第一章 导 电 材 料
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第一章 导 电 材 料. 第一章 导电材料. 导电材料的分类. 导电材料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。导体的电导率≥ 105 S/m ，超导体的电导率为无限大（在温度小于临界温度时），半导体的电导率为 10-7~104 S/m 。当材料的电导率小于 10-7S/m 时，就认为该材料基本上不能导电，而称为绝缘体。. 导体、超导体、半导体和绝缘体的区别不仅是电导率的大小，它们的能带结构和导电机理也有很大的不同。. 电子导电材料的导电起源于电子的运动。 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
第一章 导 电 材 料
第一章 导电材料导电材料的分类
导电材料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。导体的电导率≥ 105 S/m ，超导体的电导率为无限大（在温度小于临界温度时），半导体的电导率为 10-7~104 S/m 。当材料的电导率小于 10-7S/m 时，就认为该材料基本上不能导电，而称为绝缘体。
导体、超导体、半导体和绝缘体的区别不仅是电导率的大小，它们的能带结构和导电机理也有很大的不同。
电子导电材料的导电起源于电子的运动。
离子导电材料的导电机理则主要是起源于离子
的运动。由于离子的运动速度远小于电子的运
动速度，因此其电导率也远小于电子导电材料
的电导率。
一、导体的能带结构
导体的能带结构有三种：（ a ）有未充满的能带，能带间相互重叠，无禁带；（ b ）价电子充满下面的能带，上面紧接着另一个空能带，无禁带；（ c ）有未充满的能带，该能带与上面的空带间有禁带。不论何种结构，导体中均存在电子运动的通道即导带。（ a ）类的导带由未满带、重带和空带构成，（ b ）类的导带由空带组成，（ c ）类的导带由未满带构成。电子进入导带运动均不需要能带间跃迁。
二、导体的导电机理 经典理论是自由电子理论，认为电子在金属导体
中运动时不受任何外力作用，相互之间也无作用，即金属导体中电子的势能是个常数。但实际上，电子势能是个周期函数，不是常数，因此，它不是自由电子，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得多，按量子力学，可当作微扰来处理，这种理论称准自由电子理论，认为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。
三、导体材料的种类
导体材料按照化学成分分主要有以下三种：（ 1 ）金属材料。这是主要的导体材料，电导率在
107~108S/m 之间，常用的有银、铜和铝等。（ 2 ）合金材料。电导率在 105~107S/m 之间，如
黄铜，镍铬合金等。（ 3 ）无机非金属材料。电导率在 105~108S/m 之
间。如石墨在基晶方向为 2.5×106S/m 。
四、导体材料的应用 导体材料在电力、电器、电子、信息、航空、航天、
兵器、汽车、仪表仪器、核工业和船舶等行业中有着广泛的应用。
金属导体材料主要用作：电缆材料、电机材料、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。
四、导体材料的应用
一、超导体 superconductivity 某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性质称为超导电性。
低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体。
从电阻不为零的正常态转变为超导态的温度称为超导临界温度 Tc 。
超导体的电阻率小于目前所能检测的最小电阻率 10-26Ω·cm ，可以认为电阻为零。
二、超导材料的几个特性
特性一：完全导电性，超导体进入超导态时，其电阻率实际上等于零。例如：室温下将超导体放入磁场中，冷却到低温进入超导状态，去掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于没有电阻，此电流将永不衰减。即超导体的“持久电流”。
特性二：完全抗磁性，不论开始时有无外磁场，只要 T＜ Tc ，超导体变为超导态后，体内的磁感应强度恒为零，即超导体能把磁力线全部排斥到体外，这种现象称为迈斯纳效应。
二、超导材料的几个特性
特性三：即使在低于临界温度以下，若进入超导体内的电流强度以及周围磁场的强度超过某一临界值时，超导状态被破坏，而成为普通的常导状态，电流和磁场的这种临界值分别称为临界电流 Ic和临界磁场 Hc。
临界温度（ Tc）、临界磁场（ Hc）、临界电流 Ic是约束超导现象的三大临界条件。当温度超过临界温度时，超导态就消失；同时，当超过临界电流或者临界磁场时，超导态也会消失，三者具有明显的相关性。只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象。
三、超导机理美国物理学家巴丁、库珀和施里弗提出，超导体中存在着电子对，这些电子对可以平稳地通过由失去部分电子的原子所组成的通道，不会引起原子振动，即为超导现象。这三位科学家因此而获得 1972 年的诺贝尔物理学奖。
四、超导体的种类
1 、金属超导体
目前发现具有超导电性的金属元素有 30 种，其中过渡族元素 19 种，如 Ti 、 V 、 Zr 、 Nb 、 Mo 、 W 等，非过渡族元素有 11 种如 Pb 、 Sn 、 Al 、 Ga 等。
四、超导体的种类
2 、合金和化合物超导体
超导合金很多，临界温度有所提高，如 NbTi 二元合金，其临界温度为 8 ～ 10K ； NbTiZr 三元合金，其临界温度为 10K 。
氧化物超导材料
超导氧化物 成 分 临界温度Hg0. 8Tl 0.2Ba2Ca2Cu3O8.33
138 K (record-holder)
HgBa2Ca2Cu3O8 133-135 KHgBaCu系HgBa2CuO4+ 94-98 KTl 2Ba2Ca2Cu3O10 127-128 KTl 0. 5Pb0.5Sr2Ca2Cu3O9 118-120 KTlBaCaCu系Tl 2Ba2CuO6 95 KBi 1. 6Pb0.6Sr2Ca2Sb0. 1Cu3Oy 115 K
Bi 2Sr2Ca2Cu3O10*** 110 KBiSrCaCu系
Bi 2Sr2Ca0.8Y0.2Cu2O8 95-96KTmBa2Cu3O7 90-101 KYBa2Cu3O7 93 KYBaCu系YbBa1.6Sr0.4Cu4O8 78 KLa2Ba2CaCu5O9+ 79 K(La,Sr,Ca)3Cu2O6 58 KLa2CaCu2O6+ 45 K(La1.85Sr0. 15)CuO4 40 K(La,Ba)2CuO4 35-38 K
LaBaCu系
(La1.85Ba. 15)CuO4 30 K(Fi rst高温超导陶瓷，1986)
超导电性的发现使人们认识到超导技术有广泛的应用前景。为了寻找更适合于应用的超导材料，物理学家对化学元素的低温特性进行了广泛的研究。
第一个被找到的 Tc 高于液氦温区的超导材料是阿瑟曼在 1941 年发现的氮化铌 (NbN) ， Tc 为 15K 。1953 年发现了 Tc 为 17.1K 的钒三硅（ V3Si ）；1954 年又找到了 Tc 为 18.3K 的铌三锡（ Nb3Sn ）；1967 年制成了组成非常复杂的铌铝锗合金， Tc 为20.5K ；1973 年发现了 Tc 为 23.2K 的铌三锗薄膜。
1986 年， Bednorz 和 Müller 发现了具有较宽转变温度范围的超导体，属于 LaBaCu 系，进入超导态的开始温度为 30K ，因该项工作而获得了诺贝尔奖。 1987 年 2 月我国科学家赵忠贤等人获得临界温度在 93K 的 YBaCu 系超导体，化学计量式为 YBa2Cu3O7 ，即所谓的 123 材料，通常材料都有氧空位，因此写成 YBa2Cu3O7-x 。
从结构上看，具有以下特征：
（ 1 ）钙钛矿式的层状结构；
（ 2 ）同时存在 Cu2+ 和 Cu3+ ；
（ 3 ）存在氧空位。
有机超导体主要有掺碱金属的 C60 ，其中 K3
C60 的 Tc 为 18K ， Cs-Rb-C60 的 Tc 为 33K 。高分子超导体主要是非碳高分子（ SN ） x。
3 、有机高分子超导体
Ⅰ型超导体，主要是金属超导体。它对磁场有着屏蔽作用，也就是说磁场无法进入超导体内部。如果外部磁场过强，就会破坏超导体的超导性能。
Ⅱ型超导体，主要是合金和陶瓷超导体。它允许磁场通过。
Ⅰ型超导体和Ⅱ型超导体
Ⅰ型超导体，主要是金属超导体。它对磁场有着屏蔽作用，也就是说磁场无法进入超导体内部。如果外部磁场过强，就会破坏超导体的超导性能。
Ⅱ型超导体，主要是合金和陶瓷超导体。它允许磁场通过。
Ⅰ型超导体和Ⅱ型超导体
1950 年维塔利· 金茨堡与苏联科学家列夫·郎道（因对凝聚态的研究成果获得 1962 年诺贝尔物理学奖）提出一种描述超导等现象的公式，在此基础上， 1957 年阿列克谢·阿布里科索夫提出了一种能够解释Ⅱ型超导体特性的理论。这一理论认为，Ⅱ型超导体中的电流形成了一个个小旋涡，如同水流中的旋涡一样，这些旋涡形成了一个有序的点阵，就像排列整齐的士兵方队一样。这样可以使超导体中电子运动的阻力消失，又可以使磁场能够从点阵中的通道通过。
Ⅰ型超导体和Ⅱ型超导体
超导的应用，基本上可以分为强电强磁和弱电弱磁两大类。
（ 1 ）超导强电强磁应用 主要基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性以及
非理想第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临界磁场。
主要应用在电力方面如超导电缆，超导磁体如超导磁悬浮列车，巨大环形超导磁体、超导磁分离等。
五、超导材料的应用
（ 2 ）超导弱电弱磁的应用 基于 Josephson 效应为基础，建立极灵敏
的电子测量装置为目标的超导电子学，发展了低温电子学。
如超导量子干涉器件是一种高灵敏度的测量装置，主要功能是测量磁场。它可以在电工仪表、医学、生物、资源开发、环境保护、固体材料、地球物理等领域应用。
五、超导材料的应用
利用 Josephson 结的交流伏安特性可以进行微波检测。可做成视频检测器、混频器、变频器以及高频电磁波发生器等，这些都是在无线电技术上的重要应用。
超导计算机将是第五代计算机的“种子选手” ， Josephson 结具有极高的开关速度和极低的功耗，从而为制造亚纳秒级的电子计算机提供了途径。
我国的超导研究，在世界先进行列占有一席之地。
五、超导材料的应用
半导体材料1 、半导体的能带结构 本征半导体能带结构： 下面是价带，由于纯半导体的原子在绝对零
度时，其价带是充满电子的。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。
半导体材料2 、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。
半导体材料3 、半导体的分类 按成分分类：可分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体又可分为本征半导体和杂质半导体。化合物半导体又分为合金、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类：可分为施主型（又叫电子型或n型）和受主型（又叫空穴型或p型）。前者掺杂原子的价电子大于纯元素的价电子，后者正好相反。
按晶态分类：可分为结晶、微晶和非晶半导体。
半导体材料4 、本征半导体1 ）导电机理 半导体中价带上的电子借助于热、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。
半导体材料4 、本征半导体2 ）本征半导体材料的性质和应用A 、性质 本征半导体是高纯度，无缺陷的元素半
导体，其杂质小于 10-9。主要元素是 Si 、Ge 和金刚石
B 、应用 本征半导体应用不多，因为单位体积内载流子数目比较小，需要在高温下工作。
半导体材料5 、杂质半导体1 ）定义 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。
半导体材料5 、杂质半导体2 ）种类A 、 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 、 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，这类半导体是 n型半导体。
半导体材料B 、 p型半导体（空穴型，受主型） ⅣA族元素（ C 、 Si 、 Ge 、 Sn ）中掺入以Ⅲ族元素（如 B ）时，掺杂元素的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，而在价带其中产生空穴。以空穴导电为主，掺杂元素是电子受主，这类半导体是 p型半导体。
半导体材料6 、化合物半导体1 ）分类 按成分分：无机合金化合物、陶瓷、高分子半导体； 按 n 、 p型分： n型和 p型半导体 按组分分：二元化合物半导体和多元化合物半导体。二元半导体有Ⅲ -V族半导体，其化学式为 AⅢBV，如 GaAs 、 GaP 、 InP 、 GaSB 、 GaN 等。Ⅱ -Ⅳ族化合物半导体，如 ZnS 、 CdS 、 ZnSe 、 CdSe 、 HgS 等。
半导体材料6 、化合物半导体1 ）分类 多元化合物半导体有（ Ga1-xAlx） As 、（ In1-xAlx）P 等三元化合物半导体和 GaxIn （ 1-x ）AsyP （ 1-y ）等四元化合物半导体。
2 ）特点 化合物半导体最突出的特点是禁带和迁移率范围宽，
禁带在（ 0.21~0.48） ×10-19J（ 0.13~0.30eV）；迁移率在 -7.625~+0.010范围。
半导体材料 半导体材料的应用及进展1 、半导体材料在集成电路上的应用：最早用锗单晶制造二极管和三极管；现在发展硅器件，以硅单晶为基材的集成电路在电子器件中占主导地位。化合物半导体砷化镓做微波、超高频晶体管等；
2 、半导体在光电子器件、微波器件和电声耦合器上的应用：发光管、激光器、光电池、光集成等；
3 、半导体材料在传感器上的应用：用于半导体传感器