材料物理性能

第二章材料的电学性能学习内容：2.1概述2.2导电性2.3晶体的能带2.4金属的导电性2.5合金的导电性2.6导电性的测量2.7电阻分析的测量2.8半导体电学性能2.9绝缘体的电学性能2.10超导电性2.11接触电性2.12热电性2.13压电性2.14热释电性2.15铁电性2.16光电性2.17磁电性材料的电学性能：

主要包括导电性、超导电性，介电性，磁电性、热电性、接触电性、热释电性、压电性、光电性等等。2.1概述2.2导电性描述材料导电性的基本物理量：电阻R、电阻率ρ和电导率σ。电阻的测量：电阻及电阻率的计算：电阻率ρ和电导率σ的关系:根据电阻率ρ和电导率σ的大小，判定材料导电性能好坏，并进行分类。导体：ρ<10-5Ωm半导体：10-3

<ρ<109Ωm

绝缘体：ρ>109

Ωm造成材料导电性差异的主要原因:能带结构及其被电子填充的性质有关。2.3晶体的能带晶体的能带分为：价带、禁带和导带。晶体的导电性是其能带分布的反映。其价带是否被填满，是否存在禁带，以及禁带宽度的大小等因素决定其导电性能。2.3.1导体和非导体的区别价带导带金属导体的能带分布特点:无禁带第一种：价带和导带重叠。第二种：价带未被价电子填满，价带本身就是导带。价带（导带）这两种情况下的价电子就是自由电子，所以金属即使在温度较低的情况下仍有大量的自由电子，具有很强的导电能力。半导体和绝缘体的能带分布情况:在绝对零度时，满价带和空导带，基本无导电能力。非导体的能带分布特点:有禁带2.3.2半导体和绝缘体的区别禁带宽度的大小。半导体：禁带宽度小。绝缘体：禁带宽度大。价带导带价带导带禁带ΔE禁带ΔE金刚石ΔE=6eV硅ΔE=1.1eV绝缘体半导体半导体:禁带宽度小。在室温下，一部分价电子能获得大于禁带宽度的能量ΔE，跃迁到导带中去，成为自由电子，同时在价带中形成空穴，这样就使半导体具有一些导电能力。绝缘体:禁带宽度大。在室温下，几乎没有价电子能跃迁到导带中去，故基本无自由电子和空穴，所以绝缘体几乎没有导电能力。金属导电的机制：2.4金属的导电性

在外电场的作用下，自由电子以波动的形式在晶体点阵中定向传播。在外电场的作用下，自由电子在导体中定向移动。经典理论量子理论2.4.1金属导电的机制与马基申定律根据量子电子论和能带理论得出电导率计算公式：e电子的电荷量，n*单位体积内的有效电子数，m*电子的有效质量，τ电子两次相邻散射的时间间隔。令：（散射系数）其中：则电阻率为：电阻的本质

电子波在晶体点阵中传播时，受到散射，从而产生阻碍作用，降低了导电性。

电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。电阻产生的机制（3）晶体点阵的完整性被破坏（存在杂质原子、晶体缺陷等），对电子波产生散射。（1）晶体点阵离子的热振动（声子），对电子波产生散射。（2）晶体点阵电子的热振动，对电子波产生散射。原因（1）、（2）产生，0K时为0。电阻基本电阻：残余电阻：原因（3）产生，0K时的电阻。马基申定律金属固溶体电阻率：基本电阻率ρ(T)：由热运动引起，与温度有关。残余电阻率ρC：决定于化学缺陷和物理缺陷，与温度无关。2.4.2影响金属导电性的原因1.温度对金属电阻的影响（1）一般规律其大小决定于晶体缺陷的类型和数量。0K时：极低温时：电子散射占主要地位，声子散射很弱，基本电阻与温度的平方成正比。(T≤2K)

随着温度的升高，声子散射散射作用逐渐增强，并占据主导地位。根据德拜理论，原子热振动存在两个规律性区域，区分区域的温度被称为德拜温度θD。时：时：电阻率随温度的变化规律：对于非过渡族金属：θD≤500K，当T>2/3θD

时，可略去高次项，具有线性关系。

（室温以上）电阻温度系数室温以上

纯金属的电阻温度系数大多近似为，过渡族金属特别是磁性金属较大，如铁的值为（2）过渡族金属和多晶型转变在过渡族金属中电阻与温度的关系复杂，Mott认为这是由于过渡族金属中存在着不同的载体。传导电子有可能从s-壳层向d-壳层过渡，对电阻带来明显影响。另外，在

时，s态电子在d态电子上的散射将变得很可观。因此，金属室温以上的线性关系被破坏。过渡族金属金属多晶型转变多晶型金属的不同结构具有不同的物理性质，电阻温度系数也不同，电阻率随温度变化将发生突变。（3）铁磁金属的电阻-温度关系反常铁磁材料随温度的变化，在一定温度下发生铁磁-顺磁的磁相转变，从而导致电阻-温度关系反常。2.受力情况对金属电阻的影响（1）拉力的影响（2）压力的影响在弹性限度内，单向拉伸或扭转应力能提高金属的电阻率。ρ0为无负荷电阻率，αγ应力系数，σ为拉应力。对于大多数金属，压力能降低金属的电阻率。ρ0为真空下电阻率，φ压力系数，为负值，p为拉应力。在高压下，原子间距缩小，内部缺陷的形态、电子结构、费米面、能带结构及电子散射机制等都发生了变化，从而影响材料的导电性，甚至可能导致物质的金属化。发生从绝缘体→半导体→金属

→超导体的某些转变

。

但一些碱金属、碱土金属和第ν族的半金属元素出现反常。3.冷加工对金属电阻的影响冷加工的形变使金属的电阻率提高。4.晶格缺陷对金属电阻的影响晶格缺陷使金属的电阻率提高。5.热处理对金属电阻的影响冷加工后，再退火，可使电阻降低。当退火温度接近于再结晶温度时，可降低到冷加工前的水平。但当退火温度高于再结晶温度时，电阻反而增大。新晶粒的晶界阻碍了电子的运动。淬火能够固定金属在高温时的空位浓度，而产生残余电阻。淬火温度越高，残余电阻越大。6.几何尺寸效应对金属电阻的影响当试样的尺寸与导电电子的平均自由程在同一数量级时，电子在表面发生散射，产生附加电阻。7.电阻率的各向异性一般立方晶系的单晶体电阻表现为各向同性，但对称性较差的六方、四方、斜方等晶系单晶体的导电性表现为各向异性。多晶体各向同性。2.5合金的导电性2.5.1固溶体的导电性1.固溶体的电阻与组元浓度的关系在形成固溶体时，与纯组元相比，合金的导电性能降低（电阻增大）。即使是在低导电性的金属溶剂中加入高导电性的金属溶质也是如此。原因主要原因：原子半径差引起的晶格点阵畸变，增加了对电子的散射，使得电阻增大。半径差越大，越明显。（与合金热阻的规律相同）另外还有：（1）杂质对理想晶体的局部破坏。（2）合金化对能带结构起了作用，改变了电子能态的密度和有效电子数。（3）合金化影响了弹性常数，点阵振动的声子谱改变。在连续固溶体中，合金成分距组元越远，电阻率越高。在二元合金中，最大电阻率一般出现在50%浓度处，而且比组元电阻高几倍。2.固溶体电阻与温度的关系固溶体中加热时，电阻率通常增大，但其电阻温度系数与纯金属相比降低，电阻率随成分而变。低浓度时电阻率为：ρT为溶剂组元的电阻率，ρ，为残余电阻率。C为杂质原子含量，ξ为溶入1%杂质原子时引起的附加电阻率。附加电阻率ξ的大小取决于溶剂和溶质金属的价数，原子价差别越大，ξ越大。a、b为常数，ZZ、

ZJ分别为溶质和溶剂的原子价数。3.有序固溶体（超结构）的电阻合金有序化时，电阻降低。主要原因：晶体的离子势场在有序化后对称性增强，对电子的散射几率大大降低，使得有序合金的残余电阻减小。4.不均匀固溶体（K状态）的电阻大多固溶体在冷加工和退火时具有与纯金属同样的规律。即冷加工使得电阻增大、退火使得电阻减小。但有一些含有过渡族金属元素的合金Ni-Cr，Ni-Cu等，具有在经过冷加工电阻减小、退火后电阻增大的反常状态，这种反常状态称为K状态。由于组元原子在晶体中不均匀分布的结果。冷加工在一定程度上促使固溶体不均匀组织的破坏，电阻减小。而之后的退火又使其组织恢复到原来状态。2.5.2金属化合物的导电性两种金属的原子形成化合物时，由于原子键合的方式发生本质变化，使得化合物的电阻较固溶体大大增大，接近于半导体的导电性。原因部分结合方式由金属键变为共价键或离子键。2.6导电性的测量利用欧姆定律和一些测试方法，对材料的电阻进行精确测量。2.6.1导体电阻的测量1.单电桥（惠斯通电桥）法2.双电桥（开尔文电桥）法3.直流电位差计测量法2.6.2半导体电阻的测量四探针法2.6.3绝缘体电阻的测量冲击检流计方法2.7电阻分析的应用材料的电阻对材料的成分、结构和组织变化很敏感，故可利用测量电阻的方法，间接对材料的成分、结构和组织变化进行分析。较多的被用于对合金的研究。2.7.1研究合金的时效性合金的时效性均匀固溶的合金随着时间的变化，其组织结构发生变化。伴随电阻改变。电阻随时间的增长而增大。1.低温时效：原因：低温时，均匀固溶体随着时间的增加，溶质原子在晶格点阵中发生优势偏聚，乃至形成小的晶核等结构缺陷。使得电阻增大。2.高温时效：电阻随时间的增长而减小。原因：高温时，均匀固溶体随着时间的增加，从固溶体中析出一些有序相，降低了溶质浓度。使得电阻降低。2.7.2合金的有序-无序转变2.7.3测量固溶体的溶解度原理：合金有序后电阻率降低。原理：合金溶解度增加，电阻率增大。2.7.4研究淬火钢的回火原理：回火过程中发生了马氏体和奥氏体之间的相转变。伴随电导率的变化。2.7.5研究材料的疲劳性原理：外应力（拉伸和扭转应力）使得材料内部出现位错、裂纹等缺陷，是的材料的电阻率增大。并随时间的增长，效果变强。2.8半导体的电学性能半导体电阻率：10-3～109Ω∙m半导体禁带宽度：Eg=0.2～

3.5eV；半导体的电学性能：介于金属和绝缘体之间。半导体材料分类：晶体半导体、非晶半导体和有机半导体。主要半导体材料：Si、Ge等元素半导体，GaP、GaN、ZnS、ZnO等化合物半导体材料。应用：半导体电子器件、集成电路、发光器件、光电转换材料等。2.8.1概述2.8.2半导体中的能量状态—能带以Si为例：

单原子能级：3s23p2,3p中有4个电子空位。

若有

N个原子的无缺陷硅单晶：

能带：共价键结合后，能级分裂成满带和空带

满带：4N个价电子全部占满，能量EV

。

空带：有4N个空位，没有电子，能量EC。

禁带：Eg=EC-EV

原子结合状态：价电子共有的共价键。2.8.3本征半导体的电学性能本征半导体：纯净的、无结构缺陷的半导体单晶。在绝对零度和无外界影响的情况下：半导体的满带中被电子占满，空带中无电子，不导电。在温度升高、光照等热激发（本征激发）时：价电子从外界获得能量，部分价电子获得足够的能量脱离束缚，跃迁到空带中。空带中有了电子成为导带，满带中的部分价电子迁出出现了空穴，成为价带。本征激发时，自由电子和空穴成对出现，在外电场的作用下，电子逆电场方向运动，空穴顺电场方向运动。满带空带禁带ΔE自由电子和空穴在外电场的作用下定向运动，形成电流。自由电子和空穴都能导电，统称为载流子。1.本征载流子的浓度自由电子和空穴的浓度均为：（1）本征载流子的浓度与温度和禁带宽度有关。（2）室温下，本征半导体中载流子的浓度很小，导电能力很弱。2.本征半导体的迁移和电阻率迁移率：单位场强下，载流子的平均漂移速度。分别用μn和μP分别表示自由电子和空穴的迁移率。自由电子和空穴热运动，在外电场的作用下做定向漂移运动，形成电流。漂移过程中不断碰撞，有一定的漂移速度。（1）迁移率与外电场强成正比。（2）自由电子的迁移率较空穴高。（3）能带宽度大的迁移率低。本征半导体电阻率：本征半导体的电学特性归纳如下：（1）本征激发成对产生自由电子和空穴，所自由电子浓度与空穴浓度相等，都是等于本征载流子的浓度ni（2）ni和Eg有近似反比关系，硅比锗Eg大，故硅比锗的ni小（3）ni与温度近似正比，故温度升高时ni就增大（4）ni与原子密度相比是极小的，所以本征半导体的导电能力很微弱2.8.4杂质半导体的电学性能通常制造半导体器件的材料是杂质半导体。在本征半导体中人为地掺入五价元素和三价元素，分别获得N（电子）型和P（空穴）型杂质半导体。1.N型半导体在本征半导体中掺入五价元素获得电子型杂质半导体。由于的掺入五价元素中的四个价电子与周围的原子形成共价键，余下一个价电子的能级非常接近导带能量，使得其在常温下进入导带成为自由电子，因此掺杂后的半导体导带中的自由电子显著增多。把这个五价元素称为施主杂质。电子是多数载流子。2.P型半导体在本征半导体中掺入三价元素获得电子空穴型杂质半导体。由于的掺入三价元素中的三个价电子与周围的原子形成共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位置（空穴）。因此掺杂后的半导体价带中的空穴电子显著增多。把这个三价元素称为受主杂质。空穴是多数载流子。掺杂半导体与本征半导体相比具有的特征：（1）掺杂浓度虽然很微小，但却能使载流子浓度得到极大提高，导电能力显著增强。（2）掺杂只是使一种载流子的浓度增加，杂质半导体主要靠多子（多数载流子）导电。分别主要靠自由电子导电或空穴导电。2.8.5PN结的形成及特性1.PN结制造工艺的实质PN结是指同一块半导体单晶中，在P型掺杂区与N型掺杂区交界面附近形成的特殊区域。是构成半导体电子器件的基本单元。P型掺杂与N型掺杂之间通过扩散实现的的杂质互补。2.PN结阻挡层的形成过程（1）载流子的浓度差引起的载流子的扩散运动（2）扩散运动形成空间电荷区（阻挡层）（3）内电场是扩散与漂移达到动态平衡3.PN结的特性单向导电性（1）外加正向电压的情况由于外部正向电压与内电场电位差方向相反，阻挡层变窄、消失，内电场减小、消失，电阻减小。（2）外加反向电压的情况由于外部反向电压与内电场电位差方向相同，阻挡层增大，内电场增大，电阻急剧增大。绝缘体的电学性能绝缘体的电子能带结构是完全被电子充满的价带与完全空的导带之间被一个较宽的禁带（一般为5~10eV）所隔开，在常温下几乎很少有电子可能被激发越过禁带，因此电导率很低。绝大多数陶瓷材料和高聚物材料都属于绝缘体绝缘体作为材料使用可以分为绝缘材料和介电材料两类。介电材料电容器介电材料压电材料等绝缘材料主要功能是实现电绝缘，如高压绝缘电瓶所用的氧化铝陶瓷等。好的介电材料一定是好的绝缘材料，但是反之则不一定成立。描述绝缘材料和介电材料的主要性能指标有体积电阻率、表面电阻率、介电常数、介电损耗和介电强度等。电极化机制导体、半导体在电场作用下都会产生电荷的自由运动，而绝缘体在有限电场的作用下几乎没有自由电荷的迁移。人们常用介电性来描述绝缘体材料的这种效应，故也把绝缘体称为电介质。介电性的一个重要标志是材料能够产生极化现象，材料的介电系数是综合反应介质内部电极化行为的一个重要的宏观物理量。属于介电性的有压电性、电致伸缩性和铁电性。电介质的极化包括：电子极化、原子（离子)极化、取向极化。电子极化是指在外电场作用下每个原子中价电子云相对于原子核位移。原子极化是指外电场引起的原子核之间的相对位移。这两类极化有称为为变形极化或者诱导极化，由此引起的偶极矩称为诱导偶极矩。电介质极化超导电性超导体的特性1、完全导电性有报导说用Nb0.75Zr0.25合金超导导线制成的超导螺线管，估计其超导电流衰减时间不小于10万年。超导体没有电阻，因而是等电位的，其中没有电场。2、完全的抗磁性－迈斯钠效应试样表面产生感应磁场，抵消外磁场。评价超导材料的性能指标：1、临界转变温度Tc2、临界磁场强度Hc(T)两类超导体超导现象的物理本质超导态时，电子与晶格点阵相互作用，使电子克服静电斥力而相互吸引，组成电子对－库柏电子对，通过晶格的阻力为零。超导态电子结成库柏对时