材料的电学性能.ppt

第二章 材料的电学性能 对固体电子能量结构、状态及其导电机理的认识，开始于对金属电子状态的认识。人们通常把这种认识大致分为三个阶段。 第一阶段是经典的自由电子学说，主要代表人物是德鲁特(Drude)和洛兹(Lorentz) 。 第二阶段是把量子力学的理论引入对金属电子状态的认识，称之为量子自由电子学说。 第三个阶段就是能带理论。能带理论是在量子自由电子学说基础上建立起来的，经过70多年的发展，成为解决导电问题的较好的近似理论，是半导体材料和器件发展的理论基础。 金属离子构成晶体点阵，其形成的电场是均匀的。 价电子与金属离子间没有相互作用，价电子构成的电子气在晶体点阵间作无规则的随机运动，称为自由电子。 在外加电场的作用下，自由电子沿电场方向做加速运动，形成电流。 自由电子与正离子之间的相互作用仅是机械碰撞，自由电子在定向运动过程中与正离子发生碰撞，产生电阻。 金属离子构成晶体点阵，其形成的电场是均匀的，势场为零。 价电子与金属离子间没有相互作用，可以在整个金属中自由运动。 内层电子保持单个原子时的能量状态。 自由电子的能量是量子化的，符合量子化的不连续性，有分立的能级(不同于经典电子理论). 金属离子构成晶体点阵，其形成的电场是不均匀的，呈周期性变化。 价电子不是自由的，受到正离子形成的周期性势场和其他电子平均势场的影响。 电子运动以电子波的形式传播 共有化运动——在晶体结构中，大量的原子按一定的周期有规则的排列在空间构成一定形式的晶格。如果原子是紧密堆积的，原子间间距很小。晶体中原子能级上的电子不完全局限在某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，结果电子可以在整个晶体中运动。 电子共有化的原因：电子壳层有一定的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳层交叠较少。 。 能带顶部附近的E(k )与k的关系 拉应力使原子间距增大，点阵动畸变增大，因而使电阻率上升； 压应力使原子间距减小，点阵动畸变减小，因而使电阻率下降。 冷塑性变形使金属的电阻率增大。 冷塑性变形使晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，特别是空位浓度的增加，造成点阵电场的不均匀而加剧对电子散射的结果。 冷塑性变形使原子间距有所改变，也会对电阻率增加。 退火可以显著降低点缺陷浓度，电子散射几率降低，电阻率降低。 淬火可以保留高温时的缺陷，使金属的电阻率升高。 形成固溶体时合金的电导率降低，电阻率增高。 主要原因是溶质原子的溶入引起溶剂点阵的畸变，增加了电子的散射，使电阻增大。同时由于组元间化学相互作用的加强使有效电子数减少，也会造成电阻率的增长。 化合物和中间相的电阻率 当两种金属原子形成化合物时，金属键部分转化为共价键或离子键，有效电子数降低，电导率下降，从而电阻率要比纯组元的电阻率高很多。 + N个原子逐渐靠近 能带（允带）——固体中若有N个原子，每个原子内的电子有相同的分立的能级，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在，从而只能分裂成N个非常靠近的能级，因为能量差甚小，可看成能量连续的区域，称为能带。 禁带——允带之间没有能级的带。 有关能带被占据情况的几个名词： 价带（满带）： 填满电子的最高允带。 导带：价带以上能量最低的允带。导带中的电子 是自由的，在外电场作用下可以导电。 3.能带理论对导电现象的解释 （1）满带电子不导电 假设: 电子填充的一维能带(见图) E=0: 满带中均匀分布的量子都被电 子所充填，是对称的能量k图。 E≠0: 各电子均受到相同的电场 力，在电场力的作用下，电子开始加速运动。一个点子离开自己的位置，邻近的电子开始填充的空位上，但由于是满带。 E E=0 k E E ≠ 0 k E E≠0 k 由于满带 对于整个满带来说：因为所有的量子态都被填充，外电场作用下，总的电流为0 k状态的电子电流密度：j=e×v(k) -k状态的电子电流密度：j=e×v(-k) k和－k态：电子具有大小相同但方向相反的速度 如果导带中有电子, E=0，能量图中，电子的K态是对称的。 E≠0，电场作用下，电子迁移，最终形成不对称的电子能量k图 E k k E k E E=0 E≠0 因此只有不是满带（导带）中的电子才能在电场作用下导电 （2） 导体、半导体和绝缘体 它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。 固体按导电性能的高低可以分为 导体 半导体 绝缘体 导体能带结构 ?Eg 价带 导带 价带 导带 价带 导带 导带部分填满 没有禁带 导带价带重叠 导体 在外电场的作用下，大量共有化电子很