材料化学的理论基础培训教程.pptx

材料化学的理论基础第二部分;材料按电性能分类:;导 体 纯金属的电阻率在10?8 ～ 10?7 ??m 金属合金的电阻率为10?7 ~ 10?5 ??m 半导体 电阻率为10?3 ~ 10+5 ??m 绝缘体 电阻率为10+9 ~ 10+17 ??m;我们从金属开始;2.3.1 金属电子论概念;特鲁德模型;孤立原子示意图;特鲁德模型认为：这些传导电子构成自由电子气系统，可以用运动学理论进行处理;特鲁德模型的基本假设 I;特鲁德模型的基本假设 II;特鲁德模型的基本假设 III;特鲁德模型的基本假设 IV;特鲁德模型的应用举例 金属的直流电导;特鲁德模型可以很好地解释欧姆定律，此外，在解释金属热导与电导之间的联系、金属电子的驰豫时间和平均自由程等方面也取得了成功。 但是，特鲁德模型在解释金属的比热、磁化率等方面则出现了困难。;2.3.2. 索末菲理论;2.3.3. 能带理论;;;能带的填充与导电性;在导体中，除去满带和空带外，存在有不满带。一部分价电子在不满带中，这样的能带称为导带。导带以下的第一个满带称为价带。 在半导体中，0K 下能带的填充情况与绝缘体是相同的，差别仅在于禁带的宽度。由于禁带宽度比较小，半导体可以依靠热激发，把满带上的电子激发到本来是空的能带，从而具备了导电能力。 在半导体中，少数电子受热或光的激发从满带跃迁到空带中，原来的满带就变成了近满带，出现了空穴。在外电场作用下，空穴也会发生定向迁移，从而导电。;导体、半导体和绝缘体的比较 ;金刚石、硅和锗的对比;2.3.4 本征半导体;禁带宽度;禁带宽度可以用实验方法测定;于是，本征半导体的电导率可以写成; 键的离子性越强的化合物禁带越宽；因此半导体多以共价键方式结合，大多数离子晶体都不是半导体。;硅和锗是两类十分重要的元素半导体;其中C表示金刚石。 C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态; B、Si、Ge、Te具有半导性； Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。 P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。 As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。 因此这些元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。 ;锗;硅; 单晶硅是产量最大、应用最广的半导体材料。具有良好的热导率和高温力学性能、优异的半导体性质，可以稳定地制备大直径无位错的单晶。世界上几乎所有的集成电路都是单晶硅制成的，而且集成电路用硅占单晶硅整个用量的 80% 以上。此外，绝大多数的电力电子器件 (可控硅、整流器等)、功率晶体管都是单晶硅制成的。;; 砷化镓具有闪锌矿结构。也就是和硅、锗具有相似的结构。 优点：工作温度较高，承受的电压较大，可以在更高的频率下工作，有较好的抗辐射能力等 缺点：提纯和制备 GaAs 单晶比硅困难得多，GaAs 的寿命也比较短。 GaAs目前只用于 一些特殊的场合。;闪锌矿结构---面心立方结构;化合物半导体;什么材料可能成为半导体？; 从化学角度寻找半导体可以应用 Mooser 和Pearson 提出的一个经验公式，满足了这个经验的化合物都可能是半导体。;再来看一看砷化镓;实际测试表明：与元素半导体不同，GaAs中电子沿键的分布是不对称的，偏向电负性较高的 As 原子。每个 As 原子获得 ?0.46e 的净电荷，而每个 Ga 原子则带 0.46e 的正电荷，从而构成了极性键???使得GaAs 既有共价键成分，又有离子键成分。;其它 IIIA ~ VA 族化合物半导体的结构特征与 GaAs 类似，只不过每个原子的有效电荷数有所不同。 IIB ~ VIA 族元素组成的化合物半导体大部分也是闪锌矿结构，仍然以共价键为主，但其电荷转移量比 IIIA ~ VA 族大，因此离子键成分更多。;大多数半导体材料都具有基于阴离子密堆排列的结构，阳离子占据了四面体空隙。 在阴离子密堆点阵中，阳离子如果占据的是八面体空隙，晶体的键合特征就不再是共价键为主，而是具有金属键或离子键。这样结构的材料一般就不可能成为半导体了。;除了金刚石结构和闪锌矿结构的半导体外，半导体也可能为其它的结构。 纤锌矿结构的半导体：BN, AlN, GaN, InN, ZnO, CdS, ZnS, HgS, CdSe ;半导体的性能是由导带中的电子数和价带中的空穴数决定的 电子和空穴可以借助于热、电、磁等形式的能量激发产生，称为本征激发；相应形成本征半导体 电子和空穴也可以借助于引进杂质元素而激发，称为非本征激发；相应形成非本征