材料物理与性能学课件：导电物理与性能-.pptVIP

4.5.2.1测量固溶体的溶解度曲线 相图是研究材料的重要工具，而相图的建立需要确定溶解度曲线，利用测量电阻的方法绘制溶解度曲线是一种简便、实用的方法。例如，金属中常用的简单二元相图，B在A中只能是有限溶解，且溶解度随温度的升高不断增加，如图4.10所示。图中曲线ab即为要测量的曲线，若B全部溶于A中，则可获得单相的 固溶体，在形成过程中电阻率 将沿曲线变化。若B不能全部溶于A中，就要形成新相 和 相组成的两相机械混合物。 将沿直线变化。这样在曲线上便出现了转折点，这个转折点即代表了某温度下的溶解度。 4.5.2.2研究合金的时效 从固溶体电阻变化特性可知，随温度升高，固溶体溶解度增加。如果进行高温淬火，便得到过饱和固溶体，其电阻也将升高。当进行时效处理时，从过饱和固溶体中析出新相，此时合金电阻率下降。这样便可根据电阻率变化特性研究合金时效过程，建立合金的时效动力学曲线。 4.5.2.3研究马氏体转变 对热弹马氏体相变研究表明，在降温进行正马氏体相变及升温进行反马氏体相变的过程中，电阻有反常变化。一般来说形成马氏体时，合金电阻急剧增加，马氏体消失，电阻下降。因此从电阻变化的特点可以确定热弹马氏体相变的温度范围。例如测量形状记忆合金的马氏体开始转变温度Ms和终了转变温度Mf。 4.5.2.4研究材料的疲劳和裂纹扩展 因为材料的应力疲劳是内部位错的增殖、裂纹的扩展等缺陷的发展过程。 可将开好缺口的试样置于可使试样通过稳恒电流的试验机上，并施以周期性载荷。例如，金属镍在低周期应力疲劳过程中，电阻变化曲线如图4.11所示，周期为每分钟一个应力循环。在疲劳过程中，电阻变化可分为四个阶段，第1、2阶段电阻变化不大，即疲劳开始阶段，试样内部缺陷无明显变化；第3阶段电阻值随疲劳应力次数增加开始逐渐增大，表明试样内部缺陷的密度不断增加；第4阶段电阻变化幅度最大，原因之一是内部缺陷密度急剧增长，而且原有的内部微裂纹已扩展到试样表面，所以引起电阻大幅度增大。 4.6半导体与p-n结 4.6.1本征半导体与非本征半导体 半导体材料无论按电阻率（ρ=10-3～109Ω·m）还是按能带理论（禁带宽度Eg = 0.2～3.5eV），其电学性能都介于金属导体（ρ＜10-5Ω·m，Eg =0）与绝缘体（ρ＞109Ω·m，Eg ＞3.5eV）之间。半导体一般以硅或锗为主体材料，由于锗易于提纯，所以最先得到应用。 所谓本征半导体是指纯净的无结构缺陷的半导体单晶，在0K和无外界影响的条件下，半导体的导带中无电子，所以很纯的单晶硅基本不导电。但当温度升高或受光照射时，电子占据导带能级的可能性增加了，半导体的导电性也随之增加。在实际应用中由于本征半导体中电子和空穴两种载流子数量相等，而且载流子较少，因此，导电性能主要靠半导体的掺杂特性来解决。在半导体材料的实际制备中常常人为地引入一定数量的杂质和缺陷。当杂质和缺陷所形成的电导超过本征电导时，就称为非本征半导体。 4.6.1.1 n型半导体 如果向本征半导体中添加像磷、砷、锑这样的5价元素时，就相当于给本征半导体注入了价电子，使晶体中自由电子的浓度增加。因为磷、砷、锑中的4个价电子会参与本征半导体（硅或锗）的共价键结合，当它顶替本征半导体晶格中的一个4价元素原子时，还余下1个价电子，这个价电子就会进入导带参与导电，如图4.12所示。 4.6.1.2 p型半导体 如果向本征半导体中添加像硼、铝、镓、铟这样的3价元素时，因为没有足够的电子参与共价键的结合，当它顶替本征半导体晶格中的一个4价元素的原子时，必然缺少一个价电子，形成一个空位，如图4.13所示。在价电子共有化运动中，相邻的4价元素原子上的价电子很容易来填补这个空位，从而产生一个空穴。像硼、铝、镓、铟这样向本征半导体提供空穴作为载流子的杂质元素称为受主。掺入了受主杂质的的非本征半导体以正电荷 （空穴）作为载流子，称为p型半导体（positive，表示负电荷的意思）。 4.6.2 p-n结 使p型半导体和n型半导体相接触，在它们相接触的区域就形成了p-n结。p-n结具有整流、击穿、电容等一系列特性，是半导体器件的基础部分。普通半导体二极管就是一个p-n结，半导体三极管（或晶体管）和场效应晶体管则是由两个p-n结构成的。将诸多二极、三极管及L、R、C等元件做在同一块半导体晶片上就成了半导体集成电路。 4.6.2.1 p-n结的整流特性 整流器就是将n型和p型两种半导体连接成为一个p-n结而制成的。其作用是将交流电变为直流电。在一个p－n结中，一个p型半导体和一个n型半导体结合，n型半导体中电子浓度大，p型半导体中空穴浓度大。这种电荷的不平衡在p-n结两端产生一个电势，如图4.14（a）所示。如果外加一个电压，使负极与n型半导体连接，正极与p型半导