电阻率的金属导体

常用电阻率

材料电阻率(Ω m)

(1)银1.65 ×10-8

(2)铜1.75 ×10-8

(3)金2.40×10-8

(4)铝2.83 ×10-8

(5钨5.48 ×10-8

(6)铁9.78 ×10-8

(7)铂2.22 ×10-7

(8)锰铜4.4 ×10-7

(9)汞9.6 ×10-7

(10)康铜5.0 ×10-7

(11)镍铬合金1.0 ×10-6

(12)铁铬铝合金1.4 ×10-6

(13) 铝镍铁合金1.6 ×10-6

可以看出金属的电阻率较小，合金的电阻率较大，非金属和一些金属氧化物更大，而绝缘体的电阻率极大。锗、硅、硒、氧化铜、硼等的电阻率比绝缘体小而比金属大，我们把这类材料叫做半导体(semiconductors)。

总结：常态下（由表可知）导电性能最好的依次是银、铜、铝，这三种材料是最常用的，常被用来作为导线等。银的价格偏贵，因此铜用的最为广，几乎所有应用的导线都是铜制作的（精密仪器、特殊场合除外）。铝线由于化学性质不稳定容易氧化已被淘汰。由于铝密度小，取材广泛，且价格比铜便宜，被广泛用于电力系统中传输电力的架空输电线路。为解决铝材刚性不足缺陷，一般采用钢芯铝绞线，即铝绞线内部包有一根钢线，以提高强度。银导电性能最好，但由于成本高很少被采用，只有在高要求场合才被使用，如精密仪器、高频震荡器、航天等。在某些场合仪器上触点也有用金的，因为金的化学性质稳定，并不是因为其电阻率小所致。

半导体及其基本特性

1.1 金属 - 半导体 - 绝缘体

我们知道，自然界中的物质大致可分为气体、液体、固体、等离子体 4 种基本形态。在固体材料中，根据其导电性能的差异，又可分为金属、半导体和绝缘体。例如，铜、铝、金、银等金属；它们的导电本领都很大，是良好的导体；橡胶、塑料、电木等导电本领很小，是绝缘体；制造半导体器件的主要材料硅、锗、砷化镓等，它们的导电本领比导体小而比绝缘体大，叫做半导体。

物体导电本领的大小可用 电 阻 率 来表示。金属导体的电阻率约在 10 -4 W ·cm 以下，绝缘体的电阻率约在 10 9 W ·cm 以上，半导体的电子率是介于二者之间，约在 10 -4 ~ 10 9 W ·cm 。 图 1.1 列出这三类中一些重要材料的电阻率和 电导率 。

图 1.1

1.2 常见的半导体材料

• 元素半导体

有关半导体材料的研究开始于 19 世纪初。多年以来许多半导体已被研究过。 表 1.1 列出周期表中有关半导体元素的部分。在周期表第 IV 族中的元素如硅（ Si ）、锗（ Ge ）都是由单一原子所组成的元素半导体。在 20 世纪 50 年代初期，锗曾是最主要的半导体材料。但自 60 年代初期以来，硅已取而代之成为半导体制造的主要材料。现今我们使用硅的主要原因，乃是因为硅器件在室温下有较佳，且高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生。经济上的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的硅材料，远比其他半导体材料价格低廉。在二氧化硅及硅酸盐中的硅含量占地表的 25 ％，仅次于氧。到目前为止，硅可说是周期表中被研究最多且技术最成熟的半导体 元素 。

表 1.1 周期表中于半导体相关的部分

• 化合物半导体

近年来一些 化合物 半导体已被应用于各种器件中。 表 1.2 列出与两种元素半导体同样重要的化合物半导体。二元化合物半导体是由周期表中的两种元素组成。例如， III-V 族元素化合物半导体砷化镓（ GaAs ）是由 III 族元素镓（ Ga ）及 V 族元素砷（ As ）所组成。

除了二元化合物半导体外，三元及四元半导体化合物半导体也各有其特殊用途。由 III 族元素铝（ Al ）、镓（ Ga ）及 V 族元素砷（ As ）所组成的合金半导体 Al x Ga 1-x As 即是一种三元化合物半导体，而具有 A x B 1-x C y D 1-y 形式的四元化合物半导体则可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如，合金半导体 Ga x In 1-x As y P 1-y 是由磷化镓（ GaP ）、磷化铟（ InP ）、砷化铟（ InAs ）及砷化镓（ GaAs ）所组成。与元素半导体相比，制作单晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。

许多化合物半导体具有与硅不同的电和光的特性。这些半导体，特别是砷化镓（ GaAs ），主要用于高速光电器件。虽然化合物半导体的技术不如硅半导体技术成熟，但硅半导体技术的快速发展，也同时带动化合物半导体技术的成长。

1.3 半导体导电性的特点

实际上，金属、半导体和绝缘体之间的界限并不是绝对的。通常，当半导体中的杂质含量很高时，电导率很高，呈现出一定的金属性，而纯净半导体在低温下的电导率很低，呈现出绝缘性。一般半导体和金属的区别在于半导体中存在着 禁带 而金属中不存在禁带；区分半导体和绝缘体则更加困难，通常根据它们的禁带宽度及其温度特性加以区分。

半导体的导电性究竟具有哪些特点呢？大致可归纳以下几个方面：

（ 1 ）半导体的电阻率对温度的反应灵敏。纯净半导体的电阻率随温度变化很显著，而且电阻率随温度升高而下降。例如纯锗，当温度从 20 o C 升高到 30 o C 时，电阻率就降低一半左右。而金属的电阻率随温度的变化比较小，而且随温度升高电阻率增大。

（ 2 ）微量的杂质能显著地改变半导体的电阻率。例如在纯硅中掺入 6 ′ 10 15 /cm 3 的杂质磷或锑，即在硅中掺入千万分之一的杂质，就能使它的电阻率从 2.15 ′ 10 5 W ·cm 减小到 1 W ·cm ，降低了 20 万倍。晶格结构的完整与否也会对半导体导电性能有极大的影响。因此在制作半导体器件时除人为地在半导体中掺入有用杂质来控制半导体的导电性外，还要严格防止一些有害杂质对半导体的沾污，以免改变半导体的导电性能，使生产出来的器件质量下降，甚至报废。但金属中含有少量杂质时，看不出电阻率会有什么显著的变化。

（ 3 ）适当的光照可使半导体的电阻率显著改变。当某种频率的光照射半导体时，会使半导体的电阻率显著下降，这种现象叫光电导。自动控制中用到的光敏电阻就是利用半导体的光电导特性来制成的。但是，金属的电阻率不受光照影响。

总之，半导体的导电性能非常灵敏地依赖于外界条件、材料的纯度以及晶体结构的完整性等。半导体的导电性能所以有上述特点是由半导体内部特殊的微观结构所决定的，后面将叙述半导体导电的内在规律。

化学元素原子的性质是由一定数量的电荷来表示的(图3.4)，电流是在外电场或其他因素作用下促使外层电子运动而产生的，从而引起电阻和导电性发生周期性的变化。

图3.4化学元素的电阻率

多数金属矿物———方铅矿、斑铜矿、铜蓝、磁铁矿、黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿等具有电子导电性，其电阻率为10－6～10－2Ω·m。石墨具有电子导电性。主要造岩矿物———钾长石、斜长石、普通角闪石、辉石、橄榄石、石英等具有半导体或电介质的性质，其电阻率(106～1012Ω·m)极高。

岩石和矿石的电阻率通常并非某一特定值，其电阻率值在一定范围内变化。常见岩石和介质的电阻率见表3.7。火成岩与变质岩的电阻率值较高，通常在102～105Ω·m范围内变化沉积岩电阻率值—般较低，如粘土电阻率约为102～103Ω·m砂岩的电阻率约为102～103Ω·m，而灰岩电阻率则较高些。岩石的电阻率的变化与其矿物成分有关，但在很大程度上取决于它们的孔隙度或裂隙度以及其中所含水分的多少。

表3.7不同岩石和介质电阻率的变化范围

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