材料的电导基本问题及离子电导培训资料.ppt

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1、材料的电导基本问题及离子电导2013第二章材料的导电性材料的导电性是指在电场作用下，材料中的带电粒子发生定向移动从而形成宏观电流的现象，属于材料的电荷输运特性。根据导电性机理，根据材料导电性的高低，可将材料划分为：导体、半导体、绝缘体。另外，还有一类电阻趋于零的超导材料，它可以承载非常高密度的电流而不发热，目前虽然还没在输电中得到实际应用，在一些特殊领域中具有很独特的效果。了解材料的导电性规律性、微观机理及其影响因素，对于控制材料的导电性使其满足各种具体的实际需求，以及对于开发新的材料是非常必要的。一.电导的宏观参数1．电导率和电阻率一个

2、长L，横截面S的均匀导电体，两端加电压V(图5.1）根据欧姆定律（1）电流密度J定义:单位面积通过的电流量。单位：安/cm2对于形状规则的均匀材料，各处的电流密度J是相同的。所以，总电流强度为：I=SJ欧姆定律示意图2.1材料的导电性概述2.1.1各类材料的导电性概况陶瓷中的载流子——电子(负电子，空穴)、离子(正、负离子，空位)。载流子为离子的电导称为离子电导，载流子为电子的电导称为电子电导。有些陶瓷材料能够类似于金属材料，依靠核外未满的次外层上的电子参与导电。表现出半导体特性的陶瓷材料，主要依靠价带空穴和导带电子导电；陶瓷材料中特有的

3、导电现象是离子导电，其中电流是通过各种正、负离子响应电场作用产生净定向扩散而传导。离子键结合的陶瓷材料显示这种特性，其中，电子导电还必须非常弱。离子电导：载流子为离子的电导称为离子电导；电子电导：载流子为电子的电导称为电子电导。2.电子电导和离子电导7典型材料的电导值如下：导电类型材料类型导电率/S·cm-1离子导电离子晶体10-18~10-4固体电解质10-3~101强电解质10-3~101电子导电金属101~105半导体10-5~102绝缘体＜10-123、区别电子电导和离子电导的方法：(1)霍尔效应若在X方向通以电流，在z方向上加以

4、磁场，则在Y方向电极两侧开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场称霍尔效应霍尔系数的测量RH为霍尔系数：霍尔迁移率μH：反映霍尔效应强弱的重要参数判断的方法是按图一所示的电流和磁场的方向，若测得的V的值是正值，样品属N型，否则，为P型。判断时一定要注意到电流、磁场和霍尔电压的值必同时为正时才成立。霍尔系数的测量纯离子电导不呈现霍尔效应利用霍尔效应可检验材料是否存在电子电导。要得到大的霍尔电压关键是选择霍尔系数大（即迁移率高、电阻率低）。半导体迁移率高电阻率适中是制造霍尔元件较理想的材料。由于电子迁移率比空穴迁移率大，所以霍尔元件多采用N型材料

5、。其次，霍尔电压大小与材料的厚度成反比，因此，薄型的霍尔器件输出电压较片状要高得的多。霍尔器件对材料的要求霍尔效应的起源：源于磁场中运动电荷所产生的洛仑兹力，导致载流子在磁场中产生洛仑兹偏转。该力所作用的方向即与电荷运动的方向垂直，也与磁场方向垂直。(2)电解效应电解现象：离子的迁移伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新的物质，这就是电解现象。电解效应可以检验材料是否存在离子电导，并且可以判定载流子是正离子还是负离子法拉第电解定律：电解物质与通过的电量成正比:g=CQ=Q/Fg为电解物质的量，Q为通过的电量，C为电化当量

6、，F为法拉第常数。12单位体积内参加导电的自由电荷为nq。在外电场作用下。每一载流子在E方向发生漂移平均速度为v(cm/s)。则单位时间(1s)通过单位截面S的电荷量为：J=nqv导电现象4.迁移率和电导率物体的导电现象的微观本质：载流子在电场作用下的定向迁移介质处在外电场中，则作用于每一个载流子的力等于qE。13载流子的迁移率:令μ=v/E为载流子的迁移率。μ物理意义:载流子在单位电场中的迁移速度。电导率：σ=nqμ和J=nqv电导率:σ=J/E=nqv/E宏观电导率σ与微观载流子的浓度n，每一种载流子的电荷量q以及每种载流子的迁移率有

7、关。从材料电导率的表达式可以看出，影响材料电导率的主要因素是材料中载流子的体积密度与迁移率。对于半导体：载流子——导带的电子（体积密度n，迁移率μe）、价带的空穴（体积密度p，迁移率μh）。则半导体的电导率表达式为对于金属：载流子——只有自由电子（体积密度n，迁移率μe）。则金属的电导率表达式为（2-4）自由电子在电场E作用下获得的漂移速度为：v=-eτE/me自由电子的迁移率为:μe=-eτ/me金属率表达式：式中，τ为自由电子的平均自由运动时间；ne为自由电子体积密度；m为电子的质量。经典自由电子理论存在着严重缺陷。原因：认为所有的自

8、由电子都参与导电。根源：经典自由电子理论没有认识到金属中自由电子的能量、波矢或速度状态的量子化特征。（2-5）（2-6）2.1.3材料导电性理论导电性的物理本质研究的三个理论阶段（1）经典自由