【正文】 x p412121lnkTEENNkTEE dgcddF－－低溫區(qū)， 1 cddgF NNkTEEE ln22 ??? ?????? ???kTEENNn dgdc 2e xp－－中溫區(qū)， ~ 1 dcdF NNkTEE /ln?? dNn?－－高溫區(qū)， 1 2/gF EE ? eNn?? ? ?????? ? kTEE dgex p? ? ?????? ? kTEE dgex p? ? ?????? ? kTEE dgex p少量施主電離 施主全部電離 載流子為本征激發(fā)產(chǎn)生的。 摻雜特性 然而隨著溫度的升高 ， 本征載流子的濃度迅速增長 ， 而雜質(zhì)提供的載流子則基本上不再改變了 。 從這里我們也可以理解 ， 為什么通常的電子器件不能在高溫下使用的原因之一就是在較高溫度下本征激發(fā)了 ， 導(dǎo)致器件失效 。 導(dǎo)電性和載流子遷移率 電子在理想的完整晶體內(nèi)可自由運(yùn)動，其平均自由程為整個晶體長度； 但晶體是不完整的 原子熱運(yùn)動 雜質(zhì) 對電子的散射 當(dāng)加上一電場，如沿 x方向，當(dāng)電場與熱運(yùn)動相平衡時，電子得到一平均運(yùn)動速度 。 xv xx vmP ?電子漂移獲得的動量： 0/ ??? ?xx vmeE電場力和碰撞作用力平衡： xxx EEmev ?? ???xxxx EmneEnevneJ )( 2?? ???電子的遷移率 載流子在單位電場中的遷移速度 電子在電場作用下，沿 x方向做漂移運(yùn)動。電導(dǎo)率的一般表達(dá)式為 該式反映電導(dǎo)率的微觀本質(zhì)，即 宏觀電導(dǎo)率 σ 與微觀載流子的濃度 n，每一種載流子的電荷量 q以及每種載流子的遷移率的關(guān)系。 ????i iiiiqn ??? 自由電子：自由度大，遷移率 μ e 較大， 空穴的漂移實(shí)質(zhì)上是價電子依次填補(bǔ)共價鍵上空位的結(jié)果，約束在共價鍵，自由度小，遷移率 μp 較小。 在低摻雜半導(dǎo)體中 ， 遷移率隨溫度升高而大幅度下降 。 (2)電離雜質(zhì)散射 離子化的雜質(zhì)同樣散射載流子 ， 雜質(zhì)含量愈高 ， 遷移率愈低 。 所以高摻雜時 ， 遷移率隨溫度變化較小 。 元素半導(dǎo)體 結(jié)晶態(tài)半導(dǎo)體 化合物半導(dǎo)體 無機(jī)半導(dǎo)體 固溶體半導(dǎo)體 半導(dǎo)體 非晶態(tài)半導(dǎo)體 有機(jī)半導(dǎo)體 半導(dǎo)體材料的分類 1） 元素半導(dǎo)體 在元素周期表中介于金屬和非金屬之間具有半導(dǎo)體性質(zhì)的元素有十二種 ， 但是其中具備實(shí)用價值的元素半導(dǎo)體材料只有 硅 、 鍺和硒 。 2） 二元化合物半導(dǎo)體 主要有 III— V族化合物半導(dǎo)體 、 II— VI族化合物半導(dǎo)體 、IV— VI族化合物半導(dǎo)體 、 II— IV族化合物半導(dǎo)體 、 鉛化物及氧化物半導(dǎo)體等 。 III— V族半導(dǎo)體主要由 III族元素 Al， Ga， In與 V族元素P， As， Sb所組成 ， 應(yīng)用最廣的是 GaAs， 還有 GaP， InP等已成為微波 、 光電器件的基礎(chǔ)材料 ， 人們可以根據(jù)要求來選擇不同的 III— V族材料 。 3） 三元化合物半導(dǎo)體 以 A1GaAs和 GaAsP為代表的三元化合物半導(dǎo)體材料 ，已為人們廣泛研究 ， 可制作發(fā)光器件；此外 AgSbTe2是良好的溫差電材料； CdCr2Se4， MgCr2S4是磁性半導(dǎo)體材料；SrTiO3是超導(dǎo)電性半導(dǎo)體材料 ， 在氧欠缺的條件下 ， 它表現(xiàn)出超導(dǎo)電性 。 它的一個重要持性是禁帶寬度 （ Eg）隨固溶度的成分變化 ， 因此可以利用固溶體得到有多種性質(zhì)的半導(dǎo)體材料 。所以可以利用 GaAs1xPx， 隨 x變化而作出能發(fā)不同波長的發(fā)光二極管 。 5）非晶態(tài)半導(dǎo)體 非晶態(tài)物質(zhì)的特征是原子排列沒有規(guī)律 。 在非晶態(tài)材料中有一些在常態(tài)下是絕緣體或高阻體 ，但是在達(dá)到一定值的外界條件 （ 如電場 、 光 、 溫度等 ）時 ， 就呈現(xiàn)出半導(dǎo)體電性能 ， 稱之為非晶態(tài)半導(dǎo)體材料 ，也叫玻璃態(tài)半導(dǎo)體 。 有一些有機(jī)物也具有半導(dǎo)體性質(zhì) ， 研究表明在固態(tài)電子器件中將會發(fā)揮其作用 。 超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展 1911年 卡茂林－昂內(nèi)斯 意外地發(fā)現(xiàn) ， 將汞冷卻到－ ℃ 時 ， 汞 的電阻突然消失；后來他發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上 述汞相類似的低溫下失去電阻的特性； 1931年 人們發(fā)現(xiàn)錫在轉(zhuǎn)變到超導(dǎo)態(tài)是比熱容有跳變，這是正常－超 導(dǎo)轉(zhuǎn)變。 1950年 （弗羅列希）提出了電子間通過聲子相互作用作 為超導(dǎo)電性的微觀機(jī)制。 1957年 , , BCS 理論的超導(dǎo)微觀理論，第一個成功地解釋了超導(dǎo)體的性質(zhì)。 在約瑟夫森效應(yīng)基礎(chǔ)上的超導(dǎo)量子干涉器件叫 SQUID，是超導(dǎo)體在電子學(xué)方面應(yīng)用的核心部件。 1987年 1月 日本川崎國立分子研究所將超導(dǎo)溫度提高到 43K；不久 日本綜合電子研究所又將超導(dǎo)溫度提高到 46K和 53K。 1986年 1月 在美國國際商用機(jī)器公司設(shè)在瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室中工作 的科學(xué)家柏德諾茲和繆勒，首先發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物是高 溫超導(dǎo)體，將超導(dǎo)溫度提高到 30K；緊接著，日本東京 大學(xué)工學(xué)部又將超導(dǎo)溫度提高到 37K。 1987年 2月 20日 中國物理學(xué)家 趙忠賢 獲得 110 K的超導(dǎo)材料； 1987年 3月 3日 日本宣布發(fā)現(xiàn) 123K超導(dǎo)體。 1987年 3月 9號 日本宣布獲得 175 K的超導(dǎo)材料； 1987年 3月 中國科技大學(xué)獲得 215 K的超導(dǎo)材料； 1987年 12月 30 美國休斯敦大學(xué)宣布 ， 美籍華裔科學(xué)家朱經(jīng)武 又將超導(dǎo)溫度提高到 40． 2℃ . 1987年 3月 27日 美國華裔科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)在氧化物超導(dǎo)材料中有 轉(zhuǎn)變溫度為 240K的超導(dǎo)跡象 。 超導(dǎo)態(tài)特性和超導(dǎo)體的三個性能指標(biāo) ? 完全導(dǎo)電性－－零電阻效應(yīng)； ? 完全抗磁性－－邁斯納效應(yīng)； ? 通量量子化； 超導(dǎo)態(tài)特性 評價實(shí)用超導(dǎo)材料的三個性能指標(biāo) ?臨界轉(zhuǎn)變溫度 Tc： 電阻突然消失的溫度稱為超導(dǎo)材料的臨界 轉(zhuǎn)變溫度 Tc。 ?臨界磁場強(qiáng)度 Bc： 當(dāng)磁場超過 Bc時，材料就從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)? 正常態(tài)。 ?臨界電流密度 Jc： 如果輸入電流產(chǎn)生的磁場與外加磁場之和 超過超導(dǎo)體的臨界磁場 Bc時，則超導(dǎo)態(tài)被 破壞。 第 I類超導(dǎo)體 第 I類超導(dǎo)體主要包括一些在常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬 ， 如鋁 、 鋅 、 鎵 、 鎘 、 錫 、 銦等 ， 該類超導(dǎo)體的熔點(diǎn)較低 、 質(zhì)地較軟 ， 亦被稱作 “ 軟超導(dǎo)體 ” 。 第 I類超導(dǎo)體由于其臨界電流密度和臨界磁場較低 ， 因而沒有很好的實(shí)用價值 。 第 II類超導(dǎo)體和第 I類超導(dǎo)體的區(qū)別主要在于： 1)第 II類超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時有一個 中間態(tài) （ 混合態(tài) ） ； 2)第 II類超導(dǎo)體的混合態(tài)中 有磁通線存在 ， 而第 I類超導(dǎo)體沒有； 3)第 II類超導(dǎo)體比第 I類超導(dǎo)體有更 高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度及臨界磁場強(qiáng)度； 對于氧化物超導(dǎo)體，其轉(zhuǎn)變溫度范圍較寬。 轉(zhuǎn)變寬度 T?高溫超導(dǎo)體的電子顯微鏡圖象 物質(zhì)為什么會有超導(dǎo)現(xiàn)象？－－－ BCS理論 巴?。ㄗ螅扃?、施里弗（右） 1957年巴丁（ )、庫珀（ )和施里弗（ )提出一個超導(dǎo)電性的微觀理論，稱為 BCS理論。 庫珀對作為整體與晶格作用 ， 因此一個電子若從晶體得到動量 ， 則另一個電子必失去動量 ，作為整體 ， 不與晶格交換動量 ， 也不交換能量 ，能自由地通過晶格 ， 因此沒有電阻 。 當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到臨界強(qiáng)度時，磁能密度等于庫珀對的結(jié)合能密度，所有庫珀對都獲得能量而被撤散，超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)為正常態(tài)。 超導(dǎo)體的應(yīng)用 超導(dǎo)變壓器 超導(dǎo)電機(jī) 超導(dǎo)限流器 ② 超導(dǎo)技術(shù)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用 利用超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場可以研制成磁懸浮列車 ， 車輛不受地面阻力的影響 ， 可高速運(yùn)行 ， 車速達(dá) 500 km/h以上 ， 若讓超導(dǎo)磁懸浮列車在真空中運(yùn)行 ， 車速可達(dá) 1600 km/h。 ③ 超導(dǎo)技術(shù)在電子工程方面的應(yīng)用 用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器 ， 具有靈敏度高 、 噪聲低 、 反應(yīng)快 、 損耗小等特點(diǎn) ， 如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)?、 石油 、 各種礦藏的位置和儲量 ， 并可用于地震預(yù)報(bào) 。 用超導(dǎo)芯片制成超級計(jì)算機(jī)速度快 、 容量大 、體積小 、 功耗低 ， 美國 IBM公司研制的一臺運(yùn)速為 8 000萬次的超導(dǎo)計(jì)算機(jī) ， 體積只有電話機(jī)那么大 . ④ 超導(dǎo)技術(shù)在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用 超導(dǎo)磁體在醫(yī)學(xué)上的重要應(yīng)用是核磁共振成像技術(shù) ，可分辨早期腫瘤癌細(xì)胞等 ， 還可做心電圖 ， 腦磁圖 、 肺磁圖 ， 研究氣功原理等 .。 利用超導(dǎo)技術(shù)可以提高導(dǎo)彈命中目標(biāo)的精度，也可以擊毀來襲的導(dǎo)彈；現(xiàn)代戰(zhàn)爭的 精確制導(dǎo)武器 ，以及 導(dǎo)彈攔截系統(tǒng) 都離不開超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用。 預(yù)警機(jī) 電導(dǎo)功能材料 電功能金屬材料 一、導(dǎo)電材料 要求：高的電導(dǎo)率，高的力學(xué)性能，良好的抗腐蝕性，良好的工藝性能（熱冷加工、焊接）價格便宜 用于生產(chǎn)電氣導(dǎo)線的金屬材料具有以下特性： 卓越的導(dǎo)電性能，從而使焦耳效應(yīng)導(dǎo)致的能量損失達(dá)到最小。 電氣接觸的永久可靠性。 銅及銅合金 導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，塑性高，機(jī)械強(qiáng)度好，易加工和焊接，易提煉 鈹青銅 超高純銅 主要用途：電彈簧、電刷、插頭 只有幾種元素能夠滿足這些特性，其中主要為自然界中儲量豐富的銅、鋁（以及他們的合金）。 因此，在進(jìn)一步處理過程中（絕緣 … ），我們通過鍍錫、銀、鎳等來改善某些性能，如可焊性、抗氧化性、耐熱性等。 ? m 無氧銅，無氧銅或者 Cuc1，含氧量極低（最多 20ppm），能夠防止加熱過程中的氫脆。這種超高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的同時獲得是過去在任何材料中均無法實(shí)現(xiàn)的。 鋁及鋁合金 資源豐富，價格便宜，質(zhì)量小 主要用途：送電線，配電線 對于設(shè)計(jì)導(dǎo)體有用的物理性能如下表所示 ?物理性能 ?鋁 ? 密度 ?2,7 ? 電阻率 (?Wcm) ?2,826 ? 導(dǎo)電率 (%IACS) ?61 ? 電阻溫度系數(shù) (K1) ?0,004 ? 導(dǎo)熱系數(shù) (W/) ?220 ? 線性膨脹系數(shù) (K1) ?23x106 ? 拉應(yīng)力 （ 退火 ） (MPa) ?60/80 ? 拉應(yīng)力 （ 硬 ） (MPa) ?150/200 ? 彈性模量 (MPa) ?66000 ? 硬度 （ 退火 ） ?20 ? 硬度 （ 硬 ） ?40 ? 用于導(dǎo)體產(chǎn)品的鋁材料由 EN AW1370以及 EN AW1350規(guī)定 ， 或者由 EAL EAL 。 主要應(yīng)用：電器回路中的電阻部件和電子線路中的電阻器件 （ 1） CuMn系 錳銅： Cu86％、 Mn12％ Ni2％ Mn的作用：提高電阻率，降低電阻溫度系數(shù) （ 2） CuNi系 康銅： Cu60％、 Ni40％ Ni的作用：降低合金對銅的熱電勢，改善電阻溫度系數(shù)并提高耐腐蝕性能。 （ 3） Ni－ Cr系改良型 （ 4） Fe－ Cr－ Al系合金 具有更寬的使用溫度，電阻溫度系數(shù)更小，耐熱性良好，耐蝕性更佳，而且易于拉絲，但焊接困難。但加工性能差，焊接性能不好。 （ 2）熱敏電阻材料 要求：電阻率較小，電阻溫度系數(shù)大，電阻溫度曲線線性好， 抗氧化性、耐腐蝕和加工性能好。 按測量的范圍或測量的準(zhǔn)確度要求來分類： ? 對 107W以上較大的電阻 (俗稱高阻