第一章電學(xué)性能-1

第一章電學(xué)性能

第一節(jié)材料的導(dǎo)電性一、電導(dǎo)的物理現(xiàn)象第一節(jié)材料的導(dǎo)電性對一截均勻?qū)щ婓w，存在如下關(guān)系：歐姆定律AreaLengthI二、電阻率（電導(dǎo)率）第一節(jié)材料的導(dǎo)電性導(dǎo)體：ρ<10-2

Ω.mAg：1.46X10-8絕緣體：ρ>1010

Ω.m金剛石：1014~1016Ω

半導(dǎo)體：1010>ρ>10-2

Ω.m第一節(jié)材料的導(dǎo)電性二、金屬導(dǎo)電理論經(jīng)典自由電子理論量子自由電子理論能帶理論(一)、經(jīng)典自由電子理論

金屬晶體中，離子實(shí)構(gòu)成點(diǎn)陣，并形成一個(gè)均勻的電場，價(jià)電子是自由電子，遵循經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，可以在金屬晶體中自由運(yùn)動(dòng)。

在外電場作用下，自由電子沿外電場方向加速運(yùn)動(dòng)并形成電流。N為自由電子數(shù)目，L是平均自由程，m是自由電子質(zhì)量，e是電荷，t是電子兩次碰撞時(shí)間。第一節(jié)材料的導(dǎo)電性產(chǎn)生電阻的原因：定向運(yùn)動(dòng)過程中不斷與正離子發(fā)生碰撞。局限性：2，3價(jià)金屬的價(jià)電子比一價(jià)金屬多，但導(dǎo)電性比1價(jià)的金屬差；不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象；測量的電子平均自由程比理論估計(jì)的大許多。（二）、量子自由電子理論第一節(jié)材料的導(dǎo)電性電子具有波粒二象性：E-K線為拋物線未加電場時(shí)：泡利不相容原理：正反向運(yùn)動(dòng)的自由電子從低能一直排到高能態(tài)。費(fèi)密能EF散射機(jī)制：電子散射電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射加電場無電場馬基申定則（Matthissen’sLaw）第一節(jié)材料的導(dǎo)電性

能帶理論認(rèn)為，金屬中的價(jià)電子是公有化的和能級是量子化的，所不同的是金屬中由離子點(diǎn)陣所造成的勢場不均勻，而呈周期變化。

根據(jù)原子結(jié)構(gòu)理論，每個(gè)電子都占有一個(gè)分立的能級。泡利（Pauli）不相容原理指出，每個(gè)能級只能容納2個(gè)電子。

(三)、能帶理論第一節(jié)材料的導(dǎo)電性晶體中電子所能具有的能量范圍，在物理學(xué)中往往形象化地用一條條水平橫線表示電子的各個(gè)能量值（能級）。能量愈大，線的位置愈高。當(dāng)N個(gè)原子相互靠近形成一個(gè)固體時(shí)，泡利不相容原理仍然成立，即在整個(gè)固體中，也只能有2個(gè)電子占據(jù)相同的能級。當(dāng)這兩個(gè)原子的距離足夠近時(shí)，它們的2s軌道的電子就會(huì)相互作用，以致不能再維持在相同的能級。當(dāng)固體中有N個(gè)原子，這N個(gè)原子的2s軌道的電子都會(huì)相互影響。這時(shí)就必須出現(xiàn)不同的分立能級來安排所有這些2s軌道的電子（這些電子共有2N個(gè)）。2s軌道的N個(gè)分立的能級組合在一起，成為2s的能帶。

圖5.1電子數(shù)量增加時(shí)能級擴(kuò)展成能帶第一節(jié)材料的導(dǎo)電性允帶能隙，禁帶由于電子能級間隙很小，所以能級的分布可以看成是準(zhǔn)連續(xù)的，稱為能帶。

滿帶空帶價(jià)帶六、無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理

金屬材料電導(dǎo)的載流子是自由電子。而無機(jī)非金屬材料的載流子可以是電子、電子空穴、離子、離子空位。電子式電導(dǎo)：載流子是電子或電子空穴離子式電導(dǎo)：載流子是離子或離子空位第二節(jié)半導(dǎo)體的電學(xué)性能一、本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能本征半導(dǎo)體就是指純凈的無結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶。

從能帶理論可以知道，半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)類似于絕緣體，存在禁帶。第二節(jié)半導(dǎo)體的電學(xué)性能本征載流子的濃度：ni

、pi

分別為自由電子和空穴的濃度；K1為常數(shù)，其數(shù)值為4.82×1015K-3/2;T為熱力學(xué)溫度；k為玻爾茲曼常數(shù)；Eg為禁帶寬度?？梢姡菊鬏d流子濃度與溫度、禁帶寬度有關(guān)。自由電子和空穴的定向漂移速度分別為：μn和μp分別為平均漂移速度（遷移率）本征半導(dǎo)體的電流密度：

電阻率第二節(jié)半導(dǎo)體的電學(xué)性能本征半導(dǎo)體的電學(xué)特性：1、本征激發(fā)成對產(chǎn)生自由電子和空穴，所以自由電子濃度和空穴濃度相等，都等于本征載流子的濃度ni。2、禁帶寬度Eg越大，載流子濃度ni越小。3、溫度升高時(shí)載流子濃度ni增大.4、載流子濃度ni與原子濃度相比是極小的，所以半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很微弱。第二節(jié)半導(dǎo)體的電學(xué)性能二、雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能通常制造半導(dǎo)體的材料是雜質(zhì)半導(dǎo)體。

n型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入5價(jià)元素的雜質(zhì)（如磷、砷、銻等）就可以使晶體中自由電子濃度大大地增加。

p型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入3價(jià)元素的雜質(zhì)（如硼、鋁、鎵、銦等）就可以使晶體中空穴濃度大大地增加。第二節(jié)半導(dǎo)體的電學(xué)性能（一）n型半導(dǎo)體摻入五價(jià)元素的雜質(zhì)-----自由電子濃度增大價(jià)電子能級施主能級EC-ED施主電離能自由電子---多數(shù)載流子（多子，1.5x1014）；空穴-----少數(shù)載流子（少子，1.5x106）；電子型半導(dǎo)體施主雜質(zhì)也稱為n型雜質(zhì)，n型半導(dǎo)體電流密度為：nn0為n型半導(dǎo)體的自由電子濃度n型半導(dǎo)體的電阻率為：其中，ND為n型半導(dǎo)體的摻雜濃度7000倍（二）p型半導(dǎo)體摻入三價(jià)的雜質(zhì)-------空穴濃度大大增加3受主能級受主電離能，EA-EV多數(shù)載流子------空穴少數(shù)載流子------電子電流密度電阻率

Pp0為p型半導(dǎo)體的空穴濃度，NA為受主雜質(zhì)濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體（n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體）的電學(xué)特性：1、摻雜濃度和原子濃度相比雖很微小，但是卻使載流子濃度極大地增加，因而導(dǎo)電能力也明顯地增強(qiáng)。摻雜濃度越大，其導(dǎo)電能力也越強(qiáng)。2、摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多子導(dǎo)電。當(dāng)摻入五價(jià)元素（施主雜質(zhì)）時(shí)，主要靠自由電子導(dǎo)電；當(dāng)摻入三價(jià)元素（受主雜質(zhì)）時(shí)，主要靠空穴導(dǎo)電。第二節(jié)半導(dǎo)體的電學(xué)性能第三節(jié)絕緣體的電學(xué)性能第三節(jié)絕緣體的電學(xué)性能電介質(zhì)：在電場作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。通常是指電阻率大于1010·cm的一類在電場中以感應(yīng)而并非傳導(dǎo)的方式呈現(xiàn)其電學(xué)性能的物質(zhì)。陶瓷電介質(zhì)的主要應(yīng)用：電子電路中的電容元件、電絕緣體、諧振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有壓電效應(yīng)、鐵電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)等特殊功能的電介質(zhì)材料在電聲、電光等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

將電介質(zhì)放入電場，表面出現(xiàn)電荷。這種在外電場作用下電介質(zhì)表面出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象叫做電介質(zhì)的極化。所產(chǎn)生的電荷稱之為“極化電荷”。在電介質(zhì)上出現(xiàn)的極化電荷是正負(fù)電荷在分子范圍內(nèi)微小移動(dòng)的結(jié)果，所以極化電荷也叫“束縛電荷”。極化現(xiàn)象評價(jià)指標(biāo)：介電常數(shù)、介電損耗因子、介電強(qiáng)度以及體電阻率和表面電阻率。一、電介質(zhì)的介電常數(shù)二、電介質(zhì)的介電強(qiáng)度介質(zhì)的擊穿：外加電場強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)的現(xiàn)象。介電強(qiáng)度：相應(yīng)的臨界電場強(qiáng)度一些材料的介電性能材料相對介電常數(shù)耐電強(qiáng)度材料相對介電常數(shù)耐電強(qiáng)度空氣1.000540.08瓷器6.50.4水78-電木4.81.2紅寶石云母5.416聚乙烯2.35在強(qiáng)電場作用下，固體導(dǎo)帶中可能因冷或熱發(fā)射存在一些電子，這些電子被加速，獲得動(dòng)能；高速電子與晶格振動(dòng)相互作用，把能量傳遞給晶格；上述兩個(gè)過程在一定溫度和場強(qiáng)下平衡時(shí)，固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)；當(dāng)電子從電場中獲得能量大于傳遞給晶格振動(dòng)能量時(shí)，電子動(dòng)能越來越大；大到一定值，電子與晶格振動(dòng)的相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，使電子數(shù)目迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生擊穿。第三節(jié)絕緣體的電學(xué)性能電擊穿三、電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的分類中性電介質(zhì)：它由結(jié)構(gòu)對稱的中性分子組成，如：CH4偶極電介質(zhì)：它由結(jié)構(gòu)對稱的偶極分子組成，如：H2O離子型電介質(zhì)：它是由正負(fù)離子組成。第三節(jié)絕緣體的電學(xué)性能極化機(jī)制極化機(jī)制：位移極化和轉(zhuǎn)向極化。第一種：（非極性材料）位移極化----正負(fù)電荷在電場作用下發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，包括電子極化和離子極化及空間電荷極化。第二種：（極性材料）轉(zhuǎn)向極化----該極化是由偶極子在外電場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向形成的，主要指偶極子極化。非彈性的，需要消耗一定的能量。第三節(jié)絕緣體的電學(xué)性能極性材料與非極性材料的極化電極化：在外電場作用下，介質(zhì)內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)（原子、分子、離子）正負(fù)電荷重心的分離，使其轉(zhuǎn)變成偶極子的過程?；蛟谕怆妶鲎饔孟拢?、負(fù)電荷盡管可以逆向移動(dòng)，但它們并不能掙脫彼此的束縛而形成電流，只能產(chǎn)生微觀尺度的相對位移并使其轉(zhuǎn)變成偶極子的過程。偶極子：構(gòu)成質(zhì)點(diǎn)的正負(fù)電荷沿電場方向在有限范圍內(nèi)短程移動(dòng)，形成一個(gè)偶極子。第三節(jié)絕緣體的電學(xué)性能（1）電子位移極化第三節(jié)絕緣體的電學(xué)性能電子位移極化：在外電場作用下，原子外圍的電子云相對于原子核發(fā)生相對位移形成的極化。彈性的、瞬間完成的（10-14~10-16s）、不消耗能量的極化。（2）離子位移極化在離子晶體中，除了離子中的電子產(chǎn)生位移極化外，正、負(fù)離子在電場作用下也要發(fā)生位移而極化。離子彈性位移極化：離子在電場的作用下，偏移平衡位置引起的極化。離子位移有限，沒有離開晶格。去掉外電場，恢復(fù)到原來的平衡位置。離子晶體中，10-12~10-13s，離子鍵束縛較強(qiáng)熱離子極化（離子松弛式位移極化）在離子晶體或無定型體中，存在著束縛力較弱的離子，無電場時(shí)，可無規(guī)則跳躍遷移，熱運(yùn)動(dòng)使之分布混亂。施加電場時(shí)，正負(fù)離子沿電場正向或逆向躍遷幾率增大，發(fā)生極化。特點(diǎn)：10-2~10-5s，移動(dòng)時(shí)需克服一定的勢壘，需吸收一定的能量，是一種非可逆過程。第三節(jié)絕緣體的電學(xué)性能(3)空間電荷極化空間電荷極化：在不均勻介質(zhì)中，如介質(zhì)中存在晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)、氣泡等缺陷區(qū)，都可成為自由電子運(yùn)動(dòng)的障礙；在障礙處，自由電子積聚，形成空間電荷。第三節(jié)絕緣體的電學(xué)性能10-2s，消耗一定能量各種極化形式的比較極化形式極化的電介質(zhì)種類極化的頻率范圍與溫度的關(guān)系能量消耗電子位移極化一切陶瓷直流——光頻無關(guān)無離子位移極化離子結(jié)構(gòu)直流——紅外溫度升高極化增強(qiáng)很弱離子松弛極化離子不緊密的材料直流——超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機(jī)直流——超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的材料直流——高頻隨溫度升高而減小有第三節(jié)絕緣體的電學(xué)性能四、電介質(zhì)的介電損耗電介質(zhì)在電場作用下，在單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱為電介質(zhì)的損耗功率，簡稱介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗是應(yīng)用于交流電場中電介質(zhì)的重要品質(zhì)指標(biāo)之一。對實(shí)際的電介質(zhì)存在著漏導(dǎo)電流，漏導(dǎo)電流經(jīng)介質(zhì)時(shí)使介質(zhì)發(fā)熱而消耗了電能，所以也叫“漏導(dǎo)損耗”。同時(shí)，電介質(zhì)在極化時(shí)也會(huì)引起能量的損耗，也叫“極化損耗”。第三節(jié)絕緣體的電學(xué)性能第三節(jié)絕緣體的電學(xué)性能UCRIRIcIIIR0IcUφδ交流電路UCRIRII0UCURδICδU五、電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)不是理想的絕緣體，仍存在一定量的載流子：電子和空穴，正負(fù)離子和離子空位。前者形成的電導(dǎo)是電子電導(dǎo)，后者形成的電導(dǎo)為離子電導(dǎo)。第一節(jié)材料的導(dǎo)電性第四節(jié)

材料的超導(dǎo)電性在某一臨界溫度（TC）下，材料電阻突然失去（降為零）的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。不同超導(dǎo)體的臨界溫度各不相同。例如，汞的臨界溫度為4.15K（K為絕對溫度，0K相當(dāng)于零下273℃），而高溫超導(dǎo)體氧化釔鋇銅的臨界溫度為94K。1911年翁納斯第四節(jié)

材料的超導(dǎo)電性第四節(jié)

材料的超導(dǎo)電性超導(dǎo)體三個(gè)基本特性：完全導(dǎo)電性、完全抗磁性、通量量子化。一、完全導(dǎo)電性（零電阻效應(yīng)）NSNSNb0.75Zr0.2510萬年當(dāng)超導(dǎo)體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，只要周圍的外加磁場沒有強(qiáng)到破壞超導(dǎo)性的程度，超導(dǎo)體就會(huì)把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在超導(dǎo)體內(nèi)永遠(yuǎn)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。超導(dǎo)體的這種特殊性質(zhì)被稱為“邁斯納效應(yīng)”。

邁斯納效應(yīng)與零電阻效應(yīng)是超導(dǎo)體的兩個(gè)基本特性，它們既互相獨(dú)立，又密切聯(lián)系。

二、完全抗磁性第四節(jié)

材料的超導(dǎo)電性臨界轉(zhuǎn)變溫度（TC）——超導(dǎo)體必須冷卻至某一臨界溫度以下才能保持其超導(dǎo)性。(Hg:4.15K；金屬化合物：23.2K；金屬氧化物：140K)臨界磁場強(qiáng)度（HC）——施加給超導(dǎo)體的磁場必須小于某一臨界磁場才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。臨界電流密度（JC）——通過超導(dǎo)體的電流密度必須小于某一臨界電流密度才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。若輸入電流產(chǎn)生的磁場和外加磁場之和超過超導(dǎo)體的臨界磁場，則超導(dǎo)被破壞，此時(shí)通過的電流密度為臨界電流密度（JC）。三、超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)第四節(jié)

材料的超導(dǎo)電性臨界轉(zhuǎn)變溫度，臨界磁場強(qiáng)度、臨界電流密度三個(gè)參數(shù)彼此關(guān)聯(lián)，其相互關(guān)系如圖所示。第I類超導(dǎo)體第I類超導(dǎo)體主要為除釩、锝和鈮之外、一些在常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬，如鋁、鋅、鎵、錫、銦等。該類超導(dǎo)體溶點(diǎn)較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作“軟超導(dǎo)體”。第四節(jié)

材料的超導(dǎo)電性其特征是由正常態(tài)過渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)沒有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。第I類超導(dǎo)體由于其臨界電流密度和臨界磁場較低，因而沒有很好的實(shí)用價(jià)值。第II類超導(dǎo)體第II類超導(dǎo)體主要包括釩、锝和鈮純金屬及其合金。第II類超導(dǎo)體和第I類超導(dǎo)體的區(qū)別主要在于：第II類超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)有一個(gè)中間態(tài)（混合態(tài)）第四節(jié)

材料的超導(dǎo)電性超導(dǎo)體磁化曲線2）第II類超導(dǎo)體的混合態(tài)中有磁通線存在；3）第II類超導(dǎo)體比第I類超導(dǎo)體有更大實(shí)用價(jià)值。

第四節(jié)

材料的超導(dǎo)電性B≠0，電阻為零四、超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)通過晶格振動(dòng)的能量量子（聲子），產(chǎn)生吸引作用，形成電子對（庫柏電子對）；BCS理論，1957年巴丁,庫柏,施瑞弗建立起來的

第四節(jié)

材料的超導(dǎo)電性臨界轉(zhuǎn)變溫度TC第五節(jié)影響金屬導(dǎo)電性的因素一、溫度的影響溫度是強(qiáng)烈影響材料許多物理性能的外部因素，金屬電阻率隨溫度升高而增大。第五節(jié)影響金屬導(dǎo)電性的因素影響材料導(dǎo)電性能的因素主要有溫度、化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)和缺陷濃度等。德拜理論：原子熱振動(dòng)的在兩個(gè)溫度區(qū)域存在本質(zhì)的差別，這兩個(gè)區(qū)域的溫度稱為德拜溫度或特征溫度。ρ殘溫度對鐵磁性金屬比電阻和電阻溫度系數(shù)的影響二、應(yīng)力的影響彈性應(yīng)力范圍內(nèi)的單向拉應(yīng)力，使原子間的距離增大，點(diǎn)陣的畸變增大，導(dǎo)致金屬的電阻增大。

壓應(yīng)力對電阻的影響恰好與拉應(yīng)力相反，由于壓應(yīng)力使原子間的距離減小，內(nèi)部缺陷形態(tài)，電子結(jié)構(gòu)等也將發(fā)生變化，大多數(shù)金屬在三向壓力（高達(dá)1.2Gpa）的作用下，電阻率下降。第五節(jié)影響金屬導(dǎo)電性的因素堿金屬、堿土金屬、稀土金屬等三、冷加工變形的影響第五節(jié)影響金屬導(dǎo)電性的因素退火再結(jié)晶四、合金元素及相結(jié)構(gòu)的影響1、固溶體的電阻第五節(jié)影響金屬導(dǎo)電性的因素合金的組元之間以不同的比例混合，形成的固相晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元的晶體結(jié)構(gòu)相同，這種相稱為固溶體。置換固溶體間隙固溶體形成固溶體時(shí)，導(dǎo)電性下降，最大電阻率通常在50%濃度處原因：晶體點(diǎn)陣畸變，破壞了晶格勢場周期性，增加了電子的散射幾率固溶體組元化學(xué)相互作用，使有效電子數(shù)減少2、有序固溶體的電阻第五節(jié)影響金屬導(dǎo)電性的因素固溶體有序化之后，合金組元化學(xué)作用加強(qiáng)，電子結(jié)合比無序固溶體增強(qiáng)，有效電子數(shù)減小，殘余電阻增大晶體的離子場在有序化后更對稱，從而減少電子的散射，電阻降低通常，有序合金電阻總體降低Cu3Au合金有序化對電