电学性能课件1

,材料电学性能,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,三、材料的电学性能,内容：材料的导电、介电、热电性能，半导体的导电敏感性、材料的绝缘性，金属材料的电导,11/19/2024,1,材料电学性能,三、材料的电学性能内容：材料的导电、介电、热电性能，半导体的,（一）导电性能,1,、基本概念,基本公式：,根据电阻率的大小，材料可分为导体(,10,10,m)和半导体(10,-2,-10,10,m)。,载流子,：电荷的载体。金属的载流子：电子；无机非金属的载流子：电子、离子。数量占多数的载流子：多数载流子,(major charge carrier),电子电导,：载流子为电子，,具有霍尔效应,。E,y,=R,H,J,x,B,z,离子电导,：载流子为离子，,存在电解效应,。离子的迁移伴随一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失而形成新的物质。,11/19/2024,2,材料电学性能,（一）导电性能1、基本概念10/8/20232材料电学性能,1,、基本概念,迁移数,（输运数）：载流子对材料导电贡献的比例。离子迁移数,t,i,0.99,的导体称为离子导体，,t,i,0.99,的称为混合导体。,迁移率和电导率的一般表达式,导电的,微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。,迁移率为载流子在单位电场中的迁移速度,电导率的一般表达式为,导电性能,11/19/2024,3,材料电学性能,1、基本概念迁移数（输运数）：载流子对材料导电贡献的比例。离,2、导电机理,1）金属及半导体的导电机理,经典电子理论,在金属晶体中，离子构成晶格点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，弥散分布于整个点阵之中，其运动遵循经典力学气体分子的运动规律。,无外加电场时，自由电子沿各方向运动的几率相同，不产生电流；有外加电场时，自由电子沿电场方向作宏观定向移动，形成电流。,电阻来源于自由电子与晶格点阵的碰撞。,导电性能,无法解释一价金属导电性优于二、三价金属，电阻率与温度的关系与实验不符，亦不能解释超导现象。,11/19/2024,4,材料电学性能,2、导电机理1）金属及半导体的导电机理导电性能无法解释一价金,2、导电机理,1）金属及半导体的导电机理,量子自由电子理论,金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间无相互作用，可在整个金属中自由运动。,自由电子的状态服从费米狄拉克的量子统计规律。,价电子有波粒二象性，能量呈量子化分布规律,只有处于较高能态的自由电子参与导电。,金属内部的缺陷和杂质是形成电阻的原因。,导电性能,11/19/2024,5,材料电学性能,2、导电机理1）金属及半导体的导电机理导电性能10/8/20,2、导电机理,1）金属及半导体的导电机理,能带理论,价电子是公有化和能量是量子化的。,离子所产生的势场呈周期变化。价电子在金属中的运动不是完全自由的。能带分裂为禁带和允带。具有空能级的允带中电子可自由移动。,导电性能,E,C,E,C,E,C,E,V,E,V,E,V,E,F,E,F,E,C,E,V,金属,半导体,E,g,2eV,Na,Mg,11/19/2024,6,材料电学性能,2、导电机理1）金属及半导体的导电机理导电性能ECECECE,2、导电机理,1）金属及半导体的导电机理,三种导电理论的主要特征的变化,导电性能,经典自由电子理论：,连续能量,分布的价电子在,均匀势场,中的运动,量子自由电子理论：,不连续能量,分布的价电子在,均匀势场,中的运动,能带理论：,不连续能量,分布的价电子在,周期性势场,中的运动,11/19/2024,7,材料电学性能,2、导电机理1）金属及半导体的导电机理导电性能经典自由电子理,2、导电机理,1）金属及半导体的导电机理,能带理论,本征电导,：电子和空穴的浓度相等。本征半导体的载流子由热激活产生。,杂质对半导体的导电性能,影响极大。掺杂半导体可,分为,n,型和,p,型两种。,导电性能,E,C,E,V,E,F,E,C,E,V,E,D,E,A,11/19/2024,8,材料电学性能,2、导电机理1）金属及半导体的导电机理导电性能ECEVEFE,2、导电机理,1）金属及半导体的导电机理,电子电导率,本征半导体,掺杂半导体,导电性能,高温下,本征半导体电阻率与温度的关系,11/19/2024,9,材料电学性能,2、导电机理1）金属及半导体的导电机理导电性能高温下本征半导,2、导电机理,1）,金属及半导体的导电机理,电子电导率的影响因素,温度的影响,温度变化不大时，电导率与温度的关系符合指数规律。温度的影响包括对迁移率的影响（,迁移率随温度变化较小,）和载流子浓度的影响（,指数关系,）。,杂质及缺陷的影响,杂质缺陷,：杂质导致离子电价的变化，出现新的局部能级（价控半导体）。,导电性能,Si,（掺杂A,s,）载流子体积密度与温度的关系,晶格散射杂质散射,11/19/2024,10,材料电学性能,2、导电机理1）金属及半导体的导电机理导电性能Si（掺杂As,2、导电机理,1）,金属及半导体的导电机理,电子电导率的影响因素,杂质及缺陷的影响,组分缺陷,：非化学计量比的化合物中，由于化学成分的偏离，形成离子空位或间隙离子等晶格缺陷。,阳离子空位,(,M,1-x,O),：,FeO,CoO,NiO,等在氧化气氛下，由于氧过剩而形成。,阴离子空位,：,TiO,2-x,，在还原气氛烧结时，由于缺氧而产生氧空位。,间隙离子,：,Zn,1+x,O,金属离子过剩形成。,导电性能,11/19/2024,11,材料电学性能,2、导电机理1）金属及半导体的导电机理导电性能10/8/20,2、导电机理,2)无机非金属的导电机理,电子电导,：载流子是电子或空穴；,离子电导,：载流子是离子或离子空位。,离子本征电导,：导电离子由热振动产生，能量较大的离子离开平衡位置。,弗伦克尔,(Frenker),缺陷：离子进入晶格间隙，空位和间隙离子成对产生。,F,F,F,i,+V,F,肖脱基,(Schottky),缺陷：离子跃迁到晶体表面，正负离子空位成对产生。,0,V,Na,+V,Cl,杂质电导,：载流子为杂质离子，浓度取决于杂质的种类和数量。,导电性能,11/19/2024,12,材料电学性能,2、导电机理2)无机非金属的导电机理导电性能10/8/20,2、导电机理,2),无机非金属的导电机理,离子电导的微观机理为,离子的扩散（迁移）,。,无电场作用下间隙离子沿某一方向跃迁的次数为,受电场作用下，正离子顺电场方向和逆电场方向的跃迁次数为,载流子沿电场方向的迁移速度及迁移率为,导电性能,无电场,施加外电场E,11/19/2024,13,材料电学性能,2、导电机理2)无机非金属的导电机理导电性能无电场施加外电,2、导电机理,2),无机非金属的导电机理,离子电导率的一般表达式,若只有一种载流子,若有多种载流子,导电性能,11/19/2024,14,材料电学性能,2、导电机理2)无机非金属的导电机理导电性能10/8/20,2、导电机理,2),无机非金属的导电机理,离子扩散机制：空位扩散，间隙扩散和亚间隙扩散,空位扩散,：晶格变形程度小，活化能小。,间隙扩散,：间隙位置的质点从一间隙移入另一间隙。,亚间隙扩散,：间隙离子取代附近的晶格离子，被取代的晶格离子进入间隙位置。,AgBr:Ag,+,的扩散。,离子扩散系数越大，离子电导率越高。,导电性能,11/19/2024,15,材料电学性能,2、导电机理2)无机非金属的导电机理导电性能10/8/20,2、导电机理,2),无机非金属的导电机理,离子化合物陶瓷的,导电性的变化范围非常大,。,CrO,2,:3.3*10,4,(,cm),-1,;MgO,Al,2,O,3,SiO,2,:,m,NaCl,m,NaF,高价正离子价健强，激活能高，电导率低。晶体结构越紧密，离子移动越困难，电导率低。,导电性能,阳离子电荷对电导率的影响,不同半径的二价离子对玻璃电阻率的影响,11/19/2024,18,材料电学性能,2、导电机理2)无机非金属的导电机理导电性能阳离子电荷对电,3、金属材料的电导,电阻率与温度的关系：,温度越高，电阻率越大,。金属熔化时电阻提高1.5至2倍。纯金属的,a,近似为,4,10,-3,o,C,-1,，铁磁性金属具有较高的,a,值。,Fe:6,10,-3,o,C,-1,Co:6.6,10,-3,o,C,-1,Ni:6.2,10,-3,o,C,-1,电阻率与压力的关系：,大部分金属受压力情况下电阻率下降,。反常金属：压力增大，电阻率上升，如碱金属、稀土金属。,导电性能,金属电阻率温度曲线,压力对电阻率的影响,磁性转变的影响,11/19/2024,19,材料电学性能,3、金属材料的电导电阻率与温度的关系：温度越高，电阻率越大。,3、金属材料的电导,冷加工对电阻率的影响：通常情况下冷加工引起金属电阻率增加。在0K时，冷加工金属保留一极限电阻率。,点缺陷引起的电阻率变化远比线缺陷的大,。,电阻率与晶体结构的关系：立方系金属的电阻率各向同性，在对称性较低的六方晶系、四方晶系、斜方晶系中，导电性表现为各向异性。,导电性能,冷加工变形铁的电阻在退火时的变化,e,11/19/2024,20,材料电学性能,3、金属材料的电导冷加工对电阻率的影响：通常情况下冷加工引起,3、金属材料的电导,金属之间形成固溶体时，电阻率升高。,g,:,交互作用强度系数。二元合金最大电阻率一般在50%原子浓度处，铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体除外。,一价金属的库仑势场最弱，对导电电子的束缚最小，其导电性好。,非晶合金的电阻率远高于对应的晶态材料，电阻率随温度的变化比晶态合金弱很多。,在薄膜或其他低维材料中，当合金材料在某个方向上的几何尺寸小于导电电子的平均自由程时，该方向的导电性降低。,导电性能,Au,C,u,x,Au,%,1%杂质原子对铜剩余电阻率的影响,11/19/2024,21,材料电学性能,3、金属材料的电导金属之间形成固溶体时，电阻率升高。g:交,3、金属材料的电导,固溶体有序化：,1),导电电子减少；,2),电子散射几率降低。通常第二因素占优，电阻率降低。,不均匀固溶体（K状态）的电阻率：镍铬，镍铜锌，铁铬铝，银锰等合金存在不均匀组织（K状态），增加电子散射，提高合金电阻率。冷加工促使固溶体不均匀组织的破坏并获得普通无序的固溶体，电阻率明显降低。,导电性能,80Ni20Cr合金电阻率与冷加工变形的关系,有序转变对电阻率的影响,11/19/2024,22,材料电学性能,3、金属材料的电导固溶体有序化：1)导电电子减少；2)电,4、玻璃的电导,纯净玻璃的电导较小，但若含有少量的碱金属离子R,+,，将使电导大大增加。含量不大时，玻璃电导率随含量线性增加，当到达一定限度时，电导率呈指数关系增加。,双碱效应,：在碱金属离子总浓度相同情况下，含两种碱比含一种碱的电导率小。,压碱效应,：在含碱玻璃中加入二价金属氧化物，可使玻璃电导率降低。相应的阳离子半径越大，这种效应越强。,导电性能,玻璃电导率与锂钾含量的关系,11/19/2024,23,材料电学性能,4、玻璃的电导纯净玻璃的电导较小，但若含有少量的碱金属离子R,5、多晶多相陶瓷的电导,陶瓷通常为多晶多相材料，其显微结构主要由微晶相、玻璃相和气孔相三部分组成，三者的量的大小及其相互间的关系，决定了陶瓷材料电导率的大小。,玻璃相结构松驰，微晶相缺陷较多，两者活化能较低，电导率较高。玻璃相一般填充晶粒间隙，构成连续网络，故含玻璃相的陶瓷的电导很大程度上,决定于玻璃相,。,气孔率增加，电导率减小。,杂质与缺陷为影响导电性的主要内在因素。,导电性能,非金属原子过剩,金属原子过剩,11/19/2024,24,材料电学性能,5、多晶多相陶瓷的电导陶瓷通常为多晶多相材料，其显微结构主要,5、多晶多相陶瓷的电导,多晶多相陶瓷材料的电导是,各种电导机制的综合作用,，有电子电导，也有离子电导。,电子的激活能小，迁移率高，材料的电导主要受电子电导的影响。绝缘材料的生产