第一章导电材料

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。

四、导体材料的应用 • 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。

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。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。

3、有机高分子超导体 有机超导体主要有掺碱金属的C60，其中K3C60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。

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。

五、超导材料的应用 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。

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

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