《功能材料概论》课件

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1、第二章电功能材料半导体材料超导体材料电接点（触头）材料以特殊的电学性能或各种电效应作为主要性能指标的一类材料。半导体材料超导材料电接点（触头）材料导电材料的分类按导电机理可分为：电子导电材料和离子导电材料两大类。电子导电材料包括导体、超导体和半导体：半导体10-710-610-510-410-310-210-1100101102103104105106电导率σS/m绝缘体导体超导体：σ→∞离子导电材料的导电机理源于离子的运动，由于离子的运动速度远小于电子的运动速度，因此其电导率较小，目前最高不超过102S/m，一般在100S/m以下。导体电阻率公式电阻率公式：ρi取决

2、于晶格缺陷的多少，缺陷越多，ρi越大，一般与温度无关；ρT取决于晶格的热振动。电阻率随着温度升高而升高，这是导体的一个特征。导体材料的种类导体材料按照化学成分主要有以下三种：（1）金属材料。电导率在107~108S/m之间；银（6.63×107S/m）、铜（5.85×107S/m）和铝（3.45×107S/m）（2）合金材料。电导率在105~107S/m之间；黄铜（1.60×107S/m），镍铬合金（9.30×105S/m）（3）无机非金属材料。电导率在105~108S/m之间。石墨在基晶方向为2.5×106S/m。导体材料的应用金属导体材料主要用作：电缆材料、电机材

3、料、导电引线材料、导体布线材料、辐射屏蔽材料、电池材料、开关材料、传感器材料、信息传输材料、释放静电材料和接点材料等，还可以作成各种金属填充材料和金属复合材料。合金导体材料主要用作电阻材料和热电偶材料，如铂铑-铂热电偶等。非金属导体材料主要用作耐腐蚀导体和导电填料。2.1半导体材料导电性能介于金属和绝缘体之间;（σ＝10-7～104）具有负的电阻温度系数。（导体具有正的电阻温度系数）(一)基本概念当大量原子结合成晶体时（如，1019个原子大约可形成1mm3的晶体),由于相邻原子电子云相互交叠，对应于孤立原子中的每一能级都将分裂成有一定能量宽度的能带。（1）能带Ener

4、gyBand一、半导体的能带结构电子数量增加时能级扩展成能带(2)带隙BandGap能带之间的区域（3）禁带ForbiddenBand带隙不存在电子的能级（4）价带ValenceBand对应价电子能级的能带(5)空带EmptyGap价带上面的能带（6）导带ConductionBand最靠近价带的空带（7）满带FilledBand价带被电子填满导体的能带中都有末被填满的价带，在外电场的作用下，电子可由价带跃迁到导带，从而形成电流。绝缘体的能带结构是满带与导带之间被一个较宽的禁带所隔开，在常温下几乎很少有电子可以被激发越过禁带，因此其电导率很低。钠的能带结构导带禁带半导体

5、能带结构下面是价带，其价带是充满了电子，因此是一个满价带。上面是导带，而导带是空的。满价带和空导带之间是禁带，其禁带宽度比较窄，一般在1ev左右。价带中的电子受能量激发后，如果激发能大于Eg，电子可以从价带跃迁到导带上，同时在价带中留下一个空的能级位置--空穴。(二)、半导体的导电机理半导体价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中，跃迁电子可在导带中自由运动，传导电子的负电荷。同时，在满价带中留下空穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可按电子运动相反的方向运动而传导正电荷。因此，半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。二、典型半导体材料及其应

6、用(一)、元素半导体高纯度、无缺陷的元素半导体。杂质浓度小于10-9在本征半导体中有意加入少量的杂质元素，以控制电导率，形成杂质半导体。元素半导体在元素周期表中介于金属和非金属之间具有半导体性质的元素有十二种，但是其中具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其是硅材料由于具有许多优良持性，绝大多数半导体器件都是用硅材料制作的。本征半导体广泛研究的元素是Si、Ge和金刚石。金刚石可看作是碳元素半导体，它的性质是1952年由Guster发现的。除了硅、锗、金刚石外，其余的半导体元素一般不单独使用。因为本征半导体单位体

7、积内载流子数目比较少，需要在高温下工作电导率才大，故应用不多。1、本征半导体2、杂质半导体利用将杂质元素掺入纯元素中，把电子从杂质能级（带）激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上，从而在价带中产生空穴的激发叫非本征激发或杂质激发。这种半导体叫杂质半导体。杂质半导体本身也存在本征激发，一般杂质半导体中掺杂杂质的浓度很低，如十亿分之一就可达到目的。掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子，又称施主型半导体掺杂原子的价电子少于纯元素的价电子，又称受主型半导体2、杂质半导体n型半导体（电子型，施主型）ⅣA族元素(C、Si、Ge、Sn)中掺入以VA族元素(P、