导电材料PPT讲稿.ppt
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1、导电材料第1页,共47页,编辑于2022年,星期日电导率无限大电导率106 s/m电导率10-7 104 s/m电导率 10-7 s/m第2页,共47页,编辑于2022年,星期日=RS/L :电阻率(electric resistivity);R :电阻(resistance);S :横截面面积。欧穆定律(ohms Law)的微分形式i=E i :电流密度:电导率(electric conductivity)E :电场强度=1/第3页,共47页,编辑于2022年,星期日导电功能材料按综合性质,功能与作用分类导电功能材料按综合性质,功能与作用分类 第一章的主要内容第4页,共47页,编辑于2022
2、年,星期日一、导体材料物质的三种状态:固体,液体,气体大多数不导电大多数导电反映固体的导电性能第5页,共47页,编辑于2022年,星期日各种材料在室温下的电阻率物质,材料电阻率r(m)电导率s(S/m)物质,材料电导率r(m)电导率s(S/m)金属金属 绝缘绝缘体体 Ag1.59 x 10-86.29 x 107 钻石1 x 10141 x 10-14 Cu1.67 x 10-85.99 x 107 石英3 x 10143.33 x 1015 Au2.35 x 10-84.26 x 107 钠钙玻璃109-101410-9-10-14 Al2.66 x 10-83.76 x 107 尼龙101
3、0-101310-10-10-13 W5.65 x 10-81.77 x 107 天然橡胶1013-101510-13-10-15 Fe9.71 x 10-81.03 x 107半半导导体体 Ce0.462.17 Si2.3 x 1034.35 x 10-4 GaAs4 x 1062.50 x 10-7 经常用到的导电材料是?为什么?第6页,共47页,编辑于2022年,星期日金属是由原子构成的点阵,每个原子的价电子是完全自由的不论是金属,还是非金属导体中电子的运动是在以导体空间点阵为周期的势场中运动,电子的势能是个周期函数,这就是能带理论。导体的周期势场和变化都比电子平均动能小,按量子力学,可
4、当作微扰来处理,这种理论称淮自由电子理论,导体中的电子可看作准自由电子,其运动规律可视为和自由电子相似,由量子力学导出的电导率公式仍和经典理论导出的公式形式上一样。电导率式为Conduction bandforbidden bandvalence band导体的导电机理这是个理想化的理论第7页,共47页,编辑于2022年,星期日 n nF F单位体积内处于费米能级的电子数;单位体积内处于费米能级的电子数;l l电子的平均自由路程;电子的平均自由路程;MMn n*电子的有效质量;电子的有效质量;E E*电子的有效电荷;电子的有效电荷;u uF F-费米能级电子的平均速度;费米能级电子的平均速度;
5、F F费米能级电子的迁移率;费米能级电子的迁移率;f f费米电子两次碰撞的平均时间;费米电子两次碰撞的平均时间;E E电场强度。电场强度。第8页,共47页,编辑于2022年,星期日第9页,共47页,编辑于2022年,星期日导体材料按化学成分主要有以下四种(1)金属材料,主要的导体材料 例如:Ag,Cu,Al(2)合金材料,例:Cu-X(X=Zn,Sn,Pb),Ni-Fe(3)无机非金属材料,例:C,ReO3,SnO2(4)高分子导体(polymeric conductor)例:聚乙炔(polyacetylene)Cu-Zn合金(Zn 20%以上,黄铜)随着含铅量的增加颜变浅,硬度增强优点:改善
6、机械强度,提高抗腐蚀性,控制磁性和热膨胀率,熔点变低发现:白川英橱等,2000年获诺贝尔奖 第10页,共47页,编辑于2022年,星期日金属导体材料主要用作电缆、电机、引线、布线、辐射屏蔽、电池、开关、传感器、信息传输、金属填充和接(触)点材料等。合金导体材料主要用作电阻材料和热电偶材料。非金属导体材料主要用作耐腐蚀导体、高温导电和导电填料。高分子导体材料只要用作锂电池的电极材料第11页,共47页,编辑于2022年,星期日Cu-Zn 2元状态图黄铜的强度与Zn量的关系第12页,共47页,编辑于2022年,星期日三、半导体材料半导体(semiconductor)的电子结构跟绝缘体相近,只是半导体
7、的能带要比绝缘体小,电子受热或光等能量容易被激发,同时产生空穴而形成传导。受激发的电子跃迁到导带中自由运动,变成传导电子空穴在价带中运动,变成传导正电荷载流子第13页,共47页,编辑于2022年,星期日2、半导体的分类、半导体的分类按化学成分分 可分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体:本征半导体(Intrinsic semiconductor)和杂质半导体(impurity semiconductor)。化合物半导体又可分为台金、化合物、陶瓷和有机高分子四种半导体。按掺杂原子的价电子数分 可分为施主型(电子型或n型)和受主型(空穴型或P型)。前者掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子,后者正好
8、相反。典型的半导体元素半导体 :化和物半导体:本征半导体纯的单体和化合物形成的半导体叫作本征半导体第14族元素13和15族的化和物 GaAs,GaP,GaN,InP12和16族的化和物 ZnS,ZnSe,ZnTe,GdTe,GdSe,HgS,HgSe,HgTe第14页,共47页,编辑于2022年,星期日导电机理导电机理半导体中价带上的电子借助于热,光,电,磁等方式激发到导带叫本征激发。满足本征激发的半导体叫本征半导体,它的导电载流子是由本征激发所形成的导带中的电子和价带中的空穴。通过载流子的运动来实现导电。电导率由电子运动和空穴运动两部分所构成按照量子力学的微扰处理,本征半导体的电导率为3、本
9、征半导体、本征半导体第15页,共47页,编辑于2022年,星期日本征半导体的电导率主要取决于温度、禁带宽度、电子和空穴迁移系数。第16页,共47页,编辑于2022年,星期日元素半导体和半金属的性质迁移率/cm2/(sV)材料熔点/禁带宽度/eV室温下电导率/(S/m)电子空穴晶体结构B20761.610-6六方晶体C40005.4710-1218001200金刚石结构Si14101.2065 x 10-141500450金刚石结构Ge9590.7852.239001900金刚石结构Sn2320.0814001200斜方晶P442220350As8141.23 x 1076560菱方晶体Sb63
10、00.13S1192.4Se2201.810-510.2六方晶体Te4520.310 39000.06六方晶体I1141.3本征半导体是高纯度、无缺陷的元素半导体,其杂质浓度小于十亿分之一。本征半导体材料的性质第17页,共47页,编辑于2022年,星期日本征半导体材料的应用本征半导体材料的应用因为本征半导体的载流子密度非常小,需要在高温下工作,故应用不多。实际应用的大多数为掺杂后非本征半导体,也叫杂质半导体。第18页,共47页,编辑于2022年,星期日杂质半导体的种类杂质半导体的种类按掺杂元素的价电子和纯元素价电子的不同而分类。一般是在14族元素中掺13族或15族元素。其分类为 n型半导体和p
11、型半导体。n型半导体n型半导体型半导体(电子型,施主型电子型,施主型)14族元素(C,Si,Ge,Sn)中掺以15族元素(P,As,Sb,Bi)后,造成掺杂元素的价电子多于纯元素的价电子其导电机理是电子导电占主导。p型半导体型半导体(空穴型,受主型空穴型,受主型)在14族元素掺以13族元素(如B)时,掺杂元素价电子少于纯元素的价电子,它们的原子间生成共价键以后,还缺一个电子,而在价带中产生逾量空穴:以空穴导电为主,掺杂元素是电子受主,这类半导体称p型或空穴型或受主型。p型半导体第19页,共47页,编辑于2022年,星期日EfEDeeeeee价带导带Egn型:逾量电子处于施主能级,施主能级与导带
12、底能级之差为Ed,而Ed大大小于禁带宽度Eg。因此,杂质电子比本征激发更容易激发到导带,而导带在通常温度下,电子激发到导带,Eg与Ed相差近二个数量级。p型:其逾量空穴处于受主能级。由于受主能级与价带顶端的能隙Ea远小于禁带宽度Eg,价带上的电子很易激发到受主能级,在价带中形成空穴导电。n型半导体EAEfe价带导带Egp型半导体第20页,共47页,编辑于2022年,星期日代表性的化合物半导体有II-VI(12-16)族半导体:ZnSe,CdS,ZnO,ZnSIII-V(13-15)族半导体:GaAs,InP,GaN,AlNIV(14)族化合物半导体:SiC,SiGe I-III-VI(11-1
13、3-16)族半年导体:CuInSe2化台物半导体化台物半导体因为两个以上的原子通过离子键组合,化合物半导体的种类繁多性质各异,有广阔的应用前景。化台物半导体最突出的特点是禁带和迁移率范围宽,禁带在(0.13-0.30 eV)。迁移率大的物质如GaAs,禁带宽的物质如GaN纤维锌矿(wurtzite)结构闪锌矿(sphalerite)结构N和C等轻原子组成的,如SiC,GaN为代表的半导体晶格常数小禁带宽等特征。晶格常数小的物质因原子间结合力强,有化学稳定性好,热传导和击穿电压高等特征。第21页,共47页,编辑于2022年,星期日迁移率/cm2/(sV)化合物熔点()Eg(eV)电子空穴III-
14、V 化合物AlAs16002.1AlP3200AlSb10601.55200420GaAs12801.358500400GaP13502.3511075GaSb7280.75000850InAs9420.3333000460InP10551.34600150InSb5250.17800001250II-VI化合物CdS17502.381460CdSe13501.74800CdTe11051.51050100HgS2.5250HgTe6000.0120000ZnS18503.61655ZnSe15002.68ZnTe12542.25100130闪锌矿(sphalerite)结构化合物的性质化合物
15、半导体的应用化合物半导体电子器件光器件高频器件高功率器件LEDLD手机MMIC电动汽车第22页,共47页,编辑于2022年,星期日非晶态半导体与晶态物质相比,非晶态物质的原子排列没有周期性单晶(single crystal)原子排列完全有规律多晶(polycrystalline)在一定范围里有规律非晶(amorphous)完全没有规律具有半导体特性的非晶态物质称为非晶态半导体晶态半导体因为,原子拥有周期的势能,能带的区别分明EfECEV非晶态半导体因为,原子没有周期性,能带变得模糊。第23页,共47页,编辑于2022年,星期日非晶半导体对杂质掺入不敏感,结构不具有敏感性。掺入杂质的正常化合价都
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