化而连续变化，在含镍为40wt%左右具有最大的电阻率、最小的温度系数、最大的热电势。,30,电热合金的使用温度非常高。对于使用温度为9001350的电热合金，常用镍铬合金。当使用温度更高时，一般的电热合金不是会发生熔化，就是会发生氧化。此时需要采用陶瓷电热材料。常见的陶瓷电热材料有碳化硅（SiC）、二硅化钼（MoSi2）、铬酸镧（LaCrO3）和二氧化锡（SnO2）等。,31,3.2.3 其他材料的导电性能,离子材料中的导电性往往需要通过离子的迁移来实现，因为这类材料中的禁带宽度较大，电子难以跃迁到导带。所以大多数的离子材料是绝缘体。 如果在离子材料中引入杂质或空位，能够促进离子的扩散，改善材料的导电性。当然，高温也能促进离子扩散，进而改善导电性。 大多数的陶瓷和高分子材料的导电性都是很低的，只有少数特殊的除外。,32,高分子材料中的电子都是共价键结合的，所以高分子材料的禁带宽度都非常大，电导率也非常低。因此高分子材料常用作绝缘体。有时，低电导率也会对材料造成损害。 解决这些问题的方法有两种，一是在高分子材料中引入添加剂，改善材料的导电性，二是开发本身就具有导电性的高分子材料。 添加离子化合物可以减少高分子的电阻。这些离子会迁移到高分子材料的表面而吸附潮气，进而消除静电。也可以通过添加碳黑等导电性聚合物来减少高分子材料的静电。,33,