第四章___材料電導(dǎo)性能-101018

1、課程性質(zhì)、教學(xué)目的與任務(wù)課程性質(zhì)、教學(xué)目的與任務(wù)本課程是一門(mén)無(wú)機(jī)非金屬材料工程專(zhuān)業(yè)本科生重要專(zhuān)業(yè)必選課。本門(mén)課的前修課是物理學(xué)、固體材料結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)、高等數(shù)學(xué)。 通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，掌握無(wú)機(jī)非金屬材料的力、熱、光、電、磁及其之間轉(zhuǎn)換性能的物理模型、基本原理和影響因素；具有分析各性能間的變化規(guī)律、性能控制和改善措施等的能力；學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和理論從微觀的角度去設(shè)計(jì)材料；了解無(wú)機(jī)非金屬材料研究領(lǐng)域中的前沿、熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題及其與本課程知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系。 培養(yǎng)學(xué)生既有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，又有科學(xué)的思維方法，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。課程主要內(nèi)容及教學(xué)學(xué)時(shí)課程主要內(nèi)容及教學(xué)學(xué)時(shí)本課程是無(wú)機(jī)非金屬材料工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)

2、基礎(chǔ)課，包括了無(wú)機(jī)材料的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)及其材料的各種耦合性能，例如壓電、熱電、光電等。是各個(gè)領(lǐng)域在研制和應(yīng)用無(wú)機(jī)非金屬材料中對(duì)材料提出的基本技術(shù)要求，即所謂的材料本征參數(shù)，掌握這類(lèi)本征參數(shù)的物理意義在實(shí)際工作中具有重要的意義。 根據(jù)教學(xué)計(jì)劃，本課程計(jì)劃總學(xué)時(shí)56學(xué)時(shí)，均為課堂教學(xué)。教學(xué)方法教學(xué)方法 1、材料物理性能材料物理性能吳其勝吳其勝華東理工大學(xué)出版社華東理工大學(xué)出版社2006年年2、無(wú)機(jī)非金屬材料性能無(wú)機(jī)非金屬材料性能 賈德昌，科學(xué)出版社，賈德昌，科學(xué)出版社，2008年年3、無(wú)機(jī)材料物理性能無(wú)機(jī)材料物理性能關(guān)振鐸，清華大學(xué)出版社，關(guān)振鐸，清華大學(xué)出版社，1989年年 教材及

3、主要參考書(shū)教材及主要參考書(shū)課程目錄及課時(shí)安排課程目錄及課時(shí)安排教學(xué)目標(biāo)及基本要求教學(xué)目標(biāo)及基本要求教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)預(yù)習(xí)題預(yù)習(xí)題4.1電導(dǎo)的物理現(xiàn)象電導(dǎo)的物理現(xiàn)象4.2離子電導(dǎo)離子電導(dǎo)4.3電子電導(dǎo)電子電導(dǎo)4.4金屬材料的電導(dǎo)金屬材料的電導(dǎo)4.5固體材料的電導(dǎo)固體材料的電導(dǎo)4.6半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng)半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng)4.7超導(dǎo)體超導(dǎo)體目目 錄錄電流密度電流密度J電場(chǎng)電場(chǎng)EV=LEI=SJSLRIVSLR（非均勻?qū)w）（非均勻?qū)w）R與材料性質(zhì)有關(guān)，還與材料的長(zhǎng)度及橫截面積有關(guān)；與材料性質(zhì)有關(guān)，還與材料的長(zhǎng)度及橫截面積有關(guān)；只只與材料的本性有關(guān)，與幾何尺寸無(wú)關(guān)，可評(píng)定材料的導(dǎo)電性。與

4、材料的本性有關(guān)，與幾何尺寸無(wú)關(guān)，可評(píng)定材料的導(dǎo)電性。EJ電子電導(dǎo)的特征電子電導(dǎo)的特征（電子在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生橫向移動(dòng)所致）（電子在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生橫向移動(dòng)所致）EY因電子質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)容易，而離子的質(zhì)量因電子質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)容易，而離子的質(zhì)量大得多，磁場(chǎng)作用力不足以使之產(chǎn)生橫向大得多，磁場(chǎng)作用力不足以使之產(chǎn)生橫向位移，因而不存在霍爾效應(yīng)，由此可檢驗(yàn)位移，因而不存在霍爾效應(yīng)，由此可檢驗(yàn)材料是否存在電子電導(dǎo)。材料是否存在電子電導(dǎo)。離子電導(dǎo)的特征離子電導(dǎo)的特征EnqEnqEJnqJqEF:載流子在單位電場(chǎng)中的遷移速度載流子在單位電場(chǎng)中的遷移速度上式反映了電導(dǎo)率的微觀本質(zhì)上式反映了電導(dǎo)率的微觀本質(zhì):宏觀電導(dǎo)率宏

5、觀電導(dǎo)率與微觀載流子濃度與微觀載流子濃度n、每一種載流子的電荷量每一種載流子的電荷量q以及遷移率以及遷移率的關(guān)系。的關(guān)系。物體的導(dǎo)電是載流子在電場(chǎng)作用下的定向遷移。物體的導(dǎo)電是載流子在電場(chǎng)作用下的定向遷移。)exp(6100kTUP)exp(6100kTUP)exp(6100kTUP遷移次數(shù)遷移次數(shù):0：振動(dòng)頻率墊壘不再對(duì)稱(chēng)，離子順?lè)措妶?chǎng)方墊壘不再對(duì)稱(chēng)，離子順?lè)措妶?chǎng)方向遷移難易程度不同。向遷移難易程度不同。不同類(lèi)型的載流子在不同的晶體結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散時(shí)所需克服的勢(shì)壘不同類(lèi)型的載流子在不同的晶體結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散時(shí)所需克服的勢(shì)壘是不同的。通常空位擴(kuò)散能比間隙離子擴(kuò)散能小許多，對(duì)于堿是不同的。通常空位擴(kuò)散能比間

6、隙離子擴(kuò)散能小許多，對(duì)于堿鹵晶體的電導(dǎo)主要是空位電導(dǎo)。鹵晶體的電導(dǎo)主要是空位電導(dǎo)。在電場(chǎng)作用下，晶體中間隙離子的勢(shì)壘不再對(duì)稱(chēng)，離子在順?lè)丛陔妶?chǎng)作用下，晶體中間隙離子的勢(shì)壘不再對(duì)稱(chēng)，離子在順?lè)措妶?chǎng)方向的遷移難易程度不同，躍遷次數(shù)、遷移速度、遷移率電場(chǎng)方向的遷移難易程度不同，躍遷次數(shù)、遷移速度、遷移率也不同：也不同：(E不太大時(shí)，UkT)22qEFU22qEFUnq)exp()exp()exp(61112021TBAkTWAkTWkTqN)exp()exp()exp(62222022TBAkTWAkTWkTqN本征離子電導(dǎo)率：本征離子電導(dǎo)率：雜質(zhì)離子電導(dǎo)率：雜質(zhì)離子電導(dǎo)率：雖然雖然N2N1，但，但

7、B2B1，e-B2/Te-B1/T，因而，因而雜質(zhì)電導(dǎo)率比雜質(zhì)電導(dǎo)率比本征電導(dǎo)率大得多本征電導(dǎo)率大得多，離子晶體的電導(dǎo)主要為雜質(zhì)電導(dǎo)，只有在，離子晶體的電導(dǎo)主要為雜質(zhì)電導(dǎo)，只有在很高溫度時(shí)才顯示本征電導(dǎo)。很高溫度時(shí)才顯示本征電導(dǎo)。iiiTBA)exp(1、離子電導(dǎo)率的一般表達(dá)式、離子電導(dǎo)率的一般表達(dá)式本征電導(dǎo)活化能：本征電導(dǎo)活化能：包括缺陷形成能和遷移能包括缺陷形成能和遷移能電導(dǎo)活化能：包括缺陷遷移能電導(dǎo)活化能：包括缺陷遷移能能斯特能斯特愛(ài)因斯坦方程：愛(ài)因斯坦方程：nqkTnqD2BkTkTqD離子的擴(kuò)散系數(shù)大，離子電導(dǎo)率就高。離子的擴(kuò)散系數(shù)大，離子電導(dǎo)率就高。離子絕對(duì)遷移率離子絕對(duì)遷移率雜質(zhì)

8、電導(dǎo)雜質(zhì)電導(dǎo)本征電導(dǎo)本征電導(dǎo))exp()exp()exp(61112021TBAkTWAkTWkTqN（3）晶格缺陷）晶格缺陷影響晶格缺陷生成和濃度的主要原因有：影響晶格缺陷生成和濃度的主要原因有：舉例：固體電解質(zhì)舉例：固體電解質(zhì)ZrO2立方氧化鋯（立方氧化鋯（CSZ）空氣氧空氣氧分壓分壓待測(cè)氧待測(cè)氧分壓分壓電子電導(dǎo)的載流子是電子或空穴，主要發(fā)生在導(dǎo)體和電子電導(dǎo)的載流子是電子或空穴，主要發(fā)生在導(dǎo)體和半導(dǎo)體中。半導(dǎo)體中。在導(dǎo)體中，電子的能量是可以連續(xù)變化的在導(dǎo)體中，電子的能量是可以連續(xù)變化的，具有波粒，具有波粒二象性。在外電場(chǎng)二象性。在外電場(chǎng)E作用下，金屬中自由電子可被加作用下，金屬中自由電子可

9、被加速。速。自由電子的自由電子的遷移率遷移率：有效質(zhì)量決定于晶格；與有效質(zhì)量決定于晶格；與晶格缺陷晶格缺陷和和溫度溫度有關(guān)。溫有關(guān)。溫度越高，晶體缺陷越多，電子散射幾率越大，度越高，晶體缺陷越多，電子散射幾率越大，越越小。小。遷移率大小由載流子的遷移率大小由載流子的散射強(qiáng)弱散射強(qiáng)弱決定。散射越弱，決定。散射越弱，越長(zhǎng)，遷移率越長(zhǎng)，遷移率e越高。越高。半導(dǎo)體和絕緣體半導(dǎo)體和絕緣體的電子能態(tài)量子化，采用有效質(zhì)量的電子能態(tài)量子化，采用有效質(zhì)量m*來(lái)表示遷移率：來(lái)表示遷移率：（1）晶體的能帶結(jié)構(gòu)晶體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)體中導(dǎo)帶和價(jià)帶間無(wú)禁區(qū)，電子進(jìn)入導(dǎo)帶不需能量；導(dǎo)體中導(dǎo)帶和價(jià)帶間無(wú)禁區(qū)，電子進(jìn)入導(dǎo)帶不需能量

10、；絕緣體禁帶寬度大，需外界能量實(shí)現(xiàn)電子由價(jià)帶向?qū)Ы^緣體禁帶寬度大，需外界能量實(shí)現(xiàn)電子由價(jià)帶向?qū)кS遷；半導(dǎo)體能隙小，電子躍遷較易。躍遷；半導(dǎo)體能隙小，電子躍遷較易。導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)n下面是價(jià)帶下面是價(jià)帶，由于純半，由于純半導(dǎo)體的原子在絕對(duì)零度導(dǎo)體的原子在絕對(duì)零度時(shí)，其價(jià)帶是充滿(mǎn)電子時(shí)，其價(jià)帶是充滿(mǎn)電子的，因此是一個(gè)滿(mǎn)價(jià)帶。的，因此是一個(gè)滿(mǎn)價(jià)帶。上面是導(dǎo)帶，而導(dǎo)帶是上面是導(dǎo)帶，而導(dǎo)帶是空的空的。滿(mǎn)價(jià)帶和空導(dǎo)帶。滿(mǎn)價(jià)帶和空導(dǎo)帶之間是禁帶，由于它的之間是禁帶，由于它的價(jià)電子和原子結(jié)合得不價(jià)電子和原子結(jié)合得不太緊，其禁帶寬度太緊，其禁帶寬度Eg比比較窄，一般在較窄，一般在1eV左

11、右。左右。價(jià)帶中的電子受能量激價(jià)帶中的電子受能量激發(fā)后，如果激發(fā)能大于發(fā)后，如果激發(fā)能大于Eg，電子可從價(jià)帶躍遷，電子可從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶上，同時(shí)在價(jià)帶到導(dǎo)帶上，同時(shí)在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴，空穴中留下一個(gè)空穴，空穴能量等于激發(fā)前電子的能量等于激發(fā)前電子的能量。能量。n逾量電子處于施主能逾量電子處于施主能級(jí)，級(jí)，施主能級(jí)與導(dǎo)帶施主能級(jí)與導(dǎo)帶底能級(jí)之差為底能級(jí)之差為Ed，而，而Ed大大小于禁帶寬度大大小于禁帶寬度Eg。因此，雜質(zhì)電子。因此，雜質(zhì)電子比本征激發(fā)更容易激比本征激發(fā)更容易激發(fā)到導(dǎo)帶，而導(dǎo)帶在發(fā)到導(dǎo)帶，而導(dǎo)帶在通常溫度下，施主能通常溫度下，施主能級(jí)是解離的，即電子級(jí)是解離的，即電子均激發(fā)到導(dǎo)帶

12、。均激發(fā)到導(dǎo)帶。Eg比比Ed相差近三個(gè)數(shù)量級(jí)。相差近三個(gè)數(shù)量級(jí)。n費(fèi)米能級(jí)：金屬導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)：金屬導(dǎo)體中，處于束縛能級(jí)上中，處于束縛能級(jí)上的電子轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶時(shí)的電子轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶時(shí)變成自由電子。變成自由電子。n型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)p型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)n其逾量空穴處于其逾量空穴處于受主能級(jí)。由于受主能級(jí)。由于受主能級(jí)與價(jià)帶受主能級(jí)與價(jià)帶頂端的能隙頂端的能隙Ea遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于禁帶寬度小于禁帶寬度Eg，價(jià)帶上的電子很價(jià)帶上的電子很容易激發(fā)到受主容易激發(fā)到受主能級(jí)上，在價(jià)帶能級(jí)上，在價(jià)帶中形成空穴導(dǎo)電。中形成空穴導(dǎo)電。 （2）本征半導(dǎo)體的載流子濃度本征半導(dǎo)體的載流子濃度半導(dǎo)體的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間隔著一個(gè)禁帶半導(dǎo)體的價(jià)帶

13、和導(dǎo)帶之間隔著一個(gè)禁帶Eg。在。在0K下，無(wú)外界下，無(wú)外界能量時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子不可能躍遷到導(dǎo)帶中去。如果能量時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子不可能躍遷到導(dǎo)帶中去。如果存在外界作用，則價(jià)帶中的電子獲得能量，可能躍遷到導(dǎo)帶存在外界作用，則價(jià)帶中的電子獲得能量，可能躍遷到導(dǎo)帶中去，使導(dǎo)帶中出現(xiàn)導(dǎo)電電子和價(jià)帶中出現(xiàn)電子空穴。中去，使導(dǎo)帶中出現(xiàn)導(dǎo)電電子和價(jià)帶中出現(xiàn)電子空穴。n在外電場(chǎng)作用下，價(jià)帶中的電子可以逆電場(chǎng)方向在外電場(chǎng)作用下，價(jià)帶中的電子可以逆電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)到這些空位上來(lái)，而本身又留下新的空位，運(yùn)動(dòng)到這些空位上來(lái)，而本身又留下新的空位，即空位順電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，所以稱(chēng)此種導(dǎo)電為空穴即空位順電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，所以

14、稱(chēng)此種導(dǎo)電為空穴導(dǎo)電。導(dǎo)電?？昭ê孟褚粋€(gè)帶正電的電荷空穴好像一個(gè)帶正電的電荷，因此，空穴，因此，空穴導(dǎo)電是屬于電子電導(dǎo)的一種形式。導(dǎo)電是屬于電子電導(dǎo)的一種形式。n本征電導(dǎo)：導(dǎo)帶中的本征電導(dǎo)：導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電電子導(dǎo)電和價(jià)帶中的和價(jià)帶中的空穴導(dǎo)空穴導(dǎo)電電同時(shí)存在。同時(shí)存在。n本征半導(dǎo)體：載流子只由半導(dǎo)體晶格本身提供。本征半導(dǎo)體：載流子只由半導(dǎo)體晶格本身提供。本征電導(dǎo)的載流子電子和空穴的濃度是相等的。本征電導(dǎo)的載流子電子和空穴的濃度是相等的。其濃度為：其濃度為：（3）雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度施主能級(jí)，電子導(dǎo)電施主能級(jí)，電子導(dǎo)電受主能級(jí)，空穴導(dǎo)電受主能級(jí)，空穴導(dǎo)電半導(dǎo)體的載流子濃度

15、在溫度不很高時(shí)為：半導(dǎo)體的載流子濃度在溫度不很高時(shí)為：nq電子遷移率電子遷移率 空穴遷移率空穴遷移率始終如一的始終如一的電子躍遷機(jī)制電子躍遷機(jī)制低溫區(qū)主要是低溫區(qū)主要是雜質(zhì)電子電導(dǎo)，雜質(zhì)電子電導(dǎo)，高溫區(qū)為本高溫區(qū)為本征電子電導(dǎo)征電子電導(dǎo)同一晶體中同一晶體中存在兩種雜存在兩種雜質(zhì)電子電導(dǎo)質(zhì)電子電導(dǎo)雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)離子引起的新局部能級(jí)。雜質(zhì)離子引起的新局部能級(jí)。價(jià)控半導(dǎo)體，就是通過(guò)雜質(zhì)的引入，導(dǎo)致主要成分中價(jià)控半導(dǎo)體，就是通過(guò)雜質(zhì)的引入，導(dǎo)致主要成分中離子電價(jià)的變化，從而出現(xiàn)新的局部能級(jí)。離子電價(jià)的變化，從而出現(xiàn)新的局部能級(jí)。對(duì)于價(jià)控型半導(dǎo)體，可以通過(guò)改變雜質(zhì)的組成，獲得對(duì)于價(jià)控型半導(dǎo)體，可以

16、通過(guò)改變雜質(zhì)的組成，獲得不同的電性能，但必須注意雜質(zhì)離子應(yīng)具有和被取代不同的電性能，但必須注意雜質(zhì)離子應(yīng)具有和被取代離子幾乎離子幾乎相同的尺寸相同的尺寸，而且雜質(zhì)離子本身有固定的價(jià)，而且雜質(zhì)離子本身有固定的價(jià)數(shù)，具有數(shù)，具有高的離子化勢(shì)能高的離子化勢(shì)能。晶體中多余一個(gè)正電荷，為保持電中性，晶體中多余一個(gè)正電荷，為保持電中性，Ti4+俘獲一個(gè)電子成為俘獲一個(gè)電子成為T(mén)i3+，被俘獲的電子處于半束縛狀態(tài)，易激發(fā)，參與導(dǎo)電被俘獲的電子處于半束縛狀態(tài)，易激發(fā)，參與導(dǎo)電n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體非化學(xué)計(jì)量配比的化合物中，由于晶體化學(xué)組成的偏離，非化學(xué)計(jì)量配比的化合物中，由于晶體化學(xué)組成的偏離，形成離子空位或間隙

17、離子等晶格缺陷稱(chēng)為組分缺陷。這些形成離子空位或間隙離子等晶格缺陷稱(chēng)為組分缺陷。這些缺陷的種類(lèi)、濃度將給材料電導(dǎo)帶來(lái)很大影響。缺陷的種類(lèi)、濃度將給材料電導(dǎo)帶來(lái)很大影響。1.陽(yáng)離子空位陽(yáng)離子空位是一個(gè)帶負(fù)電中心，是一個(gè)帶負(fù)電中心，能束縛電子空穴能束縛電子空穴p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體2.氧離子空位氧離子空位是一個(gè)帶正電中心，是一個(gè)帶正電中心，能束縛電子能束縛電子n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體3.間隙離子缺陷間隙離子缺陷:金屬離子過(guò)剩金屬離子過(guò)剩陽(yáng)離子空位陽(yáng)離子空位在能隙內(nèi)形成受主能級(jí)，這些空位的電離在價(jià)帶頂在能隙內(nèi)形成受主能級(jí)，這些空位的電離在價(jià)帶頂部產(chǎn)生空穴，從而形成部產(chǎn)生空穴，從而形成半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。陽(yáng)離子空位是

18、一個(gè)帶負(fù)電中心陽(yáng)離子空位是一個(gè)帶負(fù)電中心，能束縛電子空穴，此空穴是弱，能束縛電子空穴，此空穴是弱束縛的。這種束縛了空穴的陽(yáng)離子空位能級(jí)距價(jià)帶頂部很近，當(dāng)束縛的。這種束縛了空穴的陽(yáng)離子空位能級(jí)距價(jià)帶頂部很近，當(dāng)吸收外來(lái)能量時(shí)，價(jià)帶中的電子很容易躍遷到此能級(jí)上，形成導(dǎo)吸收外來(lái)能量時(shí)，價(jià)帶中的電子很容易躍遷到此能級(jí)上，形成導(dǎo)電空穴。電空穴。吸收能量對(duì)應(yīng)一定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光能量，從而使晶體具有某種特吸收能量對(duì)應(yīng)一定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光能量，從而使晶體具有某種特殊的顏色。俘獲了空穴的陽(yáng)離子空位叫殊的顏色。俘獲了空穴的陽(yáng)離子空位叫V-色心。色心。陽(yáng)離子空位。陽(yáng)離子空位。二價(jià)陽(yáng)離子俘獲一個(gè)空穴二價(jià)陽(yáng)離子俘獲一個(gè)空穴a.

19、陽(yáng)離子空位（陽(yáng)離子空位（M1-XO）b.陰離子空位（陰離子空位（TiO2-x）c.間隙離子間隙離子ZXHyHJREEV /nq（2）電阻產(chǎn)生機(jī)制）電阻產(chǎn)生機(jī)制)(T)(T)(T（3）馬西森定律）馬西森定律金屬的總電阻包括金屬的基本金屬的總電阻包括金屬的基本電阻和溶質(zhì)（雜質(zhì)）電阻。電阻和溶質(zhì)（雜質(zhì)）電阻。0T)1 (0TT理想金屬在0K時(shí)電阻為零。當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻率隨溫度升高而增加。對(duì)于含有雜質(zhì)和晶體缺陷的金屬的電阻，不僅有受溫度影響項(xiàng)，而且有剩余電阻率項(xiàng)。舉例：W的300K/4.2K=3105。含雜質(zhì)或晶體缺陷的金屬的電阻率變化：含雜質(zhì)或晶體缺陷的金屬的電阻率變化：在溫度在溫度T（23）D時(shí)

20、，時(shí)，電阻率正比于溫度。電阻率正比于溫度。當(dāng)當(dāng)TD時(shí)時(shí)，電阻率與溫度，電阻率與溫度成成5次方關(guān)系。次方關(guān)系。一般認(rèn)為純金屬在整個(gè)溫度一般認(rèn)為純金屬在整個(gè)溫度區(qū)間電阻產(chǎn)生的機(jī)制是電子區(qū)間電阻產(chǎn)生的機(jī)制是電子聲子之間的散射，只是在極低聲子之間的散射，只是在極低溫度（溫度（2K）時(shí)，電阻率與溫）時(shí)，電阻率與溫度成度成2次方關(guān)系，電子次方關(guān)系，電子電子電子之間的散射構(gòu)成了電阻產(chǎn)生的之間的散射構(gòu)成了電阻產(chǎn)生的主要機(jī)制。主要機(jī)制。金屬電阻率在不同溫度范圍與溫度變化的關(guān)系是不同的。金屬電阻率在不同溫度范圍與溫度變化的關(guān)系是不同的。通常金屬熔化時(shí)電阻增高通常金屬熔化時(shí)電阻增高1.52倍。因?yàn)槿刍瘯r(shí)金屬倍。因?yàn)?/p>

21、熔化時(shí)金屬原子規(guī)則排列遭到破壞，從原子規(guī)則排列遭到破壞，從而增強(qiáng)了對(duì)電子的散射，電而增強(qiáng)了對(duì)電子的散射，電阻增加。阻增加。但銻隨溫度升高，電阻也但銻隨溫度升高，電阻也增加；熔化時(shí)電阻反常地下增加；熔化時(shí)電阻反常地下降了，是因?yàn)殇R在熔化時(shí)，降了，是因?yàn)殇R在熔化時(shí)，由共價(jià)結(jié)合而變化為金屬結(jié)由共價(jià)結(jié)合而變化為金屬結(jié)合，電阻率下降。合，電阻率下降。（3）金屬熔化時(shí)電阻率的變化）金屬熔化時(shí)電阻率的變化過(guò)渡族過(guò)渡族鐵磁性鐵磁性金屬在發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變時(shí)電阻與溫度的關(guān)系經(jīng)常出現(xiàn)金屬在發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變時(shí)電阻與溫度的關(guān)系經(jīng)常出現(xiàn)反反常常。一般金屬的電阻率與溫度是。一般金屬的電阻率與溫度是1次方關(guān)系，對(duì)鐵磁性金屬在居里次方

22、關(guān)系，對(duì)鐵磁性金屬在居里點(diǎn)以下溫度不適用。在接近居里點(diǎn)時(shí)，鐵磁金屬或合金的電阻率反點(diǎn)以下溫度不適用。在接近居里點(diǎn)時(shí)，鐵磁金屬或合金的電阻率反常降低量與其自發(fā)磁化強(qiáng)度常降低量與其自發(fā)磁化強(qiáng)度MS的平方成正比，由的平方成正比，由d與與S殼層電子云殼層電子云相互作用決定。相互作用決定。 鎳鎳（4）鐵磁性金屬電阻率變化反常情況：）鐵磁性金屬電阻率變化反常情況：壓力系數(shù)：壓力系數(shù)：-10-6-10-5壓力系數(shù)：壓力系數(shù)：10-610-5壓力很大時(shí)可使許多物質(zhì)由半導(dǎo)體和絕緣體變?yōu)閷?dǎo)壓力很大時(shí)可使許多物質(zhì)由半導(dǎo)體和絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體，甚至變?yōu)槌瑢?dǎo)體。體，甚至變?yōu)槌瑢?dǎo)體。nC范比倫公式：范比倫公式：n=12電子在

23、空位處散射所引起的電阻率增加值,當(dāng)退火溫度足以使空位擴(kuò)散時(shí)部分電阻消失。電子在位錯(cuò)處的散射所引起的電阻率增加，保留到再結(jié)晶溫度。mnBA位錯(cuò)空位范性變形引起的電阻率變化：范性變形引起的電阻率變化：(2)缺陷對(duì)電阻率的影響缺陷對(duì)電阻率的影響評(píng)介單晶體結(jié)構(gòu)完整性評(píng)介單晶體結(jié)構(gòu)完整性空位、空隙原子以及它們的組合、位錯(cuò)等晶體缺陷空位、空隙原子以及它們的組合、位錯(cuò)等晶體缺陷使金屬電阻率增加。使金屬電阻率增加。其對(duì)剩余電阻率的影響與金屬中雜其對(duì)剩余電阻率的影響與金屬中雜質(zhì)離子的影響是同一數(shù)量級(jí)。質(zhì)離子的影響是同一數(shù)量級(jí)。高溫淬火和急冷也會(huì)使金屬內(nèi)部形成超過(guò)平衡狀態(tài)濃度高溫淬火和急冷也會(huì)使金屬內(nèi)部形成超過(guò)平

24、衡狀態(tài)濃度的缺陷。的缺陷。2)( Zba斯米爾諾公式斯米爾諾公式：0K時(shí)，有序合金的剩余電阻率時(shí)，有序合金的剩余電阻率C,第一組元相對(duì)原子濃度；第一組元相對(duì)原子濃度；第一類(lèi)結(jié)點(diǎn)相對(duì)濃度；第一類(lèi)結(jié)點(diǎn)相對(duì)濃度；q第第一類(lèi)結(jié)點(diǎn)被相應(yīng)原子占據(jù)的可能性。一類(lèi)結(jié)點(diǎn)被相應(yīng)原子占據(jù)的可能性。)(1)1 (22cqccA：遠(yuǎn)程有序度：遠(yuǎn)程有序度4.5固體材料的電導(dǎo)固體材料的電導(dǎo)4.5.1玻璃態(tài)電導(dǎo)玻璃態(tài)電導(dǎo)2、雙堿效應(yīng)和壓堿效應(yīng)、雙堿效應(yīng)和壓堿效應(yīng)3、玻璃半導(dǎo)體、玻璃半導(dǎo)體（1）氧化物玻璃 （2）硫?qū)倩衔铮?）元素非晶態(tài)半導(dǎo)體多晶多相陶瓷材料的其導(dǎo)電機(jī)理包括電子電導(dǎo)多晶多相陶瓷材料的其導(dǎo)電機(jī)理包括電子電導(dǎo)和離

25、子電導(dǎo)，但很大程度上決定于電子電導(dǎo)。和離子電導(dǎo)，但很大程度上決定于電子電導(dǎo)。吸收電流吸收電流漏導(dǎo)電流漏導(dǎo)電流吸收電流吸收電流nBBnGGnTVV4.5.4固體材料電導(dǎo)混合法則固體材料電導(dǎo)混合法則l n0 時(shí)，晶粒均勻分散在晶界中時(shí)，晶粒均勻分散在晶界中,陶瓷電導(dǎo)的對(duì)數(shù)混合法則：陶瓷電導(dǎo)的對(duì)數(shù)混合法則：BBGGTVVlnlnln4.6半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料4.6.1半導(dǎo)體概述半導(dǎo)體概述1、本征半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體/ )(exp)/2(2322kTEEhkTmNFgee雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)：（：（a）n型；（型；（b）p型型2248hemErd)(heienEV /4.6.2載流子

26、遷移率及電導(dǎo)率載流子遷移率及電導(dǎo)率32T4.6.3半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng)半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng)（1）壓敏效應(yīng)）壓敏效應(yīng))(CVI l，越大，壓敏特性越好。越大，壓敏特性越好。C難測(cè)定，常用難測(cè)定，常用I=1mA下施加的電下施加的電壓壓V來(lái)代替來(lái)代替C值。值。VC定義為壓敏電阻器電壓，其值為厚定義為壓敏電阻器電壓，其值為厚lmm試樣試樣流過(guò)流過(guò)lmA電流的電壓值。電流的電壓值。和和VC為描述壓敏電阻器特性的參數(shù)。為描述壓敏電阻器特性的參數(shù)。鉍偏析鉍偏析:Zn2+Bi3+形成電子耗損層形成電子耗損層晶界上具晶界上具有負(fù)電荷有負(fù)電荷吸附的受吸附的受主能級(jí)，主能級(jí)，形成雙肖形成雙肖特基勢(shì)壘特基勢(shì)壘正向電壓

27、；正向電壓；電子耗盡層減薄電子耗盡層減薄勢(shì)壘降低。勢(shì)壘降低。（2）PTC效應(yīng)效應(yīng)溫敏效應(yīng)溫敏效應(yīng)PTC現(xiàn)象的機(jī)理現(xiàn)象的機(jī)理Heywang理論理論勢(shì)壘高度勢(shì)壘高度勢(shì)壘半厚勢(shì)壘半厚)exp(00kTe2002reND)exp(00kTecTTCPTC陶瓷的應(yīng)用陶瓷的應(yīng)用2、表面效應(yīng)、表面效應(yīng)（1）半導(dǎo)體表面空間電荷的形成）半導(dǎo)體表面空間電荷的形成（2）半導(dǎo)體表面吸附氣體時(shí)電導(dǎo)率的變化）半導(dǎo)體表面吸附氣體時(shí)電導(dǎo)率的變化22422221OOOOOnadOnegO)(212neCOCOOneOHHOnadnad222樣品厚度樣品寬度電極間距電極間距空間電荷層寬度空間電荷層寬度半導(dǎo)體內(nèi)部電導(dǎo)率半導(dǎo)體內(nèi)部電

28、導(dǎo)率3、西貝克效應(yīng)、西貝克效應(yīng)溫差電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)溫差電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)（在具有溫度梯度（在具有溫度梯度的樣品兩端會(huì)出現(xiàn)電壓降。）的樣品兩端會(huì)出現(xiàn)電壓降。）若載流子和晶格極化作用較強(qiáng)，形成小極化子在很窄的能帶內(nèi)若載流子和晶格極化作用較強(qiáng)，形成小極化子在很窄的能帶內(nèi)進(jìn)行完全電子躍遷傳導(dǎo)，則進(jìn)行完全電子躍遷傳導(dǎo)，則VA可看作是單位體積內(nèi)的有效陽(yáng)離可看作是單位體積內(nèi)的有效陽(yáng)離子數(shù)量，其值可達(dá)子數(shù)量，其值可達(dá)1028m-3，而，而A值近似為零。值近似為零。若載流子在寬能帶內(nèi)傳導(dǎo)，若載流子在寬能帶內(nèi)傳導(dǎo)，A近似為近似為2，可求載流子濃度。，可求載流子濃度。1、p-n結(jié)勢(shì)壘的形成結(jié)勢(shì)壘的形成2、偏壓下的偏壓下的p-n結(jié)

29、勢(shì)壘和整流作用結(jié)勢(shì)壘和整流作用3、光生伏打效應(yīng)光生伏打效應(yīng) 定義定義TCTo電阻率電阻率超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料普通金屬材料普通金屬材料溫度，溫度，K處于零電阻的狀態(tài)叫超導(dǎo)態(tài)處于零電阻的狀態(tài)叫超導(dǎo)態(tài);有超導(dǎo)態(tài)存在的導(dǎo)體叫超導(dǎo)體有超導(dǎo)態(tài)存在的導(dǎo)體叫超導(dǎo)體.正常態(tài)正常態(tài):有電阻有電阻超導(dǎo)態(tài)：無(wú)電阻超導(dǎo)態(tài)：無(wú)電阻一、特征：一、特征：(1)(1)零電阻效應(yīng)零電阻效應(yīng): :在降低到某一溫度時(shí)，物質(zhì)的電阻率降為0. (2)(2)完全抗磁性完全抗磁性: :施加外磁場(chǎng)樣品內(nèi)不出現(xiàn)凈磁通量密度。BB正常態(tài)正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)0B內(nèi)內(nèi)CTT CTT 二、超導(dǎo)體的特征值二、超導(dǎo)體的特征值（1 1）臨界溫度）臨界溫度 T Tc

30、 c（2 2）臨界磁場(chǎng)）臨界磁場(chǎng) H Hc(c(T T) )（3 3）臨界電流密度）臨界電流密度 J Jc c（4 4）邁斯納）邁斯納(Meissner)(Meissner)效應(yīng)效應(yīng)（1 1）臨界溫度臨界溫度TcTc: :/T T/K/KT Tc=4.2Kc=4.2KHgHg超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)正常態(tài)電阻率與溫度的關(guān)系電阻率與溫度的關(guān)系10-60 0（2 2）臨界磁場(chǎng)臨界磁場(chǎng)H Hc(c(T T) )T TH H超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)H Hc c正常態(tài)正常態(tài)TcTc0 0磁場(chǎng)的存在可使磁場(chǎng)的存在可使T Tc c降降低低, ,H H 越大越大, , T Tc c越小越小)/1)(0()(22CCCTTHTH(3)(3)臨界電流密度臨界電流密度JcT(H)T(H)JcJcTc(Hc)Tc(Hc)超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)正常態(tài)0 0 J Jc(c(T T)臨界電流密度是溫度和臨界電流密度是溫度和磁場(chǎng)的函數(shù)磁場(chǎng)的函數(shù)當(dāng)超導(dǎo)電流超過(guò)某一臨界值時(shí)當(dāng)超導(dǎo)電流超過(guò)某一臨界值時(shí),也可使超導(dǎo)態(tài)恢復(fù)到正常態(tài)也可使超導(dǎo)態(tài)恢復(fù)到正常態(tài))/1 ()(220CCCTTJTJ)2sin(sin000hVteIII（4 4）邁