武汉理工-材料物理学课件6

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第5章 导电物理 5.1概述 2个学时5.2材料的导电性能 2个学时 个学时5.3金属电导 45.4半导体物理 10个学时5.5 超导物理 4个学时 15.2材料的导电性能 5.2.1能带结构5.2.3导电材料与电阻材料 5.2.4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。泡利(Pauli)不相容原理指出,每个能级只能容纳2个电子。 3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个电子占据相同的能级。当这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。 4图5.1电子数量增加时能级扩展成能带 5 导带 禁带 6图5.2钠的能带结构 由于钠只有1个3s电子,所以在3s价带上,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。 7图5.3能带中电子随温度升高而进行能级跃迁(a)绝对零度时,所有外层电子占据低的能级;(b)温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级8 镁原子的核外电子结构为1s22s22p63s2。像镁这样的周期表ⅡA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。 9能带重叠现象 图5.4镁的能带结构 10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。 11周期表ⅣA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。 12图5.5金刚石中碳的能带结构 13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。 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10-13Ω-1·cm-1,温度升到800℃时则为10-4Ω-1·cm-1。 14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。 15 表5.2一些材料的禁带宽度Eg(eV)材料 禁带宽度 InAs 0.36 Eg 锐钛矿C(金刚石) 5.48 TiO2( ) 3.2Si 1.12 ZnO 3.2Ge 0.67 In2O3 2.5Sn(灰锡) 0.08 SrTiO3 3.2GaAs 1.35 ZrO2 5.0 165.2.3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。 17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。 18电热合金的使用温度非常高。对于使用温度为900~1350℃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。 195.2.4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。 20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。 21 第5章 导电物理 5.1概述 2个学时5.2材料的导电性能 2个学时 个学时5.3金属电导 45.4半导体物理 10个学时5.5 超导物理 4个学时 15.2材料的导电性能 5.2.1能带结构5.2.3导电材料与电阻材料 5.2.4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。泡利(Pauli)不相容原理指出,每个能级只能容纳2个电子。 3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个电子占据相同的能级。当这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。 4图5.1电子数量增加时能级扩展成能带 5 导带 禁带 6图5.2钠的能带结构 由于钠只有1个3s电子,所以在3s价带上,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。 7图5.3能带中电子随温度升高而进行能级跃迁(a)绝对零度时,所有外层电子占据低的能级;(b)温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级8 镁原子的核外电子结构为1s22s22p63s2。像镁这样的周期表ⅡA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。 9能带重叠现象 图5.4镁的能带结构 10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
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