物性讲义(电学1)-导体-半导体-绝缘体资料

物质 导电 性的 表征
RS r= L
电阻率（ρ）材料固有的特征值
E = ri
i：电流密度， ρ ：电阻率，E：电场强度
不同材料的电阻率（ 或电导率 ＝ ρ －1）：
导 体：=106~108 s/m Cu: r =10-8 绝缘体：=10-20~10-9 s/m 金刚石r =1012 半导体：=10-9~105s/m Si:r =103
在晶体点阵的完整性及由于晶体点阵离子的热振动，晶体中的 异类原子、位错和点缺陷等使晶体点阵的周期性遭到破坏，电 子波就会受到散射， L减小，从而产生了阻碍作用，降低导电 性，这就是材料产生电阻的本质所在。
令 = 1 / L 为散射系数，可导出：
即材料的电阻与散射系数成正比。
2m r = 1/ = 2 ne
1、材料的电学性能 2、材料的磁学性能 20学时 16学时
3、材料的光学性能
12学时
注意事项
期末成绩考评办法：平时成绩占30%，考核70%。

作业缺交1次平时成绩扣6分，缺交2次以上平时成
绩为0分。

旷课1次平时成绩扣5分，旷课3次以上平时成绩为0
分。
第一章
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材料的电学性能
－5 －8 －7 －7 －5 －3 9 9
U I= R
R = rL /源自文库S
1.2 金属的导电性
一、金属的导电机制与马基申定则 ●用量子电子理论和能带理论可导出所有材料的电 导率：
n e 2 = 2m
L = (碰撞时间间隔）
此式完整地反应了晶体导电的物理本质。
量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通过 一个理想的晶体点阵时，它将不会受到散射而无阻碍 地传播，即 L无穷大，这时ρ＝0，而σ为无穷大，即 此时的材料是一个理想的导体。

●金属电阻随温度升高而升高原因： 金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电 子就愈易受到散射，可认为μ与温度成正比，则ρ也 与温度成正比。
由于实际的晶体并非理想，会有杂质和缺陷。因此，传导电 子的散射发生在电子-声子、电子-杂质以及其它点阵静态缺陷相 互相碰撞的时候。
金属电阻包括： （1）基本电阻ρ(T) ：对应声子散射和电子散 射两机制，由热振动产生，与温度有关，0K时 为0。纯金属电阻率。 （2）残余电阻ρ残 ：对应电子在杂质和缺陷 上的散射机制， 0K时金属的电阻。反应了金属 的纯度和完整性。
考虑到ρ残测量困难，实际上常采用相对电阻率ρ(300K)/ ρ(4.2K) 的大小来评定金属的电学纯度。晶体越纯、越完善，相对电阻率越 大。许多完整的金属单晶相对电阻率可高达20000。
二、影响金属导电性的因素 主要因素：温度，受力情况，冷加工，晶体缺陷， 热处理，几何尺寸效应，电阻率各向异性。 1. 温度 加热时发生点阵热振动和振幅的变化，出现相变、 回复、空位、再结晶以及合金相成分和组织的变化， 这些现象对电阻的变化有重要影响。 测量电阻与温度的关系是研究这些现象和过程的一 个重要方法。对于简单金属，情况如下。 (1)一般规律（指一般金属的规律） 在绝对零度下，纯净又无缺陷的金属，电阻率等于 零。随温度的升高金属电阻率增加。理想晶体的电阻 率是温度的单值函数，若晶体中存在杂质和结构缺陷， 那么电阻率与温度的关系曲线将发生变化。
从能级图上来看，是因为满带与空带之间 有一个较宽的禁带（Eg 约3～6 eV）， 共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到 高能级（空带）上去。
半导体 的能带结构,满带与空带之间也是禁带， 但是禁带很窄（E g 约0.1～2 eV )。
三、导电性的表征参数
1.电阻R与电阻率ρ
2.电导与电导率σ：电阻率的倒数，电导率越 大，材料导电性越好。 3.导体、半导体与绝缘体 m。 导 体： ρ ＜10 纯金属ρ：10 ～10 m 合金ρ：10 ～10 m 。 半导体：ρ在10 ～10 m 。 绝缘体：ρ＞10 m 。
使用教材： 邱成军等 主编《材料物理性能》，哈尔滨 工业大学出版社，2003。
参考书目：
1. 马向东,王振廷.材料物理性能.中国矿业大学出版社,2002. 2. 田莳,材料物理性能.北京航空航天大学出版社,2001 3. 关振铎,张中太,焦金生.无机材料物理性能.清华大学出版社,1998.
主要内容及学时安排
二、晶体的能带
导体和非导体的区别 半导体和绝缘体的区别
(a)金属：满带、空带和未满带； (b) 绝缘体：满带和空带 ，禁带宽度Eg比较大； (c) 半导体：满带和空带，禁带宽 度很小；(d) 半金属：满带和空带，无禁带宽度
有关能带被占据情况的几个名词： 1．满带（排满电子） 2．价带（排满电子或部分排满电子） 3．导带（未排电子） 4．禁带（不能排电子）
导电性总论 金属及合金的电学性能 半导体的电学性能 绝缘体的电学性能 超导体的电学性能 接触电性 热电性三大热电效应
1.1 固体的导电性和晶体能带
一、基本现象
物 质 液态 三 态 固态
气态 大多数气体是不导电
多数液态物质均是导电 绝缘体 普通塑料、木材、橡胶 半导体 硅、锗 导体 金属 导电
性具
有复 杂性
材料物理
主讲教员：刘呈燕 博士
桂林电子科技大学材料科学与工程学院
为什么要学《材料物理》
• 材料的应用大都基于其物理现象、物理效应。 • 是对物理现象与本质、微观机制的探讨，从而 指导工程实践。 • 有助于更好地研究材料的物理性能及使用性能， 更好地选材、用材。 • 随着新材料产业与信息时代的飞速发展，对材 料提出了更高的要求，因此，对材料的物理性 能的学习与研究显得更加重要。
晶体按导电性能的高低可以分为
导体 半导体 绝缘体 它们的导电性能不同， 是因为它们的能带 结构不同。
导体 在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。 E
从能级图上来看，是因为其共有化电子 很易从低能级跃迁到高能级上去。
绝缘体 在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。
●马基申定律
马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率 ρ(T)和残余电阻ρ残组成。 即ρ＝ρ（T）＋ρ残 称 为马基申定律。 问题：马基申定律忽略了电子各种散射机制间的交互 作用，但简明描述了合金的导电性，并对于低浓度固溶体 与实验事实符合的很好。 根据马基申定律，在高温时金属的电阻率基本上取决 于ρ(T) ，而在低温时取决于ρ残。既然ρ残是电子在杂 质和缺陷上的散射引起的，那么ρ残的大小就可以用来评 定金属的电学纯度。