第06讲_5-2材料的导电性能

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周期表Ⅳ 族元素 如碳、 族元素， 周期表ⅣA族元素，如碳、硅、锗、锡，在 最外层p轨道有 个电子，化合价为4。 轨道有2个电子 最外层 轨道有 个电子，化合价为 。根据 前面的讨论，因为这些元素的p能带没有被 前面的讨论，因为这些元素的 能带没有被 电子充满，似乎应该具有良好的导电性。 电子充满，似乎应该具有良好的导电性。但 实际情况却不是这样。 实际情况却不是这样。这些元素都是以共价 键结合的，最外层的s能带电子和 能带电子和p能带电子 键结合的，最外层的 能带电子和 能带电子 都被原子紧紧束缚。 都被原子紧紧束缚。共价键使能带结构发生 比较复杂的变化，即杂化现象。 比较复杂的变化，即杂化现象。
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高分子材料中的电子都是共价键结合的， 高分子材料中的电子都是共价键结合的，所以 高分子材料的禁带宽度都非常大， 高分子材料的禁带宽度都非常大，电导率也非 常低。因此高分子材料常用作绝缘体。有时， 常低。因此高分子材料常用作绝缘体。有时， 低电导率也会对材料造成损害。 低电导率也会对材料造成损害。 解决这些问题的方法有两种， 解决这些问题的方法有两种，一是在高分子材 料中引入添加剂，改善材料的导电性， 料中引入添加剂，改善材料的导电性，二是开 发本身就具有导电性的高分子材料。 发本身就具有导电性的高分子材料。
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Sn（灰锡） 0.08 （灰锡） GaAs 1.35
5.2.3导电材料与电阻材料 导电材料与电阻材料
导电材料是以传送电流为主要目的的材料。 导电材料是以传送电流为主要目的的材料。 对于像电力工业这样的强电应用的导电材 主要有铜、铝及其合金。 料，主要有铜、铝及其合金。而像电子工 业这样的弱电应用的导电材料则除了铜、 业这样的弱电应用的导电材料则除了铜、 铝之外，还常用金、银等。 铝之外，还常用金、银等。
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图5.5金刚石中碳的能带结构 金刚石中碳的能带结构
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在金刚石的价带和导带之间有一个较大的 禁带Eg。很少有电子具有足够的能量， 禁带 。很少有电子具有足够的能量，能 够从价带跃迁到导带去。 够从价带跃迁到导带去。所以金刚石的电 导率很低。 导率很低。 提高温度或者施加高电压， 提高温度或者施加高电压，可以使价带的 电子获得能量，跃迁到导带。例如， 电子获得能量，跃迁到导带。例如，氮化 硼的室温的电导率为10 硼的室温的电导率为 -13 -1·cm-1，温度 升到800℃时则为 -4 -1·cm-1。 升到 ℃时则为10
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能带重叠现象
图5.4镁的能带结镍的过渡族金属中，未被电子充满的 3d能带和 能带发生重叠。这种重叠使得 能带和4s能带发生重叠 能带和 能带发生重叠。 电子能够被激发到高能量的能级。 电子能够被激发到高能量的能级。能带之间 的复杂的相互作用使得这些金属的导电性不 够理想。但铜是一个例外。铜中的内层3d 够理想。但铜是一个例外。铜中的内层 能带已经被电子充满， 能带已经被电子充满，这些电子被原子紧紧 束缚，不能与4s能带相互作用 能带相互作用。 束缚，不能与 能带相互作用。由于铜中的 3d能带和 能带之间基本没有相互作用， 能带和4s能带之间基本没有相互作用 能带和 能带之间基本没有相互作用， 所以铜的导电性非常好。 所以铜的导电性非常好。银和金的情况与铜 类似。 类似。
镁原子的核外电子结构为1s 镁原子的核外电子结构为 22s22p63s2。像 镁这样的周期表Ⅱ 族元素的最外层 族元素的最外层3s轨道 镁这样的周期表ⅡA族元素的最外层 轨道 个电子， 有2个电子，所以按理说它的 能带就会被 个电子 所以按理说它的3s能带就会被 电子全部占满。 电子全部占满。 但是，由于固体镁的 能带与 能带有重叠， 能带与3s能带有重叠 但是，由于固体镁的3p能带与 能带有重叠， 这种重叠使得电子能够激发到3s和 的重叠 这种重叠使得电子能够激发到 和3p的重叠 能带里的高能级，所以镁具有导电性。 能带里的高能级，所以镁具有导电性。
第5章 导电物理 章
5.1概述 5.2材料的导电性能 5.3金属电导 5.4半导体物理 5.5 超导物理
2个学时 2个学时 4个学时 10个学时 4个学时
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5.2材料的导电性能
5.2.1能带结构 能带结构 5.2.3导电材料与电阻材料 导电材料与电阻材料 5.2.4其他材料的导电性能 其他材料的导电性能
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根据原子结构理论， 根据原子结构理论，每个电子都占有一个 分立的能级。泡利（ 分立的能级。泡利（Pauli）不相容原理指 ） 每个能级只能容纳2个电子 个电子。 出，每个能级只能容纳 个电子。
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个原子相互靠近形成一个固体时， 当N个原子相互靠近形成一个固体时，泡利 个原子相互靠近形成一个固体时 不相容原理仍然成立，即在整个固体中， 不相容原理仍然成立，即在整个固体中，也 只能有2个电子占据相同的能级。当这两个 只能有 个电子占据相同的能级。 个电子占据相同的能级 原子的距离足够近时，它们的2s轨道的电子 原子的距离足够近时，它们的 轨道的电子 就会相互作用， 就会相互作用，以致不能再维持在相同的能 当固体中有N个原子 个原子， 个原子的2s 级。当固体中有 个原子，这N个原子的 个原子的 轨道的电子都会相互影响。 轨道的电子都会相互影响。这时就必须出现 N个不同的分立能级来安排所有这些 轨道 个不同的分立能级来安排所有这些2s轨道 个不同的分立能级来安排所有这些 的电子（这些电子共有2N个）。2s轨道的 轨道的N 的电子（这些电子共有 个）。 轨道的 个分立的能级组合在一起，成为2s的能带 的能带。 个分立的能级组合在一起，成为 的能带。
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虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似， 虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似，但 这些材料的禁带宽度E 较小。实际上， 这些材料的禁带宽度 g 较小。实际上，锡的 禁带宽度小得使它具有类似导体的导电性。 禁带宽度小得使它具有类似导体的导电性。而 禁带宽度E 禁带宽度 g稍大一点的锗和硅成了典型的半导 体。 绝缘体的能带结构与半导体相似， 绝缘体的能带结构与半导体相似，价带上都排 满了电子，而导带上则没有电子。 满了电子，而导带上则没有电子。不同之处在 于，许多半导体的禁带宽度为 0.4 ~ 0.5 eV， ， 而绝缘体的禁带宽度则为 4 ~ 5 eV。不过，并 。不过， 没有一个严格的禁带宽度数值以截然区别半导 15 体和绝缘体。 体和绝缘体。
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图5.1电子数量增加时能级扩展成能带 电子数量增加时能级扩展成能带
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导带
禁带
图5.2钠的能带结构
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由于钠只有1个 电子 所以在3s价带上 电子， 价带上， 由于钠只有 个3s电子，所以在 价带上， 只有一半的能级被电子所占据。自然， 只有一半的能级被电子所占据。自然，这些 被电子占据的能级应该是能量较低的能级， 被电子占据的能级应该是能量较低的能级， 而3s价带中能量较高的处于上方的能级很少 价带中能量较高的处于上方的能级很少 有电子占据。当温度为绝对零度时， 有电子占据。当温度为绝对零度时，只有下 面一半的能级被电子占据， 面一半的能级被电子占据，上面一半的能级 没有电子占据。 没有电子占据。能带中有一半的能级被电子 占据的能级称为费密能级。 占据的能级称为费密能级。而当温度大于绝 对零度时，有一些电子获得了能量， 对零度时，有一些电子获得了能量，跳到价 带里的较高能级， 带里的较高能级，而在相对应的较低的能级 上失去了电子，产生了相同数量的空穴。 上失去了电子，产生了相同数量的空穴。 7
图5.3能带中电子随温度升高而进行能级跃迁 能带中电子随温度升高而进行能级跃迁 (a)绝对零度时 所有外层电子占据低的能级 绝对零度时,所有外层电子占据低的能级 绝对零度时 所有外层电子占据低的能级; (b)温度升高 部分电子被激发到原未被填充的能级 温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级 温度升高 8
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电阻材料的主要目的是给电路提供一定的 电阻。 电阻。作为精密电阻材料的以铜镍合金为 代表，如康铜（ ）。铜 代表，如康铜（Cu-40%Ni-1.5%Mn）。铜 ）。 镍合金的电阻率随着成分的变化而连续变 在含镍为40wt%左右具有最大的电阻 化，在含镍为 左右具有最大的电阻 最小的温度系数、最大的热电势。 率、最小的温度系数、最大的热电势。
一些材料的禁带宽度E 表5.2一些材料的禁带宽度 g（eV） 一些材料的禁带宽度 ）
材料 C(金刚石 金刚石) 金刚石 Si Ge 禁带宽度 Eg 5.48 1.12 0.67 InAs TiO2(锐钛矿 锐钛矿) 锐钛矿 ZnO In2O3 SrTiO3 ZrO2 0.36 3.2 3.2 2.5 3.2 5.0
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5.2.4其他材料的导电性能 其他材料的导电性能
离子材料中的导电性往往需要通过离子的 迁移来实现， 迁移来实现，因为这类材料中的禁带宽度 较大，电子难以跃迁到导带。 较大，电子难以跃迁到导带。所以大多数 的离子材料是绝缘体。 的离子材料是绝缘体。如果在离子材料中 引入杂质或空位，能够促进离子的扩散， 引入杂质或空位，能够促进离子的扩散， 改善材料的导电性。当然， 改善材料的导电性。当然，高温也能促进 离子扩散，进而改善导电性。 离子扩散，进而改善导电性。
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电热合金的使用温度非常高。 电热合金的使用温度非常高。对于使用温度 为900~1350℃的电热合金，常用镍铬合金。 ℃的电热合金，常用镍铬合金。 当使用温度更高时， 当使用温度更高时，一般的电热合金不是会 发生熔化，就是会发生氧化。 发生熔化，就是会发生氧化。此时需要采用 陶瓷电热材料。 陶瓷电热材料。常见的陶瓷电热材料有碳化 ）、二硅化钼 ）、铬酸镧 硅（SiC）、二硅化钼（MoSi2）、铬酸镧 ）、二硅化钼（ 和二氧化锡（ （LaCrO3）和二氧化锡（SnO2）等。