课程电性能资料

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,*,第六章 材料的性能,第三节材料的电性能,6.3.1,电导率和电阻率,6.3.2,材料的结构与导电性,6.3.3,材料的半导体性,6.3.4,材料的超导性,6.3.5,材料的介电性,6.3.5,静电现象,6.3.1,电导率和电阻率,6.3.1.1,电导率：电导是指真实电荷在电场作用下在介质中的迁移。电导率的单位为,S.m,-1,，它是衡量材料导电能力的表观物理量，它定义为在单位电位下流过每立方厘米材料的电流,I,（,A,）。,I,L,/,V,S,（,S/m,）,(L,是样品厚，,m,；,S,是样品面积，,m,2,；,V,是电位，,V),2,电阻率：,3,相对电导率：把国际标准软铜（室温,20,C,下电阻率为,0.01724,mm,2,/m,）的电导率作为,100%,，其它材料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电导率。,材料,电阻率,/,.m,电导率,/S.m,-1,超导体,0,导体,10,-8,10,-5,10,5,10,8,半导体,10,-5,10,7,10,-7,10,5,绝缘体,10,7,10,20,10,-20,10,-7,材料的分类及其电导率,6.3.1.2,决定电导率的基本参数。,电导率与两个基本参数相关，即载流子密度,n(cm,-3,),和载流子迁移率,(cm,2,.V,-1,.S,-1,),。研究材料的电导性就是弄清楚载流子的品种、来源和浓度，迁移方式和迁移率大小等。,A,载流子 电流是电荷在空间的定向运动。,任一物质，只要存在电荷的自由粒子载流子（电子、空穴，正离子、负离子），就可以在电场作用下产生导电电流。金属中为电子，高分子和无机材料为电子或离子。载流子为离子或空格点的电导称为离子电导，载流子为,电子和空穴,电导称为,本征电导,。,B,迁移率 物理意义为载流子在单位电场中的迁移速率。,=,/nq,6.3.1.3,影响电导率的因素。,A,影响,离子电导率,的因素：,（,1,）温度 随着温度的升高，离子电导按指数规律增加。在低温下，杂质电导占主要地位。这是由于杂质活化能比基本点阵的活化能小许多的缘故。热运动能量的增高，使,本征电导,起主要作用。,（,2,）晶体结构 离子电导率随活化能按指数规律变化，而活化能反映离子的固定程度，它与晶体结构有关。,（,3,）晶格缺陷 具有,离子电导,的固体物质称为,固体电解质,。离子晶体成为固体电解质必须具备两个条件：电子载流子的,浓度小,；离子晶格缺陷浓度大并参与电导。离子性晶格缺陷的生成及其浓度的大小是决定离子电导的关键。,B,影响,电子电导率,的因素：,（,1,）,温度,低温区为杂质电导，高温阶段为本征电导，中间出现饱和区，此时杂质全部电离解完，载流子浓度与温度无关。金属中,T,-1,，半导体和绝缘体的电导率随温度变化以指数函数增大。,（,2,）,杂质与缺陷的影响,杂质对半导体的影响是由于杂质离子引起了新局部能级。价控半导体的掺杂（离子半径相近，固定的化合价，具有较高的离子化势能）。,阳离子空位是一个负电中心，能束缚空穴。电子跃迁到导带，形成导电的空穴。吸收一定的能量对应一定波长的可见光能量，从而使晶体具有某种特殊的颜色。俘获了空穴的阳离子空位（负电中心）叫做,V-,心，也称色心。,阴离子空位？,F-,心，也称色心。,ZnO,？,杂质,声子,6.3.2,材料的结构与导电性,6.3.2.1,材料的电子结构与导电性,A,导体的能带,固体理论指出,1,）在无外电场时，无论绝缘体、半导体或导体都无电流；,2,）在外场作用下，不满带导电而满带不导电。,B,绝缘体的能带,惰性气体的原子中各能级原来都是满的，结合成晶体时能带也为电子所填满，固为绝缘体。离子晶体各外层电子均被填满，能带本来系有两个能量相差较大的能级分裂而来，禁带宽度较大，因而是典型的绝缘体。,在满带与导带之间存在一个较大的禁带，约大于,6.40810,19,J,（,4eV,），禁带越宽，绝缘性越好。,无机绝缘体对温度的稳定性好。有机绝缘体随温度升高发生裂解，因游离出碳而使绝缘体变性。,C,半导体的能带,导电性能介于绝缘体与导体之间的物质称为半导体。升高温度或掺入杂质，都可改变其电阻，可广泛用于晶体管、二极管，镇流器、太阳能电池等方面。,（,1,）,本征半导体,半导体的禁带宽度较小，约在,1.602X10,-19,(1.0 eV),附近。例如室温下硅为,1.794X10,-19,J(1.10 eV),。固在室温下晶体中原子的振动就可使少量电子受到热激发，从满带跃迁到导带，即在导带底部附近存在有少量的电子，从而在外电场下显示一定的导电性。,空穴的概念,半导体的一个电子从价带激发到导带上，便产生两个载流子，即形成空穴,-,电子对，这是与金属导电的最大区别。,（,2,）杂质半导体,半导体的电阻对晶体中的杂质很敏感，大多数半导体的性质与杂质的种类和含量有关。,n,型半导体。,Si,、,Ge,中掺入少量的,P,、,Sb,、,Bi,或,As,。,p,型半导体。,Si,、,Ge,中掺入少量的,B,、或,Al,。因缺少一个电子，以少许的能量就可使电子从价带跃迁到掺杂能级上，相应地在价带形成一定数量的空穴，这些空穴可看成是参与导电的带有正电的载流子。,6.3.2.2,材料的电子结构与光导性,不仅热运动可使材料产生电子,-,空穴对，当光照射材料时，同样可使满带中的电子获得足够的能量激发到导带从而产生电子,-,空穴对，自由电子和自由空穴的变化导致电阻率的变化，这种由光照而使满带中的电子激发到导带的现象称为光电导效应。光电导的实质是对电子电导作贡献的载流子浓度受光激发而增大的现象。,A.,分子受激过程与能量交换,E,Ej-Ei=h,当吸收光子的能量大于能带禁隙（能隙）时，电子从价带进入导带直接产生一个电子空穴对，呈带,-,带转变。但通常电子,-,空穴对保持一种松散结合状态，或者说，它们作为一个整体在结构内部运动，犹似氢原子中电子在绕质子运动。这种电子,-,空穴对在无机共价化合物中取名,Wannier,激子。有机晶体分子中叫,Frankel,激子。,Conduction band,Valence band,3.2eV,Light,385nm,e,h,+,Reactants,Oxidation,Products,Reactants,Reduction,Products,B.,光生载流子机理,当吸收吸收光量子，获得足够能量激发电子到导带，光生载流子可用图来概括。,当光量子足以克服材料的能带带隙时，电子从价带直接激发到导带，这是直接带带转变（机理,A,），或叫本征光生载流子过程。为完成直接带带转变需要较高的光量子，本征光生载流子通常发生在真空紫外区。,在机理,B,中，基态电子受激发到最低受激发态（单重态），属于初级光吸收。单重态激子只有在离解成独立的电子、空穴而达到导电状态后才对光电流有贡献。为此所需能量可从激子表面相互作用中而获得，同时存在单重单重激子、单重三重激子、单重激子光子、三重激子光子以及双光子等相互作用提供能量的过程。,电子受激进入单重态的过程形成吸收光谱。可以推论，那些光电导谱与吸收谱十分接近的光导体中的光生载流子归属这种机理。,C.,光学退陷阱过程,经光辐照，从陷阱态（包括杂质或物理陷阱等）激发被俘获载流子到达导带是俘获电荷的光学退陷阱过程（机理,C,）。,D,通过光诱导，电子可能从金属电极的费米级注射进入聚合物导带（光注射电子），或者从聚合物基态注射到电极费米级（光注射空穴），即是图中的,D,机理。,光诱导效应通常用初级量子产率作判断，即每吸收一个光量子形成自由电子空穴对数目。分子晶体中载流子发生过程与受激态活化过程同时存在并相互竞争，其结果是量子产率总是偏离极限值,1,。,6.3.3,材料的半导体性,半导体分为本征半导体和杂质半导体两类，在实用上，大多数为杂质半导体。杂质半导体借助杂质来控制其电学性能。本征半导体是在外界能量作用下其电子从满带激发到导带从而具有半导体性质。,对于本征半导体孔穴迁移率,V,h,总比电子迁移率,V,e,低。与载流子密度随温度的变化相比，迁移率的变化不大。,电导率与温度,T,的关系为,：,ln, = C-,（,E,g,/2kT,）,k=8.62*10,-5,eV/K,（与金属的情况相反）。热敏电阻或热敏元件。,施主,(,电子型导电，,n,型半导体,),和受主,(,空穴型导电，,p,型半导体,),。,1,正常导体的电阻率：,2,超导：,低温下的奇迹,1,911,年荷兰物理学家昂尼斯（,H.K.Onnes 18531926,）发现，汞在,Tc,= 4.2K,时，其电阻率,0,，汞的这种现象称为“,超导现象,”。,Tc,称为“,转变温度,”,6.3.4,材料的超导电性,实验证实：昂尼斯和他的学生用固态的水银做成环路，并使磁铁穿过环路使其中产生感应电流。当水银环路处于,4K,之下的低温时，即使,磁铁停止了运动，感应电流却仍然存在,。他们坚持定期测量，经过一年的观察他们得出结论，只要水银环路的温度低于,4K,，电流会长期存在，并且没有强度变弱的任何迹象。,接着昂尼斯又对多种金属、合金、化合物材料进行低温下的实验，发现它们中的许多都具有在低温下电阻消失、感应电流长期存在的现象。由于在通常条件下导体都有电阻，昂尼斯就称,这种低温下失去电阻的现象为超导,。在取得一系列成功的实验之后，昂尼斯立即正式公布这一发现，并且很快引起科学界的高度重视，昂尼斯也因此荣获,1913,年诺贝尔物理学奖,。,二 超导体的主要特性,1,零电阻率：,将超导体冷却到某一临界温度（,TC,）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。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,YBCO,的临界温度为,94K,。,超导体中回路内的电流将长久地维持下去，几乎没有能量的损耗。导体内任意两点间没有电势差，整个超导体是一个等势体。,2,完全抗磁性：,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,的发现使人们认识到超导体的行为,并不是不可逆,的。在此之后人们才比较全面地了解了超导体的基本性质。迈斯纳效应与零电阻现象是超导体的两个,基本特性,，它们既,互相独立,，又,密切联系,。,3,通量量子化,三 超导态的临界参数,1,临界温度（,T,C,）,-,超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。,2,临界电流密度（,J,C,）,-,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。,3,临界磁场（,H,C,）,-,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。,以上三个参数彼此关联，其相互关系如右图所示。,Y,x,Ba,1-x,CuO,3,ABO,3,结构,四 超导体的分类,目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有,32,种（如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有,14,种（如右图元素周期表中绿色方框所示）。,1,第,类超导体,第,类超导体主要包括一些在,常温下具有良好导电性的纯金属,，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等 ，该类超导体的熔点较低、质地较软，亦被称作软超导体”。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,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。,3,第,类超导体,除金属元素钒、锝和铌外，第,II,类超导体主要包括金属化合物及其合金。,第,类超导体和第,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,类超导体的,混合态中有磁通线存在,，而第,类超导体没有； 第,类超导体比第,类超导体有,更高的临界磁场,、,更大的临界电流密度和更高的临界温度,。,理想第,类超导体：,晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。,非理想第,类超导体,：晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度。在实际上，真正适合于实际应用的超导材料是非理想第,类超导体。,第,类超导体分类：,五 超导的理论研究,1,伦敦方程 伦敦兄弟于,1935,年提出的伦敦方程是第一个对超导体的电动力学作统一描述的理论。该理论不仅说明了超导体的各种电磁性质，而且也解释了前述的迈斯纳效应。该理论指出：在超导态，处于外磁场中的超导体内并不是完全没有磁场，实际上外磁场可以穿透到超导体表面附近很薄的一层中，其穿透深度约为十万分之一厘米。,2 BCS,理论,1957,年由约翰,巴丁、里昂,库珀和罗伯特,施里弗提出,基本内容,：,该理论模型基于量子力学理论，认为：在超导体内部，由于电子和点阵之间的相互作用，在电子与电子之间产生了吸引力，这种吸引力使传导电子两两结成,电子对,，组成每个电子对的两个,电子动量相等、自旋方向 相反，这种电子,对称为,库珀电子对,或,超导电子,。库珀电子对的能量低于两个正常电子的能量之和，因而超导态的能量低于正常态。在,绝对零度,时，全部电子都结成库珀电子对，按照量子力学的,物质波,概念，由于库珀对的动量很小，所以它的,波长很长,，不会受到晶格缺陷和杂质的散射，从而可以无阻碍地流动。都是超导电子，随着,温度的升高,，,晶格振动能量不断增大,，,库珀电子对就不断地被拆散并转变为正常电子,，在温度达到,临界温度以上,时，库珀电子就全部被拆散，所有电子都是,正常电子,。由于该杰出的理论成果，他们三人分享了,1972,年的诺贝尔物理学奖。,3,约瑟夫森效应,1962,年英国物理学家约瑟夫森在研究超导电性的量子特性时提出了,量子隧道效应,理论，也就是今天人们所说的约,瑟夫森效应,。该理论认为：电子对能够以隧道效应穿过绝缘层，在势垒两边电压为零的情况下，将产生直流超导电流，而在势垒两边有一定电压时，还会产生特定频率的交流超导电流。在该理论的基础上诞生了一门新的学科,-,超导电子学,。,1962,年，年仅,20,多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质，他提出在超导结中，,电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流,，这个现象称作直流约瑟夫逊效应。当,外加直流电压,为,V,时，除,直流超导电流,之外，还存在,交流电流,，这个现象称作,交流约瑟夫逊效应,。将超导体放在磁场中，磁场透入氧化层，这时超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。约瑟夫逊的这一重要发现为超导体中电子对运动提供了证据，使对超导现象本质的认识更加深入。约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。,六 超导材料,NbTi,和,Nb,3,Sn,在超导材料的探索过程中，不能不提及的超导材料是,NbTi,和,Nb,3,Sn,。,Nb,3,Sn,化合物超导材料于,1954,年由马赛厄斯等人发现，而,NbTi,合金具有超导电性则于,1961,年由孔茨勒发现。它们是目前应用最为广泛的两种超导材料。至今，用,NbTi,合金线材绕制一个,8T,的超导磁体，用,Nb,3,Sn,化合物线材绕制一个,15T,的超导磁体已经不存在任何的技术问题。,七 高温超导,二十世纪八十年代是超导电性的探索与研究的黄金年代。,1981,年合成了有机超导体，,1986,年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物,LaBaCuO,4,，其临界温度约为,35K,。由于陶瓷性金属氧化物一般来说是绝缘物质，因此这个发现意义非常重大，他们获得了,1987,年的诺贝尔物理学奖。,1987,年在超导材料的探索中又有新的突破，美国休斯顿大学物理学家,朱经武,小组与中国科学院物理研究所,赵忠贤,等人先后宣布制成临界温度约为,90K,的超导材料,YBCO,。,1988,年初日本宣布制成临界温度达,110K,的,Bi-Sr-Ca-Cu-O,超导体。至此，人们终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科学史上的重大突破。,这类超导体由于其临界温度在液氮温度（,77K,）以上，因此被称为高温超导体。,6.3.5,材料的介电性,6.3.5.1,电容和介电常数,C,0,=Q,0,/V,，,C,0,=,0,A/l,， ,0,=8.85*10,-12,F.m,-1,(,真空电容率,),Q (Q=Q,0,+Q,1,) , C,比真空电容增加了,r,倍,C=Q/V= ,r,C,0,= A/l,则,r,=C/C,0,= / ,0,。,r,是个无因次的纯数，称为电介质的相对介电常数，表征电解质贮存电能能力的大小，是介电材料的一个十分重要的性能指标。则称为介质的电容率,(,或介电常数,),，表示单位面积和单位厚度电介质的电容质，单位与,0,相同为,F.m,-1,。,把电介质引入真空电容器，引起极板上电荷量增加（,Q,1,），电容增大，这是由于在电场作用下，电介质中的电荷发生了再分布，靠近极板的介质表面将产生表面束缚电荷，结果使介质出现了宏观偶极，这一现象称为电介质的极化。,极化强度：,p,=Q,1,/A= ,0,(,r,-1)E,电介质的相对介电常数可被看做介质中电介质极化强度的宏观量度。,极化包括：,电子极化,，,离,(,原,),子极化,，,取向极化,等。还有来源于电荷在双相界面上的累积。这种,空间电荷极化,或,界面极化,，是在一种相的电阻率比另一种相高得多时发生，这可在陶瓷材料和聚合物多组分多相体系在高温时观察到。,极化是依赖时间的过程，因此，介电常数有明显的电场频率依赖性。,分子的极性越大，其介电常数也越大。,电子极化和离子极化统称为位移极化或形变极化。,6.3.5.2,介电损耗,材料作为电介质使用时，在交变电场作用下，除了由于纯电容作用引起的位相和电压正好差,90,的电流,I,C,外，总有一部分与交变电压同位相的电流,I,R,，前者不消耗任何电功率，而后者则产生电功率损耗。,tan=I,R,/I,C,*= -i,，,tan= /,， 成为损耗角。,电介质在交变电场作用下，由于发热而消耗的能量称为介电损耗。产生介电损耗的原因有两个，一是电介质中微量杂质而引起的漏电电流，另一个原因是电介质在电场中发生取向极化时，由于极化取向与外加电场有相位差而产生的极化电流损耗，这是主要原因。,在一般的频率范围内， 只有取向极化及界面极化才可能对电场变化有明显的响应，只有极性材料才会有明显的介电损耗。,6.3.5.3,击穿强度,在强电场中，当电场强度超过某一临界值时，电介质就丧失其绝缘性能，这种现象称为介电击穿。发生介电击穿的电压称为击穿电压。击穿电压,V,与击穿厚度,d,之比，即平均电位梯度称为击穿强度（,MV.m,-1,），即：,E,穿,=V,穿,/d,可分为：特征击穿，热击穿，电机械击穿和放电击穿（缺陷的局部放电）。,与聚合物材料一样，陶瓷的介电常数对频率也是敏感的。但正常温度范围内，陶瓷绝缘材料的介电常数变化很小。,6.3.6,静电现象,任何两个固体，不论其化学组分是否相同，只要它们的物理状态不同，起内部结构中电荷载体能量的分布也就不同。当这样两个固体接触和摩擦时，在固,-,固表面会发生电荷再分配，在它们重新分离后，每一个固体都将带有比接触前过量的正（或负）电荷，这种现象称为静电。电阻率高的材料可能积累大量静电荷，将带来麻烦的后果。,6.3.6.1,接触起电,6.3.6.2,摩擦起电,消除静电就是寻找控制电荷产生或使已形成的电荷尽快泄露的途径。体积传导或表面传导来消除静电，常增加材料的吸湿性而提高表面导电性。,