《电性材料》PPT课件

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1、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·cm3.1.1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。原子结构示意图能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，从而导致离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻

2、原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。电子的共有化使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。H+HH2金属中电子的共有化允许带：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

3、间隔称为禁带Eg。体块硅的能带示意图GaN能带图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：价带部分填入价带被填满绝缘体的能带结构：价带为满带，禁带较宽ΔEg≈3～6eV半导体的能带结构：价带为满带，禁带宽度ΔEg≈0～2eV载流子：导体和半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体的载流子是自由电子；半导体的载流子是带负电的电子和带正电的空穴。Electronconductioninn-typesemiconductors(andmetals)e-e-e-e-(-)(+)Holeconductioninp-typesemicon

4、ductor(+)(-)e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-SemiconductorElectron/HoleConductivity本征半导体：是指不含杂质的半导体；通常由于载流子数目有限，导电性能不好。N型半导体：在本征半导体中掺入5价元素，载流子多数为电子。杂质能级—施主能级P型半导体：在本征半导体中掺入3价元素，载流子多数为空穴。杂质能级—受主能级不同的材料，由于禁带宽度不同，导带中的电子数目不同，从而有不同的导电性。本征半导体，n型半导体，p型半导体PN结(PN-junction)pnConductionBandConductionBandValenceB

5、andValenceBandelectronsholesBandgapBandgapEFpEFnpnConductionBandConductionBandValenceBandValenceBandelectronsholesBandgapBandgapelectronsEFp=EFn3.1.3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半导体材料无机半导体有机半导体元素半导体化合物半导体本征半导体杂

6、质半导体半导体材料（按结构形态）晶态半导体非晶态半导体半导体材料（按化学成份）非晶单晶多晶硅和锗——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·cm50Ω·cm禁带宽度1.12eV0.66eV锗比硅的金属性更为显著硅、锗都溶解于HF-HNO3混合酸。GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。一、本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键中的两

7、个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。