[科普中国]-电子导电

电子导电由于自由电子的定向移动而导电的现象。在经典电子理论中，假定金属中存在着自由电子（即金属原子中的价电子）和正离子，正离子构成晶体点阵，而自由电子不断地在晶体中作不规则的运动，因此金属中无电子做定向运动，故不形成电流。当金属处于电场中时，每个电子都受到电场力的作用，使自由电子沿着和场强相反的方向相对于晶体点阵作定向运动，自由电子这种定向运动形成电流，因为载流子是电子，故称为电了导电，在半导体中导带中的电子具有导电性，在外电场力的作用下可以形成电流，故也属于电子导电。1

简介固体电介质的结构可分为晶体和非晶体或无定形体两类，晶体可以是离子晶体如LiF等卤化物，或共价晶体如金刚石之类，无定形结构如玻璃。另外也有许多是非完整的晶体，或是颗粒很小的微晶。因此很难用统一的模型来描述电介质内电子电导的过程。一般来说，电子电导包括电子激发到导带以及导带中电子迁移两步。

电介质在弱电场下，由于热运动激发而进入导带的电子数极少，电介质内的电子流小到可以忽略不计，否则就成为半导体了。但是，当电场强度超过某临界值时，可能发生其他形式的电子发射，使导带中的电子浓度明显增长。由电场引起的电子发射形式大致有六种不同情况，如图所示。

上图表示电介质放在金属A和金属B两个电极之间，由于电场的作用，使能带发生倾斜，这就引起了不同形式的电子发射。图中过程①是电子从电介质的价带穿过禁区直接进入导带，这叫齐纳（Zener）效应；过程②是电子从禁区的杂质能级直接进入导带；电子也可以从金属电极的导带直接进入电介质的导带③，或电子由电介质的价带进入电极金属的导带④。以上四种形式是属于量子力学隧道发射过程。另外，电子可以从电极的导带越过势垒进入电介质的导带⑤，这叫肖特基效应；电子也可以从电介质的杂质能级越过势垒进入导带⑥，这叫Poole-Frenkel效应。2

一般特点电子或空穴的迁移率比离子大得多，因此材料中即使有少量的电子或空穴存在时，其对电导的贡献不能忽略，并取决于这类载流子的浓度。相对于不同的载流子浓度，陶瓷材料电子导电行为可以相差很大，从接近于金属到接近于绝缘体。

电子导电的特征是具有Hall效应，即当电流流过试样时，如在垂直于电流方向上施加一个磁场，则会在垂直于电流和磁场的平面上产生一个电场。如果材料中存在自由电子或空穴，它们在电场作用下会产生定向移动。由于离子的质量比电子大得多，因而在磁场的作用下离子不会产生横向移动。因此，利用Hall效应可以区分陶瓷材料是离子导电还是电子（空穴）导电。

陶瓷材料的电子导电从本质上说有两类：一类是由材料本身能带中的电子引起的，如过渡金属氧化物VO、TiO、CrO2等。由于电子轨道的重叠，产生宽的未填满的d或f能带，从而引起1022～1023/cm3浓度的准自由电子，形成类似金属的电导，这种情况在陶瓷材料中并不多见。另一类是由于电子或空穴的移动引起的，这是陶瓷材料中电子导电的主要原因。

在化学计量整数比的纯材料中，电子的数目等于空穴的数目。但由于掺杂和晶体缺陷等原因，材料中的电子数目可以不等于空穴的数目，典型的为P型（空穴多余）和n型（电子多余）两类半导体。电子导电的电导率正比于载流子的浓度和迁移率。陶瓷材料中的载流子通常有三个来源：本征激发、杂质激发和偏离化学计量比。下图示意性地画出了这三种激发过程。这里Eg代表能带间隙，离导带较近的Ed代表施主能级，它可以被离子化而给出一个电子。离价带较近的Ea代表受主能级，它可以接受一个电子而被离子化。 代表缺陷能级或离子化能级。3

电子导电材料导电材料是电子元器件和集成电路中应用最广泛的一种材料，用来制造传输电能的电线、电缆，传导电信息的导线、引线和布线。导电材料最主要的性质是良好的导电性能，希望其电阻率尽可能的小（≤10Ω·m）。根据使用目的不同，除了导电性外，有时还要求有足够的机械强度、耐磨、弹性、耐高温、抗氧化、耐蚀、耐电弧、高的热导率等。导电材料主要包括金属、电极、厚膜导电材料、薄膜导电材料等。

金属金属导电材料，用得最多的是铜，其次是铝、铁等。

1）铜及铜合金

铜的密度为8.92g/cm3，熔点为1083.4℃，沸点为2567℃，气化温度为1132℃，再结晶温度为200～300℃，电阻率为1.67μΩ·cm，电阻温度系数（TCR）为4300×10-6/℃：铜的晶体结构为面心立方体，晶格常数为0.3617nm。为了保证铜合金既具有高导电性、高导热性能，又具有高强度、良好的断后伸长率等加工性能，可以采用粉末冶金法生产弥散强化铜和采用时效热处理法生产高导电性、高强度铜合金。

用作导电材料的铜由电解法制得，即所谓电解铜，其纯度在99.90%以上，含有极少量的Au、Ag、Ce、Pb、Sb等杂质。电解铜铸造后加工退火成为制品，在常温下压延或拉伸处理后质地较硬。

2）铝及铝合金

铝是具有仅次于铜的电导率的金属，近年来由于铜产量的不足而作为铜的代用材料而得到广泛应用。

铝的物理性质根据其纯度的不同而相差较大。一般纯度越高，电导率和电阻温度系数越高，抗拉强度和硬度越小，耐腐性越强。作为导电材料用的铝线一般为硬引线。

电极电极是电容器的重要组成部分，它在电容器中起着形成电场、聚集电荷的作用。尽管电极的形式随着电容器的结构不同而有变化，但作用是相同的。

铝的导电性能仅次于金、银和铜，是一种良好的导电材料。由于铝的面心立方晶格结构而富于延展性，具有优良的加工性。其力学强度良好，密度又小，因此，在电子元器件中，广泛用作电板和引线材料。

厚膜导电材料在厚膜混合集成电路中，厚膜导电材料的作用是固定分立的有源器件和无源元件，作为元件之间的互连线，厚膜电容的上、下电板及外引线的焊区等。厚膜导电材料浆料是厚膜工艺中使用的一种浆料，现在常用的浆料是含贵金属的厚膜导电材料浆料，所用的贵金属主要为金，银-金合金以及银、铂、钯的二元或三元合金。这些厚膜导电材料的导电性能很好，并且铂-金导体具有非常好的抗焊料溶解性。

由于贵金属价格上涨．需要寻求价格低廉而性能优良的新导体材料，因此出现了一起贱金属厚膜导电材料，常见的有铜、镍-硼合金、铝-硼合金。其中铜导体是比较成熟的。

薄膜导电材料薄膜导电材料的电阻率高于同种的块状材料，这是由于薄膜的厚度较薄从内产生表面散射效应，以及薄膜具有较高的杂质和缺陷浓度所造成的结果。连续金属薄膜的电阻率为声子、杂质、缺陷、晶界和表面对电子散射所产生的电阻率之和。

薄膜导电材料分为两类：单元素薄膜和多层薄膜。前者系指用单一金属形成的薄膜导电材料，其主要材料是铝膜；后者系指不同的金属膜构成的薄膜导电材料，有二元系统（如铬-金）三元系统（如钛-钯-金）；四元系统（如钛-铜-镍-金）等。薄膜混合集成电路中，应用最为广泛的薄膜导电材料是多层薄膜。这是因为多层薄膜能较好地满足对薄膜导电材料的要求。4

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学