電子導(dǎo)電電子導(dǎo)電材料

導(dǎo)電材料是電子元器件和集成電路中應(yīng)用最廣泛的一種材料，用來制造傳輸電能的電線、電纜，傳導(dǎo)電信息的導(dǎo)線、引線和布線。導(dǎo)電材料最主要的性質(zhì)是良好的導(dǎo)電性能，希望其電阻率盡可能的?。ā?0Ω·m）。根據(jù)使用目的不同，除了導(dǎo)電性外，有時還要求有足夠的機械強度、耐磨、彈性、耐高溫、抗氧化、耐蝕、耐電弧、高的熱導(dǎo)率等。導(dǎo)電材料主要包括金屬、電極、厚膜導(dǎo)電材料、薄膜導(dǎo)電材料等。

電子導(dǎo)電金屬

金屬導(dǎo)電材料，用得最多的是銅，其次是鋁、鐵等。

1）銅及銅合金

銅的密度為8.92g/cm³，熔點為1083.4℃，沸點為2567℃，氣化溫度為1132℃，再結(jié)晶溫度為200～300℃，電阻率為1.67μΩ·cm，電阻溫度系數(shù)（TCR）為4300×10^-6/℃：銅的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方體，晶格常數(shù)為0.3617nm。為了保證銅合金既具有高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性能，又具有高強度、良好的斷后伸長率等加工性能，可以采用粉末冶金法生產(chǎn)彌散強化銅和采用時效熱處理法生產(chǎn)高導(dǎo)電性、高強度銅合金。

用作導(dǎo)電材料的銅由電解法制得，即所謂電解銅，其純度在99.90%以上，含有極少量的Au、Ag、Ce、Pb、Sb等雜質(zhì)。電解銅鑄造后加工退火成為制品，在常溫下壓延或拉伸處理后質(zhì)地較硬。

2）鋁及鋁合金

鋁是具有僅次于銅的電導(dǎo)率的金屬，近年來由于銅產(chǎn)量的不足而作為銅的代用材料而得到廣泛應(yīng)用。

鋁的物理性質(zhì)根據(jù)其純度的不同而相差較大。一般純度越高，電導(dǎo)率和電阻溫度系數(shù)越高，抗拉強度和硬度越小，耐腐性越強。作為導(dǎo)電材料用的鋁線一般為硬引線。

電子導(dǎo)電電極

電極是電容器的重要組成部分，它在電容器中起著形成電場、聚集電荷的作用。盡管電極的形式隨著電容器的結(jié)構(gòu)不同而有變化，但作用是相同的。

鋁的導(dǎo)電性能僅次于金、銀和銅，是一種良好的導(dǎo)電材料。由于鋁的面心立方晶格結(jié)構(gòu)而富于延展性，具有優(yōu)良的加工性。其力學(xué)強度良好，密度又小，因此，在電子元器件中，廣泛用作電板和引線材料。

電子導(dǎo)電厚膜導(dǎo)電材料

在厚膜混合集成電路中，厚膜導(dǎo)電材料的作用是固定分立的有源器件和無源元件，作為元件之間的互連線，厚膜電容的上、下電板及外引線的焊區(qū)等。厚膜導(dǎo)電材料漿料是厚膜工藝中使用的一種漿料，現(xiàn)在常用的漿料是含貴金屬的厚膜導(dǎo)電材料漿料，所用的貴金屬主要為金，銀-金合金以及銀、鉑、鈀的二元或三元合金。這些厚膜導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性能很好，并且鉑-金導(dǎo)體具有非常好的抗焊料溶解性。

由于貴金屬價格上漲．需要尋求價格低廉而性能優(yōu)良的新導(dǎo)體材料，因此出現(xiàn)了一起賤金屬厚膜導(dǎo)電材料，常見的有銅、鎳-硼合金、鋁-硼合金。其中銅導(dǎo)體是比較成熟的。

電子導(dǎo)電薄膜導(dǎo)電材料

薄膜導(dǎo)電材料的電阻率高于同種的塊狀材料，這是由于薄膜的厚度較薄從內(nèi)產(chǎn)生表面散射效應(yīng)，以及薄膜具有較高的雜質(zhì)和缺陷濃度所造成的結(jié)果。連續(xù)金屬薄膜的電阻率為聲子、雜質(zhì)、缺陷、晶界和表面對電子散射所產(chǎn)生的電阻率之和。

薄膜導(dǎo)電材料分為兩類：單元素薄膜和多層薄膜。前者系指用單一金屬形成的薄膜導(dǎo)電材料，其主要材料是鋁膜；后者系指不同的金屬膜構(gòu)成的薄膜導(dǎo)電材料，有二元系統(tǒng)（如鉻-金）三元系統(tǒng)（如鈦-鈀-金）；四元系統(tǒng)（如鈦-銅-鎳-金）等。薄膜混合集成電路中，應(yīng)用最為廣泛的薄膜導(dǎo)電材料是多層薄膜。這是因為多層薄膜能較好地滿足對薄膜導(dǎo)電材料的要求。

電子或空穴的遷移率比離子大得多，因此材料中即使有少量的電子或空穴存在時，其對電導(dǎo)的貢獻不能忽略，并取決于這類載流子的濃度。相對于不同的載流子濃度，陶瓷材料電子導(dǎo)電行為可以相差很大，從接近于金屬到接近于絕緣體。

電子導(dǎo)電的特征是具有Hall效應(yīng)，即當電流流過試樣時，如在垂直于電流方向上施加一個磁場，則會在垂直于電流和磁場的平面上產(chǎn)生一個電場。如果材料中存在自由電子或空穴，它們在電場作用下會產(chǎn)生定向移動。由于離子的質(zhì)量比電子大得多，因而在磁場的作用下離子不會產(chǎn)生橫向移動。因此，利用Hall效應(yīng)可以區(qū)分陶瓷材料是離子導(dǎo)電還是電子（空穴）導(dǎo)電。

陶瓷材料的電子導(dǎo)電從本質(zhì)上說有兩類：一類是由材料本身能帶中的電子引起的，如過渡金屬氧化物VO、TiO、CrO₂等。由于電子軌道的重疊，產(chǎn)生寬的未填滿的d或f能帶，從而引起10²²～10₂₃/cm³濃度的準自由電子，形成類似金屬的電導(dǎo)，這種情況在陶瓷材料中并不多見。另一類是由于電子或空穴的移動引起的，這是陶瓷材料中電子導(dǎo)電的主要原因。

在化學(xué)計量整數(shù)比的純材料中，電子的數(shù)目等于空穴的數(shù)目。但由于摻雜和晶體缺陷等原因，材料中的電子數(shù)目可以不等于空穴的數(shù)目，典型的為P型（空穴多余）和n型（電子多余）兩類半導(dǎo)體。電子導(dǎo)電的電導(dǎo)率正比于載流子的濃度和遷移率。陶瓷材料中的載流子通常有三個來源：本征激發(fā)、雜質(zhì)激發(fā)和偏離化學(xué)計量比。圖2示意性地畫出了這三種激發(fā)過程。這里E_g代表能帶間隙，離導(dǎo)帶較近的E_d代表施主能級，它可以被離子化而給出一個電子。離價帶較近的E_a代表受主能級，它可以接受一個電子而被離子化。

固體電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)可分為晶體和非晶體或無定形體兩類，晶體可以是離子晶體如LiF等鹵化物，或共價晶體如金剛石之類，無定形結(jié)構(gòu)如玻璃。另外也有許多是非完整的晶體，或是顆粒很小的微晶。因此很難用統(tǒng)一的模型來描述電介質(zhì)內(nèi)電子電導(dǎo)的過程。一般來說，電子電導(dǎo)包括電子激發(fā)到導(dǎo)帶以及導(dǎo)帶中電子遷移兩步。

電介質(zhì)在弱電場下，由于熱運動激發(fā)而進入導(dǎo)帶的電子數(shù)極少，電介質(zhì)內(nèi)的電子流小到可以忽略不計，否則就成為半導(dǎo)體了。但是，當電場強度超過某臨界值時，可能發(fā)生其他形式的電子發(fā)射，使導(dǎo)帶中的電子濃度明顯增長。由電場引起的電子發(fā)射形式大致有六種不同情況，如圖1所示。

圖1表示電介質(zhì)放在金屬A和金屬B兩個電極之間，由于電場的作用，使能帶發(fā)生傾斜，這就引起了不同形式的電子發(fā)射。圖中過程①是電子從電介質(zhì)的價帶穿過禁區(qū)直接進入導(dǎo)帶，這叫齊納（Zener）效應(yīng)；過程②是電子從禁區(qū)的雜質(zhì)能級直接進入導(dǎo)帶；電子也可以從金屬電極的導(dǎo)帶直接進入電介質(zhì)的導(dǎo)帶③，或電子由電介質(zhì)的價帶進入電極金屬的導(dǎo)帶④。以上四種形式是屬于量子力學(xué)隧道發(fā)射過程。另外，電子可以從電極的導(dǎo)帶越過勢壘進入電介質(zhì)的導(dǎo)帶⑤，這叫肖特基效應(yīng)；電子也可以從電介質(zhì)的雜質(zhì)能級越過勢壘進入導(dǎo)帶⑥，這叫Poole-Frenkel效應(yīng)。

傳統(tǒng)的陶瓷材料，雖然是不導(dǎo)電的絕緣體，但通過摻雜加熱或其它激發(fā)方法，外層價電子獲得足夠能量，擺脫原子核對它的束縛和控制，成為自由電子(或空穴)即可參與導(dǎo)電 。

電子導(dǎo)電陶瓷是指由自由電子(或空穴在電場作用下作定向運動而產(chǎn)生高電導(dǎo)率的陶瓷。

屬于電子導(dǎo)電的陶瓷還有LaNi0₂、LaMnO₃(sr)、CoCrO₄、 LaCoO₃(sr)、InO₂/SnO₂、SiC、MoSi₂等 。