材料的电学性能

1、第四部分、材料的电学性能,授课：付鹏 QQ:54085222 E-mail: ,材料的电学性能用处很多，我们一定要学会材料的导电、介电、半导体导电的机理、影响因素以及它们的测量方法并运用到实际生产中，让我们的生活更加丰富多彩。,本章讲授的内容,1. 导电性能 2. 热电性能 3. 半导体导电性的敏感效应 4. 介质极化与介电常数 5. 电介质的介质损耗 6. 绝缘材料,第一节 导电性能,本节教学内容,电阻与导电的基本概念 导电机理 超导电性 影响材料导电性的因素 导电性的测量及应用,1.1 电阻与导电的基本概念,1.1.1 电阻率,1.1.2 电导率,显然，电阻率和电导率都不再与材料的尺寸有关

2、，而只决定于它 们的性质，因此是物质的本征参数，可用来作为表征材料导电性 的尺度。,1.1.3 根据材料导电性能好坏，可分为：,导体,半导体,绝缘体,: 10-2m,: 10-2m 1010m,: 1010m,不同材料的导电能力相差很大，由于它们的结构与导电本质所决定的。,一、导电材料,防静电台垫(地垫),导电泡棉,铜母线,导电胶,导电材料在电脑中的应用,白川英树,黑格,麦克迪尔米德,导电高分子材料,二、绝缘材料,导热绝缘材料,陶瓷系列插座,电工绝缘胶带,三、半导体材料,CPU (Central Processing Unit),1.2 导电机理 ,1.2.1 金属及半导体的导电机理,1.2.

3、1.1 经典电子理论,1900年特鲁德（P.Drude）首先提出用金属中自由电子的运动来解释金属导电性问题，以后洛伦兹进一步发展了特鲁德的概念，建立了金属的经典电子理论。,洛仑兹,1. 金属导电的经典电子理论的基本框架,金属中的正离子按一定的方式排列为晶格；,从原子中分离出来的外层电子称为自由电子；,在电场作用下，大量自由电子的定向漂移形成电流。,自由电子的性质与理想气体中的分子相似，形成自由电子气；,在自由电子定向运动过程中，不断与正离子碰撞，形成电阻。,2. 金属中的离子与自由电子示意图,3. 金属中的自由电子在电场中的运动,大量自由电子的统计平均，就是以平均定向漂移速度 逆着电场线漂移。

4、,当金属中有电场时，每个自由电子都因受到电场力的作用而加速，即在无规则的热运动上叠加一个定向运动。,自由电子在运动过程中频繁地与晶格碰撞，碰后电子向各个方向运动的几率相等。因此可认为每个电子在相邻两次碰撞间做初速为零匀加速直线运动。,4.从金属的电子理论导出欧姆定律的微分形式,设导体内的恒定场强为 ，则电子的加速度为,电子两次碰撞的时间间隔为t ，上次碰撞后的初速度为 ，则,统计平均后，初速度的平均值为零，则:,平均时间间隔等于平均自由程除以平均速率:,则平均漂移速度,电流密度为,其中，电导率为：,从金属的经典电子理论导出了欧姆定律的微分形式， 而且得到了电导率的表达式。,从电导率表达式知：电

5、导率与自由电子的密度成正 比，与电子的平均自由程成正比；还定性地说明了温 度升高，电导率下降的原因。,5. 金属的经典电子理论的缺陷,按照气体动力学，电阻率应与热力学温度的平方根成正比， 但实验结果电阻率与热力学温度成正比。,金属的经典电子理论的主要缺陷是把适用于宏观物体的牛顿 定律应用到微观的电子运动中，并且承认能量的连续性。,根据此理论，自由电子数量越多导电性应当越好，事实却 是二、三价金属的价电子虽比一价金属的多，但导电性反而 比一价金属的差。,这一理论不能解释超导现象的产生。,1.2.1.2 量子自由电子理论,物理学家普朗克发现，能量的传递不是连续的，而是以一个一个的能量单位传递的。这

6、种最小能量单位被称作能量子（简称量子）。,在现代量子理论中，人们发现各粒子的波粒二象性，任何物体都有波动性和粒子性。而且任何物体的位置和速度都不可能同时被准确的测量，只能用概率来描述。在现代量子论中，用波粒二象性和概率波处理微观问题就是量子化。,“量子理论”之父 1918年获诺贝尔奖。,运动着的电子作为物质波，其频率和波长与电子的运动速度或动量之间有如下关系：,一价金属中自由电子的动能：E=mv2/2,为常数,称为波数频率。,表征金属中自由 电子可能具有的 能量状态的参数,从粒子的观点看，曲线表示自由电子的能量与速度（能量）之间的关系。 从波动的观点看，曲线表示电子的能量和波数之间的关系。,价

7、电子具有不同 的能量状态。,根据泡利不相容原理，每一个能态只能存在沿正反方向运动的一对电子，自由电子从低能态一直排到高能态，0K时电子所具有的最高能态成为费米能EF。 同种金属费米能是一个定值，不同的金属费米能不同。,1. 费米能,1. 没加电场时E-K关系曲线,曲线对称分布：沿正、反方向运动的电子数量相同，没有电流产生。,2.电场对E-K关系曲线的影响,外电场使向着其正向运动的电子能量降低，反向运动的电子能量升高。由于能量变化，使部分能量较高的电子转向电场正向运动的能级，从而使正反向运动的电子数不等，使金属导电。 不是所有的电子都参与导电，而是只有处于较高能级的电子参与导电。,3.量子自由电

8、子理论电阻的产生,实际金属内部还存在着缺陷和杂质，产生的静态点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电磁波造成散射而形成电阻。,而对于一个纯的理想的完整晶体，0K时，电磁波的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，导致所谓的超导现象。,离子在晶格点附近不断的热振动，偏离了晶格格点，这种偏离引起晶格对电子的散射，称为晶格散射。,4. 量子自由电子理论导出的电导率,根据能量按自由度均分原理，晶格振动时的平均势能与绝对温度成正比，即有：,容易想象温度越高，振幅愈大，x2越大，振动愈激烈，因而对周期场扰动愈甚，电子愈容易被散射，故有：散射几率p与x2成正比，可得出：Rpx2T。即电阻R与绝对温度T成正比。

9、这样就解决了经典电子理论长期得不到定量解释的困难。,5. 量子自由电子理论的局限性,此理论虽然较好地解释了金属导电的本质，但它假定金属中的离子所产生的势场是均匀的，与实际情况有一定的差距。,1.2.1.3 能带理论 ,单个原子的能级是分立的，当固体中N个原子紧密排列时，外层电子就不再仅受原来所属原子的作用，还要受到其他原子的作用,这使原来同一大小的能级彼此数值上就有小的差异。,原子结合成晶体时，原子最外层的价电子受束缚最弱，它同时受到原来所属原子和其他原子的共同作用，已很难区分究竟属于哪个原子，实际上是被晶体中所有原子所共有，称为共有化。原子间距减小时，孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成

10、的准连续能带。,金属晶格中原子很密集，能组成许多分子轨道，而且相邻的分子轨道间的能量差别很小。,分子轨道所形成的能带，也可以看成是紧密堆积的金属原子的电子能级发生的重叠，这种能带是属于整个金属晶体的。每个能带可包括许多相近的能级，因而每个能带会包括相当大的能量范围。,同自由电子理论一样，也认为金属中的价电子是公有 化和能量是量子化的，所不同的是，它认为金属中由 离子所造成的势场不是均匀的，而是呈周期性变化 的，能带理论就是研究金属中的价电子在周期势场作 用下的能量分布问题的。,电子在周期势场中运动，随着位置的变化，它的能量 也呈周期变化，即接近正离子时势能降低，离开时势 能增高。这样价电子在金

11、属中的运动就不能看成是完 全自由的。,1. 能带理论讨论的前提,由于周期场的影响，使得价电子在金属中以不同能量状态分布的能带发生分裂，也就是说，有些能态是电子不能取值的，能带发生分裂，造成能隙，即禁带。,2.能带结构和导电机理,由右图可以看到： 当-K1K K1时，曲线按抛物 线规律连续变化； 当K=K1时，只要波数稍微增 大，能量便从A跳到B，存在 能隙；同样，当K= K2时也 存在能隙。,周期场中电子运动的 E-K曲线及能带,由于周期场的影响，从而形成 电子能够占据的能量区域称为 允带；不允许电子占据的能量 区域称为禁带。允带与禁带相 互交替形成了材料的能带结构。,禁带宽窄取决于周期势场的

12、变化幅度，变化越大，则禁带越宽,3. 能带理论的术语,满带（filled band）：允带中所有的能量状态（能级）均被电子占据。,允带(allowed band):允许电子能量存在的能量范围。,禁带（filled band）：禁止电子能量存在的能量范围，即满带顶和导带底之间的能量间隔叫做禁带。,导带（filled band）：由未充满电子的能级所形成的高能量能带，即具有空能级的允带。,导带中的电子是自由的，在外电场作用下参与导电。,4. 导体、半导体与绝缘体的区别,允带重叠,允带间无禁带,允带内的能级未被填满。,禁带宽,禁带窄,空带,禁带,满带,导体、半导体与绝缘体的区别,（1）导体,让我们考

13、虑一种具有图10-5所示能带结构的金属，这种能带结构可能相当于钠(Z=11)的能级。,与1s 、2s 和 2p 原子能级对应的能带是完全填满了，但 3s 能带(每个原子能容纳最多两个电子)仅有一半被填充。在外界电场的作用下，价带内的最上面的电子在不违反不相容原理的情况下获得一些额外的少许能量而到能带内附近许多空的状态去，和无序的热激发明显不同的是受电场激发的电子在与电场相反的方向上获得动量，结果在晶体内产生一种集体运动，从而构成电流。,实际上由于最高能带可能发生重叠，所以情况稍复杂一些，事实上对大多数金属或导体而言 最上层的能带相重叠是很普通的情形。有一些物质，它们的原子具有满充壳层，但在固溶

14、时由于最上面的满带和一个空带重叠的话，它们成为导体；人们常称这些物质为半金属，如：HgTe、HgSe、Mg2Pb。,因此，我们得出结论：良导体(也称金属)是那些最高能带未被完全填满或者允带间没有禁带的固体。,现在考虑这样一种物质，该物质中的最高能带即价带是满的，而且不与下一个全空的能带重叠( 见图10-6）。,由于价带的所有状态都被占有，电子的能量被“冻结”，即电子不可能改变它们在能带中的状态而违背不相容原理。激发一个电子的唯一可能性是把它转移到空的导带中；但这可能需要几个电子伏特的能量，因此，外加的电场很难使价带中的电子加速，因而不能产生净电流。所以这种物质称为绝缘体。,（2）绝缘体,以上同

15、样的能带图也适用于硅和锗，但是在原子的平衡间距下价带与导带之间的能隙要小得多( 在硅中为 1.12 eV，在锗中为 0.67 eV )，于是要将价带中最上面的电子激发到导带内时就容易得多了。图10-7 中示出这种情况。,图10-7 半导体内的能带,（3）半导体,当温度升高时，有更多的电子能够跳到下一个能带去。这有两个结果：在上面的导带中少数电子所起的作用和它们在金属中所起的作用相同；而价带中留下的空态即空穴起着类似的作用，不过它们好象是正的电子，因此，它们有来自导带中的激发电子和来自价带中的空穴的导电性；温度升高时，由于有更多的电子被激发到导带， 所以电导率随温度而迅速增加。,例如，在硅中，当

16、温度从250 K 增加到450 K 时，激发电子的数目增加106 倍。因此，半导体是这样一些绝缘体，它们的价带和导带之间的能隙约为 1 eV 或更小，因而比较容易用加热方法把电子从价带中激发到导带中。这种完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体。,一、本征半导体,1、本征半导体的结构特点,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,（1）硅、锗原子的结构,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子 都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点， 每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,（1）硅、锗原子的结构,共

17、价键共 用电子对,（2）硅、锗原子的共价键结构,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,（2）硅、锗原子的共价键结构,在绝对0度（T=0K）和没 有外界激发时,价电子完全 被共价键束缚着，本征半 导体中没有可以运动的带 电粒子（即载流子），它 的导电能力为 0，相当于 绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱 离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价

18、键上留下一个空 位，称为空穴。,（1）载流子、自由电子和空穴,2、本征半导体的导电机理,自由电子,空穴,束缚电子,可以认为空穴是一种带正电荷的粒子。空穴运动的实质是共有电子依次填补空位的运动。,（1）载流子、自由电子和空穴,电子和空穴在外电场的作用下都将作定向运动，这种作定向运动电子和空穴（载流子）参与导电，形成本征半导体中的电流。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,（2）导电情况,（3）本征半导体的能带结构,在外电场作用下，价带中的电子可以逆电场方向运动到这些空位上来，而本身留下新的空位。 空位顺电场方向运动，所以称此种导电为空穴导电。 空穴好像一个带正电的电荷，因此

19、空穴导电也是属于电子电导的一种形式。,图10-8 本征半导体的能带结构,电子和空穴总是成对出现的-本征激发。 电子和空穴也可以复合而消失。 本征半导体在外电场的作用下，形成两种电流-空穴电流和电子电流，外电路的总电流等于两种电流的代数和。 电子-空穴对的数目对温度、光照十分敏感。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,（4）结论,温度越高，载流子的浓度越高本征半导体的导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,二、杂质半导体,实际上，晶体总是含有缺陷和杂质的，半导体的许多特性 是由所含的杂质和缺陷决定的。在本征半导体中掺入某些 微量的杂质，就会使半导体的

20、导电性能发生显著变化。其 原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,在硅单晶中掺入十万分之一的硼原子，可使硅的导电能力增加一千倍。,1、N 型半导体,磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半 导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子 几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样 磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子 给出一个电子，称为施主原子。,多余 电子,磷原子,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体

21、原子被杂质取代.,（1）由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,（2）本征半导体中成对产生的电子和空穴。,因为掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,N 型半导体中的载流子包括：,如果我们把若干施主原子磷或砷原子加进硅或锗中，则每有一个杂质原子，就有一个额外电子。这些额外的电子(它们不能被容纳在原来结晶体的价带中)占有恰在导带下方的某些分立的能级（施主能级），离导带只差0.05ev,大约为硅的禁带宽度的5%，因此它比满带中的电子容易激发的多 ( 图10-9a)。,N型半导体的能带结构,（1）在本征

22、半导体中掺入三价元素的原子（受主杂质）而形成的半导体。,（2）每一个三价元素的原子提供一个空穴作为载流子。,空穴,硼原子,（3）P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,2、P 型半导体,如果我们把若干受主杂质原子硼或铝加进硅或锗中，这两种原子都只贡献3个电子。在这种情况下，杂质引进空的分立能级（空穴能级或受主能级）。这些能级的位置很靠近价带顶，只差0.045ev，价带中的电子激发到空穴能级上比越过整个禁带（1.1ev）到导带容易得多( 图10-9b)。,P型半导体的能带结构,因此，容易把价带中一些具有较高能量的电子激发到杂质能级上。这个过程在价带中产生空态即空穴。如前面所述，这些电子起着正电子

23、的作用。这种杂质原子叫做受主，这种半导体叫做 p 型半导体。,为了使半导体的电导率产生大的变化，对于每一百万个半导体原子，大约有一个杂质原子就足够了。半导体在工业上广泛地用于制作整流器、调制器、探测器、光电管、晶体管和大规模集成电路等等。,（1）杂质半导体就整体来说还是呈电中性的。 （2）杂质半导体中的少数载流子虽然浓度不高， 但 对温度、光照十分敏感。,3.杂质半导体说明,温度升高时，本征半导体和杂质半导体的电导率与温度的关系：,（3）杂质半导体中的少数载流子浓度比相同温度下 的本征半导体中载流子浓度小得多。,1、漂移电流 载流子在电场作用下有规则的运动-漂移运动 形成的电流-漂移电流 2、

24、 扩散电流 载流子由于浓度的不均匀而从浓度大的地方向浓度小的地方扩散所形成的电流。,四、漂移电流与扩散电流,PTC 热敏陶瓷简介,我院“863”项目：“高性能PTC热敏陶瓷的制备”研究的就是通过掺杂引入施主离子使得陶瓷具有半导体效应。,PTC热敏陶瓷的主要特性是其在居里温度附近，阻值发生几个数量级（103-108）的突发性变化且热敏陶瓷的介电常数在居里温度附近发生相应的突变，即迅速增大，在居里点以上又迅速减小，恢复常态值。,只有晶粒充分半导化，晶界具有适当的绝缘性的BaTiO3陶瓷才具有显著的PTC效应。,BaTiO3的半导化通过添加微量的稀土元素，在其禁带间形成杂质能级，实现半导化：,1.2

25、.2 无机非金属导电机理,材料的导电性是由于物质内部存在的带电粒子的移动引起的。这些带电粒子可以是正、负离子，也可以是电子或空穴，统称为载流子。载流子在外加电场作用下沿电场方向运动，就形成电流。可见，材料导电性的好坏，与物质所含的载流子数目及其运动速度有关。,载流子是电子或电子空位的电导称为电子式电导。 载流子是离子或离子空位的称为离子式电导。,点阵节点位置上若缺少离子，就形成“空位”，离子空位容易接纳临近来的离子，而空位本身就移到邻近位置上，在电场作用下，空位做定向运动引起电流。,实际上空位移动是离子“接力式”的运动，而不是某一离子连续不断的运动，电子空穴的导电情况也是类似。,1.2.2.1

26、 离子晶体的导电机理,离子电导的微观机构为载流子离子的扩散。,图10-10 间隙离子的势垒,间隙离子处于间隙位置时，受周围离子的作用，处于一定的平衡位置（称此为半稳定位置）。如果他要从一个间隙位置跃入相邻原子的间隙位置，需克服一个高度U0的势垒。完成一次跃迁，又处于新的平衡位置（间隙位置）上。这种扩散过程就构成了宏观的离子“迁移”。,1. 晶体的离子电导可分为两大类：,（1） 源于晶体点阵中基本离子的运动，称为离子 固有电导或本征电导。 这种离子自身随着热振动的加剧而离开晶格振点，形成热缺陷。,热缺陷,弗仑克尔缺陷,肖特基缺陷,能量大的离子离开平衡位置挤到晶格点的间隙中形成间隙原子，原来位置形

27、成空位。,正常格点上的原子或的能量离开平衡位置迁移到晶体表面，在晶体内正常格点上留下空位。,热缺陷的浓度随温度的升高而增大，因此本征电导率与温度的关系为：,Es与可迁移的离子从一个空位跳到另一个空位的难易程度有关，通常称为离子激活能； As取决于可迁移的离子数，即离子从一个空位到另一个空位的距离以及有效的空位数目。,一般情况下本征离子电导率可以简化为：,本征电导率与温度的关系：,（2）杂质电导,此类电导是结合力较弱的离子运动造成的，这些离子主要是杂质离子，故称为杂质电导。,置换杂质原子,间隙杂质原子,因杂质离子的存在，不仅增加电流载体数量，而且使点阵发生畸变，杂质离子离解活化能变小。,低温下，

28、离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定。,由杂质引起的电导率可用下式表示：,2. 如果只有一种载流子，电导率可用单项式表示：,写成对数形式为：,以ln和1/T为坐标，可绘得一直线，从直线斜率B可求出活化能：,对于碱卤晶体，电导率大多满足二项公式：,式中第一项由本征缺陷决定，第二项由杂质决定。,如果物质存在多种载流子，其总电导率可表示为：,例 题,PN结,1.2.2.2 玻璃的导电机理,在含有碱金属离子的玻璃中，基本上表现为离子电导。,玻璃体的结构比晶体疏松，成网络结构，碱金属离子在二氧化硅网络中从一个间隙跳到另一个间隙，碱金属离子能够穿过大于其原子大小的距离而迁移，造成电流流动，与离子晶体中的

29、间隙离子导电类似。,玻璃的组成对玻璃的电阻影响很大，影响方式也很复杂。,硼钾锂玻璃电导率与锂、钾含量的关系,双碱效应：当玻璃中碱金属离子总浓度较大时，碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子的玻璃电导率要小。当两种碱金属浓度比例适当时，电导率可以降到很低。,1.双碱效应,以K2O、Li2O为例说明双碱效应的原因： R K+R Li+，在外电场的作用下，碱金属离子移动时，Li+离子留下的空位比K+留下的空位小， K+只能通过本身的空位； Li+进入大体积空位，产生应力，不稳定，只能进入同种离子空位较为稳定； 大离子不能进入小空位，使通路堵塞，妨碍小离子的运动； 相互干扰的结果使电导率大大下

30、降。,玻璃中SiO2被其它氧化物置换的效应,2. 压碱效应：含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低。相应的阳离子半径越大，这种效应越强。,原因：二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网络结构，堵塞迁移通道，使碱金属离子移动困难，电导率降低。,3.半导体玻璃,半导体玻璃作为新型电子材料非常引人注目。半导体玻璃按其组成可分为： （1）金属氧化物玻璃（SiO2等）； （2）硫化物玻璃（如：S、Se、Te等与金 属的 化合物） （3）Ge、Si、Se等元素非晶态半导体。,导电的原因：在其中存在大量的悬空键和区域化的电荷区，从能带结构分析，在价带和导带之间存在很多局

31、部能级。,4. 多晶多相材料的电导,相组成： 晶粒、晶界、玻璃相、气孔、 相组成的导电性： 玻璃相、微晶相（缺陷多）电导率较高。气孔电导率小，但如果气孔形成通道，环境中的水份、杂质易进入，对电导有影响。作为绝缘子使用，必须提高其致密度。,1.3 超导体,1911年荷兰物理学家Kamerlingh Onnes发现了汞冷却到4K（液氦温度）时具有零电阻，即具有超导性。 这种在一定的低温条件下材料突然失去电阻的现象称为超导电性。 超导体是等电位的，超导体内没有电场（只有电流而没有电阻）。,1.3.1 超导体的发展历程,超导体的发展主要在提高临界温度，已知有24种元素的单质可呈现超导态，其中铌的临界温

32、度最高（9.13K)，后来人们发现许多合金可呈超导态，其中1977年发现的Nb3Ge，Tc高达23K，是其中最高Tc者。但由于液氦温度的获得成本昂贵且操作不便，让人们失去了应用的信心。,1986年4月IBM公司瑞士苏黎世研究实验室的J.G.Bednorz和K.A.Mueller发现镧钡铜的复合氧化物在30K显示超导性，激起超导热。1987年2 月，美国休斯顿大学的美籍华人朱经武研制成功YBa3Cu3O7，其转变温度在90K，进入了液氮温度区，1988年研制出了转变温度为125K的新型超导材料Tl2Ca2Ba2Cu3O10。甚至还有达到常温的传闻性报道。,1933年，Meissner发现超导态跟

33、零电阻现象共存的超导体的全抗磁现象。若取一磁铁放在超导体上方，磁铁将神奇地悬浮其上方，这便是磁悬浮现象，磁悬浮列车车速可高达590km/h。,各国的研究均已表明，几乎所有的性能好，Tc高的陶瓷超导材料都含有稀土元素。虽然，这类超导材料的超导机制还远不清楚，但元素周期表对研制、发展超导材料的指导意义，是十分明显的。它指出了组成超导材料的元素在周期表中的位置：,它所造成的强大磁场，可实现受控热核反应，使人类获得“取之不尽”的巨大核能，等等。在经济建设中其应用前景是极其广阔的。,1.3.2 超导体的两个基本特征,1.完全导电性 2.完全抗磁性（迈斯纳效应）,处于超导状态的金属，内部磁感应强度始终为零

34、。 原来处于正常态的样品变成超导体时，也会把原来的体内磁场完全排出去。,1.3.3 超导体的3个指标,超导材料有三个关键的临界值，即临界温度Tc、临界电流密度Jc和临界磁场Hc，这三个临界值越高，超导体的实用价值越大。,1. 临界转变温度Tc：超导体温度低于Tc时，便出现了完全导电和迈斯纳效应。超导体的临界温度越高越好，越有利于应用。,2.临界磁场Hc：当TTc时，将超导体放入磁场，如果磁场强度高于临界磁场强度，则磁力线穿入超导体，超导体被破坏而成为正常态，Hc随温度降低而增加。超导体的这个关系是抛物线：,临界磁场就是能破坏超导态的最小磁场，它与超导材料的性 质有关。,3.临界电流密度Jc：如

35、果输入电流所产生的磁场与外磁场之和超过Hc，则超导态被破坏，这时输入的电流为临界电流Ic，相应的电流密度称为临界电流密度Jc。,4. BCS 理论,库伯电子对理论。 超导现象是来源于声子-电子互相作用所产生的电子对，处于超导状态时，电子对运动是相关的，它们之间存在特殊吸引力使得动量和自旋方向相反的两个电子结合成了电子对（库伯电子对）。 晶格散射电子对中的某一个电子并改变它的能量时，它也将散射电子对中的另一个电子，在相反方向引起动量的等量变化，因此电子的平均运动不加快也不减慢，这说明电子对运动时不损耗能量，因此表现出零电阻特性。,当温度接近于0K时，电子的散射主要是电子与电子间的相 互作用，而不

36、是电子与粒子之间的相互作用，并以T2 的规律趋于零。,大多数金属在熔化成液态时，其电阻率会突然增大约1-2倍。这是由于原子长程排列被破坏，从而加强了对电子的散射所引起的。,但如金属锑、铋、镓等固态时为层状结构，主要为共价键型晶体结构，在熔化时共价键被破坏，转为以金属键结合为主，导电电子数增加，故使电阻率下降。,由于冷塑性变形使晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，特别是空位浓度的增加，造成点阵电场的不均匀性而加剧对电磁波散射，从而造成电阻率加大。,拉应力使金属原子间距增大，点阵动畸变增大，电阻率上升。反之下降。,其中：为百分之一溶质量比的附加电阻率。,马基申定律指出，合金电阻有两部分组成：,1.溶剂的电

37、阻，它随着温度升高而增大； 2.溶质引起的附加电阻，它与温度无关，只与溶质原子的浓度有关。,第二节 热电效应,T2,2.3.1 对帕尔帖效应的物理解释是： 电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。,2.3.2 帕尔帖热的测量,先从一个方向通入电流，测的热量QJ+Qp（放热）。然后再从另外一个方向通入电流，测的热量为QJ-Qp（吸热），二者只差就是2Qp，则可得出帕尔帖热。,对于P型半导体和N型半导体组成的电偶,以上热电效应在电

38、流反向时是可逆的。 由于固体系统存在有限温差和热流，所以热电制冷是不可逆热力学过程。,第三节、半导体导电的敏感效应,半导体的导电性受到环境的影响很大，产生了一些半导体敏感效应。,热敏效应,光敏效应,压敏效应,磁敏效应,霍尔效应,磁阻效应,热敏变色油墨,PTC热敏电阻,热敏温度计,温度补偿器,红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯

39、、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。,根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。,避雷器,压敏电阻,霍尔传感器,霍尔传感器,如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。,气敏电阻,气敏电阻是一种半导体敏

40、感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。 如：SnO2金属氧化物半导体气敏材料，属于 N型半导体，在200300温度它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当遇到有能供给电子的可燃气 体（如CO等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃行气体以正离子状态吸附也要放出电子， 从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半 导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。,如果

41、磁场方向与导体中电流方向垂 直，则在与磁场和电流二者垂直的 方向上出现横向电势差，这一现象 称之为霍耳效应。,霍耳效应,*实验结果,*霍耳效应的应用,八十年代，发现量子霍耳效应, 即曲线 当 为常数时，出现台阶而不为线性关系,因为半导体的载流子浓度小于金属 电子的浓度且容易受温度、杂质的 影响，所以霍耳系数是研究半导体 的重要方法之一。霍耳传感器：将 某物理量的变化转化成I和B的变化,第四节、介质极化与介电性能,等量异号电荷相距一段距离，这个系统就称为电偶极子，电荷和位移的乘积称为这个系统的电偶极矩，其方向与外电场方向一致。,10.4.1 极化的概念,介质在电场作用下产生感 应电荷的现象，称为

42、介质 的极化。这种材料叫电介质。,1. 极性和非极性粒子的机化,真空,E,(1) 具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象,2. 极化现象及其物理量,单位电场强度下，介质粒子的电偶极矩的大小称为粒子的极化率：,表示材料的机化能力，只与材料的性质有关。,电介质在电场作用下的极化程度用极化强度表示：,偶极子的产生有两种基本形式： 第一种：弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。 包括：电子位移极化、离子位移极化。,三、极化机制,第二种：该极化与热运动有关，其完成需要一定的 时间，且是非弹性的，需要消耗一定的能量。 包括：松弛极化、取向极化、空间电荷极化。,（3） 松弛极化,松弛质点：材料中存在着弱联系的

43、电子、离子和偶极子。 松弛极化：松弛质点 由于热运动使之分布混乱， 电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化 松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量（10-2 10-9S ），是一种非可逆过程。,材料中弱束缚电子在晶格热振动下，吸收一定能量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态； 处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点，移到另一个阳离子结点； 极化建立时间为10-210-9s。电场频率高于109 Hz时，电子松弛极化就不存在。 外加电场使其运动具有一定的方向性，由此引起极化，使介电材料具有异常高的介电常数。 电子松弛极化与热运动有

44、关，是一个松弛过程，且不可逆，伴有能量损耗。,1. 电子松弛极化：,在玻璃态材料、结构松散的离子晶体或晶体中的杂质或缺陷区域，离子自身能量较高，易于活化迁移，称为弱联系离子，此迁移为不可逆过程。 极化建立时间为10-2-10-5 s。当频率在106Hz以上时离子松弛极化对电极化强度就无贡献。 离子松弛极化率与温度成反比，故温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极化率减小。 离子松弛极化率比电子位移极化率大一个数量级，可导致材料大的介电常数。,2. 离子松弛极化,离子松弛极化的迁移仅作有限距离的迁移（晶格常数大小），它只能在结构松散区或缺陷区附近移动。故电介质不能导电。,具有恒定偶极矩的极性

45、分子在外加电场作用下，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，与极性分子的热运动达到统计平衡状态，整体表现为宏观偶极矩。 极化率比电子高得多，建立时间： 10-210-10s。,（4）转向极化,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，形成空间电荷极化，一般为高压式极化。 极化率随温度升高而下降。因为温度升高，离子运动加剧，离子容易扩散，空间电荷减小。 极化时间较长，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空间电荷极化只对直流和低频下的极化强度有贡献。,（5）空间电荷极化,各种极化形式的比较,6. 介电常数,表示电容

46、器在有电解质时与在真空状态时的电容相比较时增长倍数。,1. 介电损耗：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。原因有以下几种： 极化损耗：任何电介质在电导或极化过程中，带电质点（弱束缚电子、弱联系离子以及偶极子或者空穴等）移动时，由于与外电场作用不同步，因而吸收了电场能量并把它传给周围的“分子”，使电磁能转变为“分子”的热振动能，把能量消耗在电介质发热效应上。一般用松弛时间来表示不同步程度。极化损耗包括驰豫损耗和共振损耗。 电导损耗：电介质漏电流产生的热损耗。 电离损耗：含气孔的电介质中气体电离吸收能量。,四、电介质的介电损耗,2. 损耗的形式,电导损耗 极化损耗 电

47、离损耗 结构损耗 宏观结构不均匀的介质损耗,3.复电容率、复介电常数,4. 影响损耗的因素,1.极化频率 很小时，介质损耗为零，各种极化都跟得上外电场变化。 电场频率增大时，缓慢极化跟不上外电场变化，此时缓慢极化对介电常数的贡献逐渐减小，由于缓慢计划滞后与外电场的变化而产生电能损耗，使得损耗随着频率的增大而增大。 外电场频率很高时，缓慢极化来不及建立，对介电常数没有贡献，损耗仅有起始电导率决定。 2.温度 温度很低时，松弛时间很长，松弛极化来不及建立，损耗很小。 温度升高时，粒子热运动增大，松弛时间减小，松弛极化也开始产生，损耗开始随温度增大而增加，当温度升高到某一值后，对介电常数贡献最大，介

48、电常数最大。损耗也在温度升高一定值后，达到最大。,德拜研究了电介质的介电常数r 、反映介电损耗的r、所加电场的角频率及松弛时间间的关系。,rs -低频或静态的相对介电常数 r - 时的相对介电常数,参考资料,=1， r最大，大于或小于1 时，r都小， 即：松弛时间和所加电场的频率相比，较大时，偶极子来不及转移定向， r就小；松弛时间比所加电场的频率还要迅速，r也小。,五、 电介质的击穿；介电强度（抗电强度）,电介质的击穿：在强电场的作用下，电介质所承受的电压超过一临界值时（击穿电压），便丧失了绝缘性能而击穿，这种现象称为电介质的击穿。,抗电强度：材料所能承受的最大电场强度，表示材料的耐击穿能力

49、。,5.1 电击穿,自由电子在电场作用下，定向运动，不断撞击介质中的离子，当电场足够高时，自由电子定向运动的速度超过一定值可使介质中的离子电离出次级电子，以上电子在电场的作用下都会加速，到一定速度时，就会撞击出第三级电子，发生连锁反应，形成大量自由电子形成的“电子潮”。可使电流迅速增长，导致介质的击穿。,能带理论认为：电场强度增大时电子能量增加，当有足够的电子获得能量而能够越过禁带而进入上层导带时，绝缘材料就会被击穿。,5.2 热击穿,由于在电场作用下，介质会被加热，造成热量在内部积聚，使得器件温度升高。升温的结果又进一步增大能耗，使发热量进一步增多。 当温度超过一定限度时，介质就会出现烧裂、熔融等现象而完全丧失绝缘能力，这就是介质的热击穿。,5.3 化学击穿,长期运行在一定环境下的绝缘材料由于材料内部的电解、腐蚀、氧化、还原、