导电材料物理基础

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1、功能材料物理基础第四章导电材料物理基础第一节材料的电导性质第二节半导体材料第三节超导材料第四节导电高分子材料第一节材料的电导性质提纲4.1.1导体材料4.1.2物质的电导率4.1.3材料导电机理34.1.1导体材料导体材料分类导体材料按照化学成分主要有以下三种：金属材料。这是主要的导体材料，电导率在107~108S/m之间，常用的有银、铜和铝等。合金材料。电导率在105~107S/m之间，如黄铜，镍铬合金等。无机非金属材料。电导率在105~108S/m之间。如石墨在基晶方向为2.5×106S/m。44.1.1导体材料导体材料应用导体材料在电力、电器、电子、信息、航空、航天、兵器、汽车

2、、仪表仪器、核工业和船舶等行业中有着广泛的应用。金属导体材料主要用作：电缆材料、电机材料、导电引线材料、导体布线材料、辐射屏蔽材料、电池材料、开关材料、传感器材料、信息传输材料、释放静电材料和接点材料等，还可以作成各种金属填充材料和金属复合材料。合金导体材料主要用作电阻材料和热电偶材料。非金属导体材料主要用作耐腐蚀导体、高温导电和导电填料。54.1.2物质的电导率导电性质电导：表示某一种导体传输电流能力强弱程度。单位是Siemens（西门子），简称西，单位S或Ω-11LJ电导率：σ===单位Sm-1或Ω-1m-1ρRSE电导率差异按照电导率可以将材料分为：导体、半导体、超导体、绝缘

3、体纯金属低温下的电导率可高达1012Ω-1m-1,这里还没有考虑超导体情况.良绝缘体的电导率小于10-20Ω-1m-1.在正常状态的不同物质中，电导率值可相差1032个数量级，是物性参数中数值变化范围最大的量之一.64.1.2物质的电导率材料电导率分类物质，材料电阻率ρ（Ωm）电导率σ(S/m)物质，材料电导率ρ（Ωm）电导率σ(S/m)5-9导体>10绝缘体<10-8714-14Ag1.59x106.29x10钻石1x101x10-8714-15Cu1.67x105.99x10石英3x103.33x10-87914-9-14Au2.35x104.26x10钠钙玻璃10-1010-1

4、0-871013-10-13Al2.66x103.76x10尼龙10-1010-10-871315-13-15W5.65x101.77x10天然橡胶10-1010-10-87Fe9.71x101.03x10-95半导体10~10Ce0.462.173-4Si2.3x104.35x106-7GaAs4x102.50x1074.1.3材料导电机理电荷载体载流子：带电荷的粒子，即电流载体。金属中，载流子是自由电子（包括电子和空穴）无机材料中，载流子包括离子、电子及空位介质中载流子来源电介质不是理想的绝缘体，其中总存在少量载流子，例如:本征激发或者杂质激发的传导电子或传导空穴.不同形态的电介质

5、中的离子、荷电胶粒、离子团、空间电荷、电子空穴等，都可以成为载流子而对材料的电导有贡献.84.1.3材料导电机理电荷载体物体导电的微观本质就是载流子的定向迁移。J=nqνJnqνσµ===nqEEν定义：µ=为载流子迁移率E意义为单位电场下载流子的平均迁移速度材料的电导率：σσ=∑∑i=nqiiiµii94.1.3材料导电机理电子导电机理价电子完全自由，可以在整个金属中自由运动电子的运动是在以导体空间点阵为周期的势场中运动，电子的势能是个周期函数电子导电理论只有在费米面附近的电子才能对导电做出贡献Conductionband费米能级forbiddenbandvalenceband104.1

6、.3材料导电机理电子导电机理导体费米能级禁带较窄禁带较宽价带导带相连能够跃迁难以跃迁*2*2n：有效电子数nelneeffeffeffσ==te*：电子电量22mv*2mv*l：电子平均自由程m*：电子有效质量v：费米面附近电子平均速度t：散射平均时间114.1.3材料导电机理离子导电机理离子电导分为两类：一是源于晶体点阵中基本离子的运动，又称为本征电导；二是结合力比较弱的杂质离子的运动，又称为杂质电导。Esσ=Aexp(−)sskTA：取决于可迁移离子数的常数sE：离子激活能Bsik：玻尔兹曼常数σ=Aexp(−)iT：绝对温度TAB：材料特性常数ii124.1.3材料导电机理温度对电导

7、率的影响(A)(B)(C)电导率与温度的关系示意图(A)金属；(B)半导体；(C)绝缘体金属的电导率随T上升而下降，其中载流子的产生及迁移均不需热激活，但T上升时载流子受到声子的散射加强而使电导率下降.半导体和绝缘体的电导率随1/T变化的曲线相类似，温度上升，电导率增大.有些材料的载流子浓度和迁移率还受周围环境如空气湿度、得失电子难易程度等的影响.尤其在一些高分子电介质中，这种影响显得特别重要.13第二节半导体材料