第3章 电性材料.ppt

第三章 电性材料 导体、半导体和绝缘体材料 超导材料 铁电、压电、热释电和介电材料 3.1 导体、半导体和绝缘体材料 导体的电阻率 10-5 ~ 10-4Ω·cm 半导体的电阻率 10-4 ~ 1010Ω·cm 绝缘体的电阻率 1010 ~ 1014Ω·cm 3.1.1导体、半导体和绝缘体的区别——能带理论 能级：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。 允许带：允许被电子占据的能带称为允许带，原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。 价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。 导带：价带以上能量的最低的允许带称为导带。 满带：被电子占满的允许带称为满带； 空带：每一个能级上都没有电子的能带称为空带。 禁带：允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。导带的底能级为Ec，价带的顶能级为Ev， Ec和Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。 3.1.2 导体、半导体和绝缘体区别的能带论解释 导体的能带结构： 3.1.3 导体材料 金属：如银、铜、铝等； 可用作电缆材料，电池材料，电机材料，开关材料，辐射屏蔽材料，传感器材料等； 合金：如黄铜、镍铬合金等； 可用作电阻材料和热电偶材料； 非金属：如石墨、C3K、 C24S6等； 可用作耐腐蚀导体和导电填料等。 3.1.4 半导体材料 硅和锗——第一代半导体材料 相同点：具有灰色、金属光泽的固体，硬而脆，金刚石结构，间接带隙半导体材料. 不同点： 硅 锗 室温本征电阻率 2.3×105Ω·cm 50Ω·cm 禁带宽度 1.12 eV 0.66 eV 锗比硅的金属性更为显著 硅、锗都溶解于HF-HNO3混合酸。 砷化镓——第二代半导体材料 特点： 化合物半导体，晶体结构是闪锌矿型， 禁带宽度为1.43 eV 容易制成半绝缘材料(电阻率107 ~ 109Ω·cm) 本征载流子浓度低 光电特性好 耐热、抗辐射性能好和对磁场敏感 用途： 光电材料，适合于制造高频、高速的器件和电路，发光二极管、场效应晶体管等。 氮化镓——第三代半导体材料 氮化镓及其相关氮化物材料： 是指元素周期表中ⅢA族元素铝、镓、铟和Ⅴ族元素氮形成的化合物(AlN、GaN、InN，)以及由它们组成的多元合金材料(InxGa1-xN，AlxGa1-xN）等。 有机半导体材料及其应用 特点： 是分子型晶体材料，其特征由材料的分子性质决定。有机半导体没有三维晶体点阵，而且它们的分子内和分子间的相互作用、局域结构无序、非晶和结晶区域以及化学杂质也不同，复杂。 用途： 太阳能电池 （酞菁、二酞菁以及某些聚合物如聚乙炔的衍生物等） 光电二极管 （有机／无机材料异质结结构） 有机半导体电容 3.3 铁电、压电、热释电和介电材料 极化 ： 在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化。 自发极化：在没有外电场作用时，铁电晶体或铁电陶瓷中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为自发极化。 热电体： 因为原子的构型是温度的函数，所以极化状态将随温度发生变化。这种性质称为热电性。热电性是所有呈现自发极化的晶体的共性。具有热电性的晶体称为热电体。 铁电体： 存在自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下，其取向可以改变。 压电体： 压电效应是指材料在外力作用下发生极化而在材料两端的表面上出现电位差的效应。具有压电性质的材料称为压电 材料 3.3.1 铁电材料 铁电材料： 是指在某些温度范围内具有自发极化，且其自发极化强度能因外电场的作用而重新取向的材料，通常铁电体同时具有热释电和压电性。铁电体的标识性特征是其电极化与外电场的关系表现为电滞回线。 3.3.2 压电材料 压电效应： 1880年Cuire Pierr和Curie jacques兄弟在实验中发现，当在某些特定方向上对α-石英晶体施加压力时，在与力方向垂直的两个平面内分别出现正负束缚电荷。这种现象称为压电性。这种由机械能转换成电能的过程称为正压电效应。反之，如果把电场加