第一章电学性能-1

第一章电学性能

第一节材料的导电性一、电导的物理现象第一节材料的导电性对一截均匀导电体，存在如下关系：欧姆定律AreaLengthI二、电阻率（电导率）第一节材料的导电性导体：ρ<10-2

Ω.mAg：1.46X10-8绝缘体：ρ>1010

Ω.m金刚石：1014~1016Ω

半导体：1010>ρ>10-2

Ω.m第一节材料的导电性二、金属导电理论经典自由电子理论量子自由电子理论能带理论(一)、经典自由电子理论

金属晶体中，离子实构成点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是自由电子，遵循经典力学规律，可以在金属晶体中自由运动。

在外电场作用下，自由电子沿外电场方向加速运动并形成电流。N为自由电子数目，L是平均自由程，m是自由电子质量，e是电荷，t是电子两次碰撞时间。第一节材料的导电性产生电阻的原因：定向运动过程中不断与正离子发生碰撞。局限性：2，3价金属的价电子比一价金属多，但导电性比1价的金属差；不能解释超导现象；测量的电子平均自由程比理论估计的大许多。（二）、量子自由电子理论第一节材料的导电性电子具有波粒二象性：E-K线为抛物线未加电场时：泡利不相容原理：正反向运动的自由电子从低能一直排到高能态。费密能EF散射机制：电子散射电子在杂质和缺陷上的散射加电场无电场马基申定则（Matthissen’sLaw）第一节材料的导电性

能带理论认为，金属中的价电子是公有化的和能级是量子化的，所不同的是金属中由离子点阵所造成的势场不均匀，而呈周期变化。

根据原子结构理论，每个电子都占有一个分立的能级。泡利（Pauli）不相容原理指出，每个能级只能容纳2个电子。

(三)、能带理论第一节材料的导电性晶体中电子所能具有的能量范围，在物理学中往往形象化地用一条条水平横线表示电子的各个能量值（能级）。能量愈大，线的位置愈高。当N个原子相互靠近形成一个固体时，泡利不相容原理仍然成立，即在整个固体中，也只能有2个电子占据相同的能级。当这两个原子的距离足够近时，它们的2s轨道的电子就会相互作用，以致不能再维持在相同的能级。当固体中有N个原子，这N个原子的2s轨道的电子都会相互影响。这时就必须出现不同的分立能级来安排所有这些2s轨道的电子（这些电子共有2N个）。2s轨道的N个分立的能级组合在一起，成为2s的能带。

图5.1电子数量增加时能级扩展成能带第一节材料的导电性允带能隙，禁带由于电子能级间隙很小，所以能级的分布可以看成是准连续的，称为能带。

满带空带价带六、无机非金属导电机理

金属材料电导的载流子是自由电子。而无机非金属材料的载流子可以是电子、电子空穴、离子、离子空位。电子式电导：载流子是电子或电子空穴离子式电导：载流子是离子或离子空位第二节半导体的电学性能一、本征半导体的电学性能本征半导体就是指纯净的无结构缺陷的半导体单晶。

从能带理论可以知道，半导体的能带结构类似于绝缘体，存在禁带。第二节半导体的电学性能本征载流子的浓度：ni

、pi

分别为自由电子和空穴的浓度；K1为常数，其数值为4.82×1015K-3/2;T为热力学温度；k为玻尔兹曼常数；Eg为禁带宽度。可见，本征载流子浓度与温度、禁带宽度有关。自由电子和空穴的定向漂移速度分别为：μn和μp分别为平均漂移速度（迁移率）本征半导体的电流密度：

电阻率第二节半导体的电学性能本征半导体的电学特性：1、本征激发成对产生自由电子和空穴，所以自由电子浓度和空穴浓度相等，都等于本征载流子的浓度ni。2、禁带宽度Eg越大，载流子浓度ni越小。3、温度升高时载流子浓度ni增大.4、载流子浓度ni与原子浓度相比是极小的，所以半导体的导电能力很微弱。第二节半导体的电学性能二、杂质半导体的电学性能通常制造半导体的材料是杂质半导体。

n型半导体：在本征半导体中掺入5价元素的杂质（如磷、砷、锑等）就可以使晶体中自由电子浓度大大地增加。

p型半导体：在本征半导体中掺入3价元素的杂质（如硼、铝、镓、铟等）就可以使晶体中空穴浓度大大地增加。第二节半导体的电学性能（一）n型半导体掺入五价元素的杂质-----自由电子浓度增大价电子能级施主能级EC-ED施主电离能自由电子---多数载流子（多子，1.5x1014）；空穴-----少数载流子（少子，1.5x106）；电子型半导体施主杂质也称为n型杂质，n型半导体电流密度为：nn0为n型半导体的自由电子浓度n型半导体的电阻率为：其中，ND为n型半导体的掺杂浓度7000倍（二）p型半导体掺入三价的杂质-------空穴浓度大大增加3受主能级受主电离能，EA-EV多数载流子------空穴少数载流子------电子电流密度电阻率

Pp0为p型半导体的空穴浓度，NA为受主杂质浓度杂质半导体（n型半导体和p型半导体）的电学特性：1、掺杂浓度和原子浓度相比虽很微小，但是却使载流子浓度极大地增加，因而导电能力也明显地增强。掺杂浓度越大，其导电能力也越强。2、掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电。当掺入五价元素（施主杂质）时，主要靠自由电子导电；当掺入三价元素（受主杂质）时，主要靠空穴导电。第二节半导体的电学性能第三节绝缘体的电学性能第三节绝缘体的电学性能电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。通常是指电阻率大于1010·cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。陶瓷电介质的主要应用：电子电路中的电容元件、电绝缘体、谐振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有压电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的电介质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用前景。

将电介质放入电场，表面出现电荷。这种在外电场作用下电介质表面出现电荷的现象叫做电介质的极化。所产生的电荷称之为“极化电荷”。在电介质上出现的极化电荷是正负电荷在分子范围内微小移动的结果，所以极化电荷也叫“束缚电荷”。极化现象评价指标：介电常数、介电损耗因子、介电强度以及体电阻率和表面电阻率。一、电介质的介电常数二、电介质的介电强度介质的击穿：外加电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态的现象。介电强度：相应的临界电场强度一些材料的介电性能材料相对介电常数耐电强度材料相对介电常数耐电强度空气1.000540.08瓷器6.50.4水78-电木4.81.2红宝石云母5.416聚乙烯2.35在强电场作用下，固体导带中可能因冷或热发射存在一些电子，这些电子被加速，获得动能；高速电子与晶格振动相互作用，把能量传递给晶格；上述两个过程在一定温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导；当电子从电场中获得能量大于传递给晶格振动能量时，电子动能越来越大；大到一定值，电子与晶格振动的相互作用导致电离产生新电子，使电子数目迅速增加，电导进入不稳定状态，发生击穿。第三节绝缘体的电学性能电击穿三、电介质的极化电介质的分类中性电介质：它由结构对称的中性分子组成，如：CH4偶极电介质：它由结构对称的偶极分子组成，如：H2O离子型电介质：它是由正负离子组成。第三节绝缘体的电学性能极化机制极化机制：位移极化和转向极化。第一种：（非极性材料）位移极化----正负电荷在电场作用下发生相对位移而产生极化，包括电子极化和离子极化及空间电荷极化。第二种：（极性材料）转向极化----该极化是由偶极子在外电场作用下发生转向形成的，主要指偶极子极化。非弹性的，需要消耗一定的能量。第三节绝缘体的电学性能极性材料与非极性材料的极化电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其转变成偶极子的过程。或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变成偶极子的过程。偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，形成一个偶极子。第三节绝缘体的电学性能（1）电子位移极化第三节绝缘体的电学性能电子位移极化：在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生相对位移形成的极化。弹性的、瞬间完成的（10-14~10-16s）、不消耗能量的极化。（2）离子位移极化在离子晶体中，除了离子中的电子产生位移极化外，正、负离子在电场作用下也要发生位移而极化。离子弹性位移极化：离子在电场的作用下，偏移平衡位置引起的极化。离子位移有限，没有离开晶格。去掉外电场，恢复到原来的平衡位置。离子晶体中，10-12~10-13s，离子键束缚较强热离子极化（离子松弛式位移极化）在离子晶体或无定型体中，存在着束缚力较弱的离子，无电场时，可无规则跳跃迁移，热运动使之分布混乱。施加电场时，正负离子沿电场正向或逆向跃迁几率增大，发生极化。特点：10-2~10-5s，移动时需克服一定的势垒，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。第三节绝缘体的电学性能(3)空间电荷极化空间电荷极化：在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷。第三节绝缘体的电学性能10-2s，消耗一定能量各种极化形式的比较极化形式极化的电介质种类极化的频率范围与温度的关系能量消耗电子位移极化一切陶瓷直流——光频无关无离子位移极化离子结构直流——红外温度升高极化增强很弱离子松弛极化离子不紧密的材料直流——超高频随温度变化有极大值有转向极化有机直流——超高频随温度变化有极大值有空间电荷极化结构不均匀的材料直流——高频随温度升高而减小有第三节绝缘体的电学性能四、电介质的介电损耗电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗功率，简称介质损耗。介质损耗是应用于交流电场中电介质的重要品质指标之一。对实际的电介质存在着漏导电流，漏导电流经介质时使介质发热而消耗了电能，所以也叫“漏导损耗”。同时，电介质在极化时也会引起能量的损耗，也叫“极化损耗”。第三节绝缘体的电学性能第三节绝缘体的电学性能UCRIRIcIIIR0IcUφδ交流电路UCRIRII0UCURδICδU五、电介质的电导电介质不是理想的绝缘体，仍存在一定量的载流子：电子和空穴，正负离子和离子空位。前者形成的电导是电子电导，后者形成的电导为离子电导。第一节材料的导电性第四节

材料的超导电性在某一临界温度（TC）下，材料电阻突然失去（降为零）的现象称为超导电性。不同超导体的临界温度各不相同。例如，汞的临界温度为4.15K（K为绝对温度，0K相当于零下273℃），而高温超导体氧化钇钡铜的临界温度为94K。1911年翁纳斯第四节

材料的超导电性第四节

材料的超导电性超导体三个基本特性：完全导电性、完全抗磁性、通量量子化。一、完全导电性（零电阻效应）NSNSNb0.75Zr0.2510万年当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应”。

迈斯纳效应与零电阻效应是超导体的两个基本特性，它们既互相独立，又密切联系。

二、完全抗磁性第四节

材料的超导电性临界转变温度（TC）——超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。(Hg:4.15K；金属化合物：23.2K；金属氧化物：140K)临界磁场强度（HC）——施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。临界电流密度（JC）——通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。若输入电流产生的磁场和外加磁场之和超过超导体的临界磁场，则超导被破坏，此时通过的电流密度为临界电流密度（JC）。三、超导态的临界参数第四节

材料的超导电性临界转变温度，临界磁场强度、临界电流密度三个参数彼此关联，其相互关系如图所示。第I类超导体第I类超导体主要为除钒、锝和铌之外、一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、锡、铟等。该类超导体溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。第四节

材料的超导电性其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。第II类超导体第II类超导体主要包括钒、锝和铌纯金属及其合金。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于：第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合态）第四节

材料的超导电性超导体磁化曲线2）第II类超导体的混合态中有磁通线存在；3）第II类超导体比第I类超导体有更大实用价值。

第四节

材料的超导电性B≠0，电阻为零四、超导现象的物理本质通过晶格振动的能量量子（声子），产生吸引作用，形成电子对（库柏电子对）；BCS理论，1957年巴丁,库柏,施瑞弗建立起来的

第四节

材料的超导电性临界转变温度TC第五节影响金属导电性的因素一、温度的影响温度是强烈影响材料许多物理性能的外部因素，金属电阻率随温度升高而增大。第五节影响金属导电性的因素影响材料导电性能的因素主要有温度、化学成分、晶体结构、杂质和缺陷浓度等。德拜理论：原子热振动的在两个温度区域存在本质的差别，这两个区域的温度称为德拜温度或特征温度。ρ残温度对铁磁性金属比电阻和电阻温度系数的影响二、应力的影响弹性应力范围内的单向拉应力，使原子间的距离增大，点阵的畸变增大，导致金属的电阻增大。

压应力对电阻的影响恰好与拉应力相反，由于压应力使原子间的距离减小，内部缺陷形态，电子结构等也将发生变化，大多数金属在三向压力（高达1.2Gpa）的作用下，电阻率下降。第五节影响金属导电性的因素碱金属、碱土金属、稀土金属等三、冷加工变形的影响第五节影响金属导电性的因素退火再结晶四、合金元素及相结构的影响1、固溶体的电阻第五节影响金属导电性的因素合金的组元之间以不同的比例混合，形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元的晶体结构相同，这种相称为固溶体。置换固溶体间隙固溶体形成固溶体时，导电性下降，最大电阻率通常在50%浓度处原因：晶体点阵畸变，破坏了晶格势场周期性，增加了电子的散射几率固溶体组元化学相互作用，使有效电子数减少2、有序固溶体的电阻第五节影响金属导电性的因素固溶体有序化之后，合金组元化学作用加强，电子结合比无序固溶体增强，有效电子数减小，残余电阻增大晶体的离子场在有序化后更对称，从而减少电子的散射，电阻降低通常，有序合金电阻总体降低Cu3Au合金有序化对电