第五章材料的电学性能材料物理ppt课件

1、 5.1 5.1 电导性能电导性能 5.2 5.2 无机材料的电导无机材料的电导 5.3 5.3 半导体陶瓷的物理效应半导体陶瓷的物理效应 5.4 5.4 超导体超导体 5.5 5.5 介电性能介电性能 5.6 5.6 介质损耗介质损耗 5.7 5.7 介电强度介电强度5.1 5.1 电导性能电导性能一、电导的宏观参数一、电导的宏观参数二、电导的物理特性二、电导的物理特性三、离子电导与电子电导三、离子电导与电子电导四、导电性的测量四、导电性的测量一、电导的宏观参数一、电导的宏观参数电导率与电阻率电导率与电阻率(Electrical conductivity and Resistivity )导

2、电：在材料两端施加电压导电：在材料两端施加电压V时，材料中有电流时，材料中有电流I通过，通过，这种现象称为这种现象称为“导电导电”。RVI 欧姆定律：欧姆定律：（均匀导体）（均匀导体）SLR材料电阻材料电阻电阻率电阻率SJI J ：电流密度：电流密度 A/cm2S：横截面积：横截面积 cm2电流均匀：电流均匀：电场强度均匀：电场强度均匀：LEV E ：电场强度：电场强度 V/cmL：长度：长度 cmRLESJ EERSLJ1SLR ：电阻率：电阻率 cm cmLRS：电导率：电导率 -1cm-1 Scm-1 S为西门子为西门子Siemens ）1电阻率：电阻率：电导率电导率:电阻电阻R不仅与材

3、料本性有关，而且与导体的几何形状有关，不仅与材料本性有关，而且与导体的几何形状有关，电阻率电阻率只与材料本性有关，与导体的几何形状无关。只与材料本性有关，与导体的几何形状无关。EEJ欧姆定律的微分形式：欧姆定律的微分形式：非均匀导体非均匀导体根据导电性能的好坏，材料分为：根据导电性能的好坏，材料分为：导体：导体： 1010m半导体：半导体： 10 -2 1010 m材料的导电能力决定于其结构与导电本质。材料的导电能力决定于其结构与导电本质。 越小，越小， 越大，材料的导电性能就越好。越大，材料的导电性能就越好。2. 体积电阻与体积电阻率体积电阻与体积电阻率SVIII体积电流体积电流表面电流表面

4、电流体积电阻：体积电阻：表面电阻：表面电阻：VVIVR/SSIVR/SVRRR111总电流：ShRVVRV 反映材料的导电能力反映材料的导电能力 Rs 与表面环境有关，不反映材料的导电能力与表面环境有关，不反映材料的导电能力 体积电阻率体积电阻率v(cm)v(cm)是表征材料电阻性能的本征参是表征材料电阻性能的本征参数，只与材料有关。数，只与材料有关。板状样品厚度板状样品厚度cmcm板状样品电极面积板状样品电极面积cm2cm2关键是测量材料的体电阻。关键是测量材料的体电阻。 板状试样板状试样h电极电极管状试样管状试样xldxdRVV212ln2221rrlxdxlRVrrVV圆片试样圆片试样a

5、bgr1hr2主电极主电极 a 环形电极环形电极 g 全电极全电极 b VE I若两环形电极若两环形电极a a，g g间为等电位，其表面电阻可忽略。间为等电位，其表面电阻可忽略。 21rS主电极主电极a a的有效面积：的有效面积：21rhRVVhrIVhrRVV2121221)(4rrS221)(4rrhShRVVVIVhrrV4)(221精确测定的经验公式：精确测定的经验公式： 3. 表面电阻与表面电阻率表面电阻与表面电阻率板状试样板状试样电极电极blRSS电极间的距离电极间的距离电极的长度电极的长度表面电阻率表面电阻率S(), s S(), s 不反映材料性质，只决定于不反映材料性质，只决

6、定于样品表面状态，可通过实验测出。样品表面状态，可通过实验测出。圆片试样圆片试样I habgVx2ln21221rrxdxRsrrssIVrrs12ln2二、电导的物理特性二、电导的物理特性1. 载流子载流子电荷在空间的定向运动形成电流，电荷的自由粒子就电荷在空间的定向运动形成电流，电荷的自由粒子就是载流子。是载流子。电子电子，空穴）电子电子，空穴）离子正、负离子，空位）离子正、负离子，空位） 无机非金属材料中的载流子：无机非金属材料中的载流子：金属导体中的载流子：金属导体中的载流子： 自由电子自由电子电子电导、离子电导电子电导、离子电导 电子电导和离子电导具有不同的物理效应，利用其特有电子电

7、导和离子电导具有不同的物理效应，利用其特有的物理效应可以判断和确定材料的电导性质。的物理效应可以判断和确定材料的电导性质。 2. 电导率的一般表达式电导率的一般表达式物体导电现象的微观本质：载流子在电场作用下的定物体导电现象的微观本质：载流子在电场作用下的定向迁移。向迁移。单位体积内的载流子数为单位体积内的载流子数为 ncm-3）每一载流子的荷电量为每一载流子的荷电量为q单位体积内参加导电的自由电荷为单位体积内参加导电的自由电荷为nq每一载流子在电场方向的平均速度为每一载流子在电场方向的平均速度为v（ cm /s）单位时间单位时间1s通过单位面积通过单位面积S的电荷量，即电流密度：的电荷量，即

8、电流密度：nqvJ EEJEnqvEJ/迁移率迁移率(mobility)：单位电场下载流子的移动速度：单位电场下载流子的移动速度v/Ecm2/sV）nqu若同时有数种载流子，总电导率：若同时有数种载流子，总电导率：iiiiiqni反映了电导率的微观本质：宏观电导率反映了电导率的微观本质：宏观电导率与微观载流子浓与微观载流子浓度度n，电荷量，电荷量q与迁移率与迁移率的关系。的关系。3. 电导的物理效应电导的物理效应当沿试样当沿试样x x轴方向通入电流密度为轴方向通入电流密度为JxJx的电流，同时在的电流，同时在z z轴轴方向加上磁场强度为方向加上磁场强度为HzHz的磁场，由于磁场的作用，速度的磁

9、场，由于磁场的作用，速度为为vxvx的电子受到磁场力的电子受到磁场力FHFH的作用力，磁场力使电子产生的作用力，磁场力使电子产生偏移在偏移在y y方向上形成电场，这一现象称为霍尔效应，产方向上形成电场，这一现象称为霍尔效应，产生的电场称之为霍尔场生的电场称之为霍尔场EH=EyEH=Ey。 xyzFy=eEyEH：霍尔场）：霍尔场）HZJxFH=Hzevx磁场力）磁场力）平衡状态电子受到的电场力与磁场力平衡）：平衡状态电子受到的电场力与磁场力平衡）： xzHevHeE霍尔系数霍尔系数: RH: RH1/ne 1/ne nevJ xzHvHEneJv/xzHxzHJHRJHneE1根据电导率公式根

10、据电导率公式n e n e ，可得到霍尔迁移率，可得到霍尔迁移率HH： HHR在一定实验条件下，通过测定在一定实验条件下，通过测定RH和和，可以求出载流子浓度，可以求出载流子浓度n和迁移率和迁移率 电解现象：离子迁移伴随着一定的质量变化，离子在电解现象：离子迁移伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失电化学反应），电极附近发生电子得失电化学反应），产生新的物质。产生新的物质。 zFQCQg/g g电解物质的量电解物质的量molmol）Q Q通过的电量通过的电量C C）C C电化当量电化当量mol/Cmol/C）z z电解物质的化合价电解物质的化合价F F法拉第常数，法拉第常数，9.64

11、879.6487104 C/mol 104 C/mol 固体电解质的电解效应实验原理固体电解质的电解效应实验原理 MX型化合物，电解时通过电量为型化合物，电解时通过电量为Q。载流子有。载流子有M、X和和e三种。通三种。通过的总电流可分为迁移数分别为过的总电流可分为迁移数分别为te-，tx-和和tM+三个分电流。三个分电流。迁移数：指定种类的载流子所运载的电流与总电流之比。迁移数：指定种类的载流子所运载的电流与总电流之比。M(I)MX(I)MX(II)MX(III)M(II)-(1-te- )Mg+tX-MXg0-tX-MXg+(1-te- )Mg(tM+MtX-X)ge-te-QX-tX-QM

12、+t M +QgXtMtXM)(Tubandt法原理法原理M,X,MX分别为各物质原子量或分子量分别为各物质原子量或分子量+-电电极极电电极极: )()(IMXIMgXtMtgXtMtMtMtgMXtMtMttgMXtMtXMXXXMXXXexe)()()1 ()1 (gMXtgMtXe)1 (tM+MtX-X)g M(II)MX(II):1. 离子电导离子电导离子晶体中的电导主要是离子电导。离子晶体中的电导主要是离子电导。 固有离子电导本征电导）（高温显著）固有离子电导本征电导）（高温显著） 杂质电导低温显著）杂质电导低温显著）离子电导的分类：离子电导的分类：晶体点阵的基本离子随着热振动离开

13、晶格形成热晶体点阵的基本离子随着热振动离开晶格形成热缺陷离子或空位），这些带电的热缺陷就是离缺陷离子或空位），这些带电的热缺陷就是离子电导的载流子。子电导的载流子。固定较弱的离子运动造成，主要是杂质离子。固定较弱的离子运动造成，主要是杂质离子。二、离子电导与电子电导二、离子电导与电子电导interstitial atom 间隙原子间隙原子Vacancy空位空位substitutional atom置换原子置换原子interstitial atom间隙原子间隙原子点缺陷示意点缺陷示意间隙杂质原子间隙杂质原子置换杂质原子置换杂质原子弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷热热 缺缺 陷陷本征电

14、导载流子：本征电导载流子：弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷Frenkel defect）肖特基缺陷肖特基缺陷Schottky defect）晶体热缺陷晶体热缺陷)2exp(kTENnff, Frenkel defect：间隙离子和空位的浓度相等。：间隙离子和空位的浓度相等。N-单位体积内离子结点数单位体积内离子结点数Ef-F缺陷形成能缺陷形成能k-Boltzman常数常数T热力学温度热力学温度, Schottky defect ：空位浓度：空位浓度)2exp(kTENnssN单位体积内离子对的数目单位体积内离子对的数目EsS缺陷形成能缺陷形成能讨论：讨论： 浓度取决于浓度取决于T、，、，Tn，En 一

15、般离子晶体：一般离子晶体： E s Ef杂质离子载流子浓度取决于杂质的数量和种类。杂质离子载流子浓度取决于杂质的数量和种类。杂质电导载流子：杂质电导载流子：离子电导的微观机构：载流子即离子的扩散，所以离离子电导的微观机构：载流子即离子的扩散，所以离子电导与离子扩散难易有关。子电导与离子扩散难易有关。 0U位置位置x势能势能U)exp(600kTUp 0：间隙原子的振动频率。：间隙原子的振动频率。热运动宏观上无电导现象热运动宏观上无电导现象 无外加电场时间隙离子运动状况无外加电场时间隙离子运动状况外加电场外加电场E E间隙离子运动状况间隙离子运动状况外加电场改变了原周期作外加电场改变了原周期作用

16、势垒，沿用势垒，沿x方向每一个方向每一个原子间距原子间距，势垒相对降，势垒相对降低低qE 0UABUEq2/A B 克服势垒克服势垒U0- UB A 克服势垒克服势垒U0+ U2 UqEkTUUpkTUUpABBA/ )(exp6/ )(exp60000ABBApppkTUkTUkTU/exp/exp)/exp(600间隙离子迁移速度间隙离子迁移速度:pvkTUkTUkTU/exp/exp)/exp(600单位时间间隙离子沿电场方向的净跃迁次数为单位时间间隙离子沿电场方向的净跃迁次数为:电场强度不大时，电场强度不大时，UkT，指数式可展开简化为：，指数式可展开简化为：/11U kTU kTUe

17、kTUekT kTUkTUv2)/exp(600EkTUkTqv)/exp(6020迁移速度简化为：迁移速度简化为：2 UqE载流子沿电场方向的迁移率为：载流子沿电场方向的迁移率为：)/exp(6002kTUkTqEvv 离子迁移率与电场强度无关离子迁移率与电场强度无关v 迁移率与晶体结构有关迁移率与晶体结构有关(、U0U0、0 ) 0 ) v 指数项受温度影响较大指数项受温度影响较大讨论：讨论： 在弱电场作用下，在弱电场作用下，：晶格间距：晶格间距cm）0：间隙离子的振动频率：间隙离子的振动频率hz) q：间隙离子的电荷数：间隙离子的电荷数C)k：波尔兹曼常数：波尔兹曼常数 0.86 104

18、eV/K）U0：无外加电场时间隙离子的势垒（：无外加电场时间隙离子的势垒（ eV ）qnSchottky defect引起的本征离子电导率：引起的本征离子电导率：)exp()21(exp6)exp(6)2exp(022022kTWAkTEUkTqNkTUkTqkTENssssssWs电导活化能，包括缺陷形成能与迁移能电导活化能，包括缺陷形成能与迁移能As常数常数 本征离子电导率一般表达式：本征离子电导率一般表达式：)exp()exp(111TBAkTWAB1W / kA1常数常数 杂质离子电导率一般表达式：杂质离子电导率一般表达式：)exp(22TBAA2N2q226kTB2B1，12BBee

19、杂质电导率比本征电导率大得多，杂质电导率比本征电导率大得多，离子晶体的电导主要为杂质电导。离子晶体的电导主要为杂质电导。物质中存在多种载流子，总电导率：物质中存在多种载流子，总电导率：iiiTBA)exp(杂质离子浓度杂质离子浓度离子扩散机构离子扩散机构载流子：空位载流子：空位载流子：间隙原子载流子：间隙原子“接力式运动接力式运动 温度温度随着温度的升高，离子电导按指数规律增加。随着温度的升高，离子电导按指数规律增加。 晶体结构晶体结构 熔点高，晶体结合力大，活化能高，电导率低；熔点高，晶体结合力大，活化能高，电导率低； 正离子电荷少，半径小，活化能低，电导率高；正离子电荷少，半径小，活化能低

20、，电导率高； 晶体结构致密，间隙离子迁移困难，电导率低。晶体结构致密，间隙离子迁移困难，电导率低。活化能活化能W W）形成离子电导的离子型晶体必须具有两个条件形成离子电导的离子型晶体必须具有两个条件: :v 电子载流子浓度小；电子载流子浓度小；v 离子晶格缺陷浓度大并参与电导。离子晶格缺陷浓度大并参与电导。 晶格缺陷晶格缺陷离子电导的关键：离子性晶格缺陷的形成及其浓度大小离子电导的关键：离子性晶格缺陷的形成及其浓度大小 , 热激励生成晶格缺陷热激励生成晶格缺陷F F、S S缺陷）缺陷）, 不等价固溶掺杂生成晶格缺陷不等价固溶掺杂生成晶格缺陷, 非化学计量比产生晶格缺陷气氛，压力非化学计量比产生

21、晶格缺陷气氛，压力）Y2O3 2YZr +VO+3OOZrO22ZrO2 2Zr.Y +Oi+3OOY2O3离子型缺陷的产生总或多或少的伴随着电子的产生，呈现离子型缺陷的产生总或多或少的伴随着电子的产生，呈现出电子电导。总电导率离子电导率电子电导率。出电子电导。总电导率离子电导率电子电导率。eihheeedddieneneZn|nd， ne， nh分别为离子缺陷、电子和空穴的浓度分别为离子缺陷、电子和空穴的浓度d， e， h分别为离子缺陷、电子和空穴的迁移分别为离子缺陷、电子和空穴的迁移率率 Zd 离子缺陷的有效价数离子缺陷的有效价数稳定稳定ZrO2的氧脱离形成氧空位：的氧脱离形成氧空位：OO

22、 1/ 2O2 + VO +2e-离子迁移数：离子迁移数：电子迁移数：电子迁移数：)/(/)/(/eieeeeiiiitt99. 099. 0iitt离子电导体离子电导体混合电导体混合电导体2. 电子电导电子电导电子电导的载流子是电子或空穴电子空位），电子电电子电导的载流子是电子或空穴电子空位），电子电导主要发生在导体金属和半导体中。导主要发生在导体金属和半导体中。自由电子在外电场自由电子在外电场E的作用下，作加速运动的作用下，作加速运动经典力学理论经典力学理论加速度：加速度：E电场强度电场强度e电子电荷量电子电荷量m电子质量电子质量meEa ne晶格热振动、杂质、缺陷的作用碰撞使电子产生散射

23、，晶格热振动、杂质、缺陷的作用碰撞使电子产生散射，两次碰撞之间的平均时间为两次碰撞之间的平均时间为2，电子的平均速度为：，电子的平均速度为：meEv/ 松弛时间松弛时间 与晶格缺陷及温度有关，温度越高，晶体缺陷越多，电子与晶格缺陷及温度有关，温度越高，晶体缺陷越多，电子散射几率越大，散射几率越大， 越小。越小。meEv实际晶体中的电子不是实际晶体中的电子不是“自在的，必须考虑晶格场对电子自在的，必须考虑晶格场对电子的作用。的作用。量子力学理论量子力学理论电子有效质量电子有效质量m*（考虑了晶格场对电子的作用）（考虑了晶格场对电子的作用）12222*)(4dkdhm 电子能量电子能量hPlank

24、常数常数k 波矢量波矢量(波数波数)自由电子：自由电子：mm *晶体中的电子：晶体中的电子：emm *meEv电子和空穴的有效质量电子和空穴的有效质量m*取决于材料性质，取决于材料性质， 由载流子由载流子的散射决定。散射弱的散射决定。散射弱, 长长, 高。高。掺杂浓度和温度对掺杂浓度和温度对的影响的影响, ,本质上是对载流子散射强弱本质上是对载流子散射强弱的影响。的影响。 晶格散射晶格散射晶格振动晶格振动: 半导体晶体中规则排列的晶格半导体晶体中规则排列的晶格,在其晶格在其晶格点阵附近产生的热振动。点阵附近产生的热振动。晶格散射晶格散射: 由晶格振动引起的散射。由晶格振动引起的散射。温度温度

25、晶格振动晶格振动 晶格散射晶格散射 低掺杂半导体迁移率随温度升高而大幅下降的原因。低掺杂半导体迁移率随温度升高而大幅下降的原因。 电离杂质散射电离杂质散射高掺杂浓度时，半导体迁移率高掺杂浓度时，半导体迁移率 随温度变化较小。随温度变化较小。电离杂质产生的正负电中心对载流子的吸引或排斥作用电离杂质产生的正负电中心对载流子的吸引或排斥作用, ,导致散射。导致散射。+eh掺杂浓度掺杂浓度: : 掺杂浓度掺杂浓度 散射散射 温度温度: : 温度温度 载流子运动速度载流子运动速度 吸引或排斥吸引或排斥 散射散射 能带理论能带理论晶体中电子能级间的间隙很小，所以能级的分布可以看晶体中电子能级间的间隙很小，

26、所以能级的分布可以看成是准连续的，称为能带。成是准连续的，称为能带。禁带：禁止电子具有的能级组成的能带。禁带：禁止电子具有的能级组成的能带。允带：电子可以具有的能级组成的能带。允带：电子可以具有的能级组成的能带。电子可以具有允带中各能级的能量，但允带中每个能级电子可以具有允带中各能级的能量，但允带中每个能级只能允许有两个自旋反向的电子存在。只能允许有两个自旋反向的电子存在。导带：具有空能级允带中的电子是自由的，在外加电场导带：具有空能级允带中的电子是自由的，在外加电场作用下参与导电，这样的允带称为导带。作用下参与导电，这样的允带称为导带。空能级：允带中未被填满电子的能级。空能级：允带中未被填满

27、电子的能级。满带：所有能级均被电子填满的允带。满带：所有能级均被电子填满的允带。禁带禁带晶体中并非所有电子和价电子都参与导电，只有导带中晶体中并非所有电子和价电子都参与导电，只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。本征电导：导带中的电子电导和价带中的空穴电导同时存在。本征电导：导带中的电子电导和价带中的空穴电导同时存在。本征电导的载流子电子和空穴的浓度相等。本征电导的载流子电子和空穴的浓度相等。本征电导体：具有本征电导特性的半导体。本征电导体：具有本征电导特性的半导体。电子电子空穴空穴导带底部能级导带底部能级费米费米Fermi能级能级价带顶部能级价带顶

28、部能级电子存在几率为电子存在几率为1/21/2的能级的能级本征半导体中的载流子电子与空穴由热激发产生，其本征半导体中的载流子电子与空穴由热激发产生，其浓度与温度呈指数关系。浓度与温度呈指数关系。Nc：导带的有效状态密度：导带的有效状态密度k：波尔兹曼常数：波尔兹曼常数h：普朗克常数：普朗克常数me*：电子有效质量：电子有效质量T：绝对温度：绝对温度kTEENnfcce)(exp导带电子浓度：导带电子浓度：232*)/2(2hkTmNeV根据根据FermiFermi统计理论：统计理论：价带中的空穴浓度：价带中的空穴浓度：NV：价带的有效状态密度：价带的有效状态密度mh*：空穴有效质量：空穴有效质

29、量kTEENnVfVhexp232*)/2(2hkTmNhVN等效状态密度等效状态密度)2exp(kTENnnghe43*232)()2(2hemmhkTNhenn VcVcfNNkTEEEln21)(21n 型半导体：掺入施主杂质的半导体。型半导体：掺入施主杂质的半导体。 载流子：多余的电子载流子：多余的电子p 型半导体：掺入受主杂质的半导体空穴半导体）。型半导体：掺入受主杂质的半导体空穴半导体）。 载流子：空穴载流子：空穴5 5价杂质砷价杂质砷4 4价半导体硅价半导体硅3 3价杂质硼价杂质硼4 4价半导体硅价半导体硅施主能级施主能级受主能级受主能级kTEENNnDCDCe2)(exp)(2

30、1NC导带的有效状态密度导带的有效状态密度ND单位体积中施主原子个数单位体积中施主原子个数ED施主能级施主能级EiEC-ED, 电离能电离能kTENNiDC2exp)(21低温（低温（ EC-ED Eg)：DcDCfNNkTEEEln21)(21低温（低温（ EA-EV Eg)：kTENNkTEENNniAVVAAVh2exp)(2exp)(2121NV价带的空穴状态密度价带的空穴状态密度NA受主杂质浓度受主杂质浓度EA受主能级受主能级Ei电离能电离能, Ei=EA-EVVAAVfNNkTEEEln21)(21nq电子导体中，载流子电子和空穴的浓度、迁移率常不一电子导体中，载流子电子和空穴的浓

31、度、迁移率常不一样，计算时需分别考虑。样，计算时需分别考虑。ekTENenenheghhee)()2exp(e 和和h分别为电子与空穴的迁移率分别为电子与空穴的迁移率ekTENNekTENeiDCheg)2exp()()()2exp(21本征电导性，第一本征电导性，第一项与杂质浓度无关项与杂质浓度无关第二项与施主杂第二项与施主杂质浓度质浓度NDND有关有关高温时，第一项起主要作用高温时，第一项起主要作用低温时，第二项起主要作用低温时，第二项起主要作用本征半导体或高温时的杂质半导体的电导率与温度的关系本征半导体或高温时的杂质半导体的电导率与温度的关系: :温度变化不大时，温度变化不大时，0 可视

32、为常数。可视为常数。ln与与1/T成直线关系。成直线关系。由直线斜率可求出禁带宽度由直线斜率可求出禁带宽度Eg。)2/exp(0kTEgkTEkTEgg2/lnln)2/exp(00ekTENNekTENeiAVheg)2exp()()()2exp(21第二项与受主杂质第二项与受主杂质浓度浓度NVNV有关有关实际晶体：实际晶体：一种电子导电机构一种电子导电机构低温：杂质电子电导低温：杂质电子电导高温：本征电子电导高温：本征电子电导存在两种杂质存在两种杂质v 温度温度温度变化不大时，电导率与温度呈指数关系。电导率温度变化不大时，电导率与温度呈指数关系。电导率对温度的依赖关系主要取决于浓度项。载流

33、子浓度与对温度的依赖关系主要取决于浓度项。载流子浓度与温度符合指数式。温度符合指数式。低温区：杂质电子电导低温区：杂质电子电导高温区：本征电子电导高温区：本征电子电导中温区：饱和，杂质完全离解，载流子浓度不随温度中温区：饱和，杂质完全离解，载流子浓度不随温度变化变化v 杂质缺陷杂质缺陷施主杂质施主杂质 n n 型半导体型半导体受主杂质受主杂质 p p 型半导体型半导体价控半导体价控半导体lnnelnnh本征区饱和区ne ND-NAnh NA-ND1/T)(2/ )()(2/ )(DhAVAAeDDCNnNkEEBNnNkEEBkEBg2四、导电性的测量四、导电性的测量电导的宏观参数电导的宏观参

34、数电导的物理特性电导的物理特性电导率电导率 (1/ (1/) )体积电阻率：反映材料的导电能力体积电阻率：反映材料的导电能力 表面电阻率表面电阻率载流子电子、离子）载流子电子、离子）nqu电导的物理效应电导的物理效应霍尔效应电子电导）霍尔效应电子电导）电解效应离子电导）电解效应离子电导）离子电导与电子电导离子电导与电子电导圆片试样圆片试样小小 结结离离子子电电导导v载流子：热缺陷：载流子：热缺陷：F缺陷、缺陷、S缺陷缺陷)exp()exp(111TBAkTWAv迁移率迁移率v载流子浓度载流子浓度v电导率电导率v载流子：杂质离子载流子：杂质离子v迁移率迁移率v载流子浓度载流子浓度)exp(22T

35、BAv电导率电导率电电子子电电导导v载流子：电子或空穴载流子：电子或空穴v迁移率迁移率v载流子浓度载流子浓度v电导率电导率v载流子：多余电子载流子：多余电子v迁移率迁移率v载流子浓度载流子浓度v电导率电导率v迁移率迁移率v载流子浓度载流子浓度v电导率电导率v载流子：空穴载流子：空穴5.2 5.2 无机材料的电导无机材料的电导一、无机材料电导的混合法则一、无机材料电导的混合法则二、电流吸收现象二、电流吸收现象三、电化学老化现象三、电化学老化现象无机材料：多晶多相无机材料：多晶多相 结构复杂晶界、相界、气孔）结构复杂晶界、相界、气孔）一、无机材料电导的混合法则一、无机材料电导的混合法则陶瓷材料陶瓷

36、材料假设陶瓷材料由晶粒和晶界组成，界面和局部电场假设陶瓷材料由晶粒和晶界组成，界面和局部电场变化等影响因素可以忽略。变化等影响因素可以忽略。nBBnGGnTVV G、 B：晶粒、晶界的电导率：晶粒、晶界的电导率VG、VB：晶粒、晶界的体积分：晶粒、晶界的体积分数数n=-1n=-1串连串连n= 1n= 1并联并联n 0n 0均匀分散状态均匀分散状态将式将式(4-1)(4-1)微分微分若若n 0，那，那么么即即材料电导的对数混合法则材料电导的对数混合法则BnBBGnGGTnTdnVdnVdn111BBBGGGTTdVdVdBBGGTVVlnlnln二、电流吸收现象二、电流吸收现象给陶瓷加上直流电压

37、后，其电流先随时间减小，然后才能给陶瓷加上直流电压后，其电流先随时间减小，然后才能稳定，即其电阻需要经过一定的时间才能稳定。切断电源稳定，即其电阻需要经过一定的时间才能稳定。切断电源后，将电极短路，出现反向电流，并随时间减小到零。后，将电极短路，出现反向电流，并随时间减小到零。吸收电流吸收电流漏电电流漏电电流缘由：缘由： 外加电场作用下，正负离子定向移动，集聚在外加电场作用下，正负离子定向移动，集聚在在电极或生成新的物质；在电极或生成新的物质； 不均匀结构杂质、晶格畸变、晶界、气孔不均匀结构杂质、晶格畸变、晶界、气孔等）引起电荷集聚。等）引起电荷集聚。空间电荷的积累，即空间电荷，改变了外电场在

38、空间电荷的积累，即空间电荷，改变了外电场在陶瓷内的电位分布，引起电流变化。陶瓷内的电位分布，引起电流变化。电流吸收现象主要发生在离子电导为主的陶瓷材料中。电电流吸收现象主要发生在离子电导为主的陶瓷材料中。电子电导为主的陶瓷材料，由于电子迁移率很高，不存在空子电导为主的陶瓷材料，由于电子迁移率很高，不存在空间电荷和吸收电流现象。间电荷和吸收电流现象。三、电化学老化现象三、电化学老化现象电化学老化：电场作用下，由于化学变化引起材料性电化学老化：电场作用下，由于化学变化引起材料性能不可逆的恶化。能不可逆的恶化。缘由：缘由： 离子在电极附近发生氧化还原反应。离子在电极附近发生氧化还原反应。必要条件：必

39、要条件：介质中的离子至少有一种参加电导。介质中的离子至少有一种参加电导。5.3 5.3 半导体陶瓷的物理效应半导体陶瓷的物理效应一、压敏效应一、压敏效应二、二、PTCPTC效应效应三、三、SeebackSeeback效应效应一、压敏效应一、压敏效应Varistor Effect）对电压变化敏感的非线性电阻效对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压下，电阻应，即在某一临界电压下，电阻非常大，几乎无电流通过，超过非常大，几乎无电流通过，超过该临界电压敏感电压），电阻该临界电压敏感电压），电阻迅速降低，电流通过。迅速降低，电流通过。ZnO压敏电阻：压敏电阻： 稳压和过压保护、避雷器稳压和过压

40、保护、避雷器二、二、 PTC效应效应Positive Temperature Coefficient）在材料价控在材料价控BaTiO3BaTiO3相变点相变点附近居里点），电阻率随温附近居里点），电阻率随温度上升发生突变，显著提高，度上升发生突变，显著提高，即所谓的即所谓的PTCPTC现象。现象。运用：运用： 过热保护、过流保护、恒过热保护、过流保护、恒温发热体电饭锅、电吹温发热体电饭锅、电吹风机等）风机等）三、三、 Seeback 效应温差电动势效应）效应温差电动势效应）由于温度梯度使多数载流子从热端扩散到冷端，结果在由于温度梯度使多数载流子从热端扩散到冷端，结果在半导体两端就产生温差电动势

41、，这种现象称为温差电动半导体两端就产生温差电动势，这种现象称为温差电动势效应。势效应。n型半导体型半导体T1 T2-+-T1T2+T1T2- V Vp型半导体型半导体5.4 5.4 超导体超导体一、超导电性一、超导电性二、超导体的基本特征二、超导体的基本特征三、超导体的性能指标三、超导体的性能指标四、超导体的研究进展与应用四、超导体的研究进展与应用一、一、 超导电性超导电性超导电性：在一定的低温条件下，材料超导电性：在一定的低温条件下，材料突然失去电阻的现象称为超突然失去电阻的现象称为超导电性。导电性。1911年，荷兰科学家卡茂林年，荷兰科学家卡茂林昂内斯昂内斯Kamerlingh Onnes

42、发现：在发现：在4.2K温温度附近，水银的电阻突然下降到无法测度附近，水银的电阻突然下降到无法测量的程度，或者说电阻为零。量的程度，或者说电阻为零。临界温度临界温度Tc：材料由正常态有电阻变为超导态的温度。：材料由正常态有电阻变为超导态的温度。 零电阻、等电位零电阻、等电位超导体：具有超导电性物质。超导体：具有超导电性物质。二、超导体的基本特征二、超导体的基本特征1. 完全导电性零电阻）完全导电性零电阻）放在磁场中的环形超导体，冷却到低温使其变为超导态，放在磁场中的环形超导体，冷却到低温使其变为超导态，把外磁场突然去掉，由于磁感应作用圆环内产生感生电流，把外磁场突然去掉，由于磁感应作用圆环内产生感生电流，由于电阻为零，感生电流永不衰竭，称为永久电流。由于电阻为零，感生电流永不衰竭，称为永久电流。2. 完全抗磁性完全抗磁性Meissner效应）效应）处于超导状态的金属，不管其经历如何，内部磁感应强处于超导状态的金属，不管其经历如何，内部磁感应强度度B始终为零。始终为零。v 外加磁场不能进入