材料物理性能课件.ppt

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1、第一章材料的电学性能材料的导电性半导体的电学性能绝缘体的电学性能超导电性影响金属导电性的因素导电性的测量引言一、载流子电流是电荷的定向运动，电荷的载体称为载流子。载流子电子、空穴正离子、负离子、空位二、迁移数表征材料导电载流子种类对导电贡献的参数，用tx表示。ti+、ti-、te-、th+离子迁移数ti>0.99的导体为离子导体；ti<0.99的导体为混合导体。某种载流子输运电荷的电导率各载流子输运电荷的总电导率某一种载流子输运电荷占全部电导率的分数第一节材料的导电性一、电阻率和电导率欧姆定律：U=RIR表示导体的电阻，

2、不仅与导体材料本身的性质有关，而且还与其长度l及截面积S有关，其值R＝ρl/S，式中ρ称为电阻率或比电阻。电阻率只与材料特性有关，而与导体的几何尺寸无关，因此评定材料导电性的基本参数是电阻率或电导率，电阻率的单位为Ω·m,Ω·cm,μΩ·cm。当施加的电场产生电流时，电流密度J正比于电场强度E，其比例常数σ即为电导率：电阻率ρ的倒数σ即为电导率，即σ=1/ρ，电导率的单位为S/m或Ω-1·m-1。工程上用相对电导率IACS%=σ/σCu%表征导体材料的导电性能。国际标准软纯铜电导率导体：ρ<10-3Ω·cm；绝缘体：ρ>

3、108Ω·cm；半导体：ρ值介于10-3～108Ω·cm之间。二、金属导电理论经典自由电子论1900年特鲁德/洛伦兹1.经典自由电子理论（量子理论发展前）霍耳效应当金属导体处于与电流方向相垂直的磁场内时，则在模跨样品的两面产生一个与电流和磁场都垂直的电场，此现象称为霍耳效应。表征霍耳场的物理参数：霍耳系数又因可得由式可见，霍尔系数只与金属中的自由电子密度有关。霍尔效应证明了金属中存在自由电子，理论计算与实验测定结果对典型金属相一致。电导率：经典电子论的局限性经典电子论模型成功地说明了欧姆定律，导电与导热的关系。但在说明以

4、下问题遇到困难：实际测量的电子自由程比经典理论估计值大许多；电子比热容测量值只是经典理论值的百分之一；霍尔系数按经典自由电子理论只能为负，但在某些金属中发现有正值；无法解释半导体，绝缘体导电性与金属的巨大差异。这些都表明经典电子论的不完善，其主要原因在于它机械地搬用经典力学去处理微观质点的运动，因而不能正确反映微观质点的运动规律。2.量子自由电子理论量子理论的一些法则电子具有波、粒两相性，运动着的电子作为物质波，在一价金属中，自由电子的动能E等mv2/2.有电场时的E-K曲线量子自由电子理论的电阻率表达式lF为费米面附近

5、电子平均自由程；vF为费米面附近电子平均运动速度。3.能带理论由于周期势场的存在，自由电子的能级发生分裂，出现允带和禁带。周期场中电子运动的E-K曲线及能带电阻率nef为单位体积内实际参与传导过程的电子数，称为有效自由电子数。不同材料nef不同。一价金属的nef比二、三价金属多，因此它们的导电性较好。m*表示电子的有效质量，它是考虑晶体点阵对电场作用的结果。μ为散射系数，μ＝1/l当电子波通过理想晶体点阵(0K)时,不受散射；只有晶体在点阵完整性遭到破坏的地方，电子波受到散射，这就是金属产生电阻的根本原因。若金属中含有少

6、量杂质，杂质原子使金属正常的结构发生畸变，对电子波引起额外散射。此时散射系数与温度成正比与杂质浓度成正比与温度无关此时，总电阻包括金属的基本电阻和溶质浓度引起的电阻。电阻率遵循马西森定律：当处于高温时，金属电阻主要由ρ(T)主导；在低温时，ρ´是主要的。在极低温度下（4.2K)测得的金属电阻率称为金属剩余电阻率，可作为衡量金属纯度的重要指标。ρ(T)与温度有关的电阻率ρ´与杂质浓度、点缺陷、位错有关三、无机非金属材料的导电机理（一）离子型晶体的导电机理第一类离子电导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

7、。本征电导在高温下为导电主要表现。这种离子随着热振动的加剧而离开晶格阵点，形成热缺陷。这种热缺陷无论是离子或者空位均带电，可作为载流子，参加导电。第二类离子电导是结合力比较弱的离子运动造成的，这些离子主要是杂质离子，因而称为杂质电导。在低温下，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以用下式表示，即当材料中存在多种载流子时，材料的总电导率是各种电导率的总和，可表示为：A、B为材料常数离子导电是离子在电场作用下的扩散现象。其扩散路径畅通，离子扩散系数就高，导电率也就高。可用能斯脱－爱因斯坦方程表征该现象

8、：其中，D为扩散系数；n为载流子单位体积浓度；q为离子电荷电量。根据σ＝nqμ可得μ为离子迁移率；B为离子绝对迁移率，B＝μ/q离子电导率和离子扩散系数间建立联系（二）玻璃的导电机理第二节半导体的电学性能一.本征半导体在绝对零度和无外界影响的条件下，半导体的空带中无运动的电子。但当温度升高或受光照射时，也就是半导体受