材料的電學性能

1、第四部分、材料的電學性能,授課：付鵬 QQ:54085222 E-mail: ,材料的電學性能用處很多，我們一定要學會材料的導電、介電、半導體導電的機理、影響因素以及它們的測量方法并運用到實際生產(chǎn)中，讓我們的生活更加豐富多彩。,本章講授的內(nèi)容,1. 導電性能 2. 熱電性能 3. 半導體導電性的敏感效應 4. 介質(zhì)極化與介電常數(shù) 5. 電介質(zhì)的介質(zhì)損耗 6. 絕緣材料,第一節(jié) 導電性能,本節(jié)教學內(nèi)容,電阻與導電的基本概念 導電機理 超導電性 影響材料導電性的因素 導電性的測量及應用,1.1 電阻與導電的基本概念,1.1.1 電阻率,1.1.2 電導率,顯然，電阻率和電導率都不再與材料的尺寸有關

2、，而只決定于它 們的性質(zhì)，因此是物質(zhì)的本征參數(shù)，可用來作為表征材料導電性 的尺度。,1.1.3 根據(jù)材料導電性能好壞，可分為：,導體,半導體,絕緣體,: 10-2m,: 10-2m 1010m,: 1010m,不同材料的導電能力相差很大，由于它們的結構與導電本質(zhì)所決定的。,一、導電材料,防靜電臺墊(地墊),導電泡棉,銅母線,導電膠,導電材料在電腦中的應用,白川英樹,黑格,麥克迪爾米德,導電高分子材料,二、絕緣材料,導熱絕緣材料,陶瓷系列插座,電工絕緣膠帶,三、半導體材料,CPU (Central Processing Unit),1.2 導電機理 ,1.2.1 金屬及半導體的導電機理,1.2.

3、1.1 經(jīng)典電子理論,1900年特魯?shù)拢≒.Drude）首先提出用金屬中自由電子的運動來解釋金屬導電性問題，以后洛倫茲進一步發(fā)展了特魯?shù)碌母拍睿⒘私饘俚慕?jīng)典電子理論。,洛侖茲,1. 金屬導電的經(jīng)典電子理論的基本框架,金屬中的正離子按一定的方式排列為晶格；,從原子中分離出來的外層電子稱為自由電子；,在電場作用下，大量自由電子的定向漂移形成電流。,自由電子的性質(zhì)與理想氣體中的分子相似，形成自由電子氣；,在自由電子定向運動過程中，不斷與正離子碰撞，形成電阻。,2. 金屬中的離子與自由電子示意圖,3. 金屬中的自由電子在電場中的運動,大量自由電子的統(tǒng)計平均，就是以平均定向漂移速度 逆著電場線漂移。

4、,當金屬中有電場時，每個自由電子都因受到電場力的作用而加速，即在無規(guī)則的熱運動上疊加一個定向運動。,自由電子在運動過程中頻繁地與晶格碰撞，碰后電子向各個方向運動的幾率相等。因此可認為每個電子在相鄰兩次碰撞間做初速為零勻加速直線運動。,4.從金屬的電子理論導出歐姆定律的微分形式,設導體內(nèi)的恒定場強為 ，則電子的加速度為,電子兩次碰撞的時間間隔為t ，上次碰撞后的初速度為 ，則,統(tǒng)計平均后，初速度的平均值為零，則:,平均時間間隔等于平均自由程除以平均速率:,則平均漂移速度,電流密度為,其中，電導率為：,從金屬的經(jīng)典電子理論導出了歐姆定律的微分形式， 而且得到了電導率的表達式。,從電導率表達式知：電

5、導率與自由電子的密度成正 比，與電子的平均自由程成正比；還定性地說明了溫 度升高，電導率下降的原因。,5. 金屬的經(jīng)典電子理論的缺陷,按照氣體動力學，電阻率應與熱力學溫度的平方根成正比， 但實驗結果電阻率與熱力學溫度成正比。,金屬的經(jīng)典電子理論的主要缺陷是把適用于宏觀物體的牛頓 定律應用到微觀的電子運動中，并且承認能量的連續(xù)性。,根據(jù)此理論，自由電子數(shù)量越多導電性應當越好，事實卻 是二、三價金屬的價電子雖比一價金屬的多，但導電性反而 比一價金屬的差。,這一理論不能解釋超導現(xiàn)象的產(chǎn)生。,1.2.1.2 量子自由電子理論,物理學家普朗克發(fā)現(xiàn)，能量的傳遞不是連續(xù)的，而是以一個一個的能量單位傳遞的。這

6、種最小能量單位被稱作能量子（簡稱量子）。,在現(xiàn)代量子理論中，人們發(fā)現(xiàn)各粒子的波粒二象性，任何物體都有波動性和粒子性。而且任何物體的位置和速度都不可能同時被準確的測量，只能用概率來描述。在現(xiàn)代量子論中，用波粒二象性和概率波處理微觀問題就是量子化。,“量子理論”之父 1918年獲諾貝爾獎。,運動著的電子作為物質(zhì)波，其頻率和波長與電子的運動速度或動量之間有如下關系：,一價金屬中自由電子的動能：E=mv2/2,為常數(shù),稱為波數(shù)頻率。,表征金屬中自由 電子可能具有的 能量狀態(tài)的參數(shù),從粒子的觀點看，曲線表示自由電子的能量與速度（能量）之間的關系。 從波動的觀點看，曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關系。,價

7、電子具有不同 的能量狀態(tài)。,根據(jù)泡利不相容原理，每一個能態(tài)只能存在沿正反方向運動的一對電子，自由電子從低能態(tài)一直排到高能態(tài)，0K時電子所具有的最高能態(tài)成為費米能EF。 同種金屬費米能是一個定值，不同的金屬費米能不同。,1. 費米能,1. 沒加電場時E-K關系曲線,曲線對稱分布：沿正、反方向運動的電子數(shù)量相同，沒有電流產(chǎn)生。,2.電場對E-K關系曲線的影響,外電場使向著其正向運動的電子能量降低，反向運動的電子能量升高。由于能量變化，使部分能量較高的電子轉向電場正向運動的能級，從而使正反向運動的電子數(shù)不等，使金屬導電。 不是所有的電子都參與導電，而是只有處于較高能級的電子參與導電。,3.量子自由電

8、子理論電阻的產(chǎn)生,實際金屬內(nèi)部還存在著缺陷和雜質(zhì)，產(chǎn)生的靜態(tài)點陣畸變和熱振動引起的動態(tài)點陣畸變，對電磁波造成散射而形成電阻。,而對于一個純的理想的完整晶體，0K時，電磁波的傳播不受阻礙，形成無阻傳播，電阻為零，導致所謂的超導現(xiàn)象。,離子在晶格點附近不斷的熱振動，偏離了晶格格點，這種偏離引起晶格對電子的散射，稱為晶格散射。,4. 量子自由電子理論導出的電導率,根據(jù)能量按自由度均分原理，晶格振動時的平均勢能與絕對溫度成正比，即有：,容易想象溫度越高，振幅愈大，x2越大，振動愈激烈，因而對周期場擾動愈甚，電子愈容易被散射，故有：散射幾率p與x2成正比，可得出：Rpx2T。即電阻R與絕對溫度T成正比。

9、這樣就解決了經(jīng)典電子理論長期得不到定量解釋的困難。,5. 量子自由電子理論的局限性,此理論雖然較好地解釋了金屬導電的本質(zhì)，但它假定金屬中的離子所產(chǎn)生的勢場是均勻的，與實際情況有一定的差距。,1.2.1.3 能帶理論 ,單個原子的能級是分立的，當固體中N個原子緊密排列時，外層電子就不再僅受原來所屬原子的作用，還要受到其他原子的作用,這使原來同一大小的能級彼此數(shù)值上就有小的差異。,原子結合成晶體時，原子最外層的價電子受束縛最弱，它同時受到原來所屬原子和其他原子的共同作用，已很難區(qū)分究竟屬于哪個原子，實際上是被晶體中所有原子所共有，稱為共有化。原子間距減小時，孤立原子的每個能級將演化成由密集能級組成

10、的準連續(xù)能帶。,金屬晶格中原子很密集，能組成許多分子軌道，而且相鄰的分子軌道間的能量差別很小。,分子軌道所形成的能帶，也可以看成是緊密堆積的金屬原子的電子能級發(fā)生的重疊，這種能帶是屬于整個金屬晶體的。每個能帶可包括許多相近的能級，因而每個能帶會包括相當大的能量范圍。,同自由電子理論一樣，也認為金屬中的價電子是公有 化和能量是量子化的，所不同的是，它認為金屬中由 離子所造成的勢場不是均勻的，而是呈周期性變化 的，能帶理論就是研究金屬中的價電子在周期勢場作 用下的能量分布問題的。,電子在周期勢場中運動，隨著位置的變化，它的能量 也呈周期變化，即接近正離子時勢能降低，離開時勢 能增高。這樣價電子在金

11、屬中的運動就不能看成是完 全自由的。,1. 能帶理論討論的前提,由于周期場的影響，使得價電子在金屬中以不同能量狀態(tài)分布的能帶發(fā)生分裂，也就是說，有些能態(tài)是電子不能取值的，能帶發(fā)生分裂，造成能隙，即禁帶。,2.能帶結構和導電機理,由右圖可以看到： 當-K1K K1時，曲線按拋物 線規(guī)律連續(xù)變化； 當K=K1時，只要波數(shù)稍微增 大，能量便從A跳到B，存在 能隙；同樣，當K= K2時也 存在能隙。,周期場中電子運動的 E-K曲線及能帶,由于周期場的影響，從而形成 電子能夠占據(jù)的能量區(qū)域稱為 允帶；不允許電子占據(jù)的能量 區(qū)域稱為禁帶。允帶與禁帶相 互交替形成了材料的能帶結構。,禁帶寬窄取決于周期勢場的

12、變化幅度，變化越大，則禁帶越寬,3. 能帶理論的術語,滿帶（filled band）：允帶中所有的能量狀態(tài)（能級）均被電子占據(jù)。,允帶(allowed band):允許電子能量存在的能量范圍。,禁帶（filled band）：禁止電子能量存在的能量范圍，即滿帶頂和導帶底之間的能量間隔叫做禁帶。,導帶（filled band）：由未充滿電子的能級所形成的高能量能帶，即具有空能級的允帶。,導帶中的電子是自由的，在外電場作用下參與導電。,4. 導體、半導體與絕緣體的區(qū)別,允帶重疊,允帶間無禁帶,允帶內(nèi)的能級未被填滿。,禁帶寬,禁帶窄,空帶,禁帶,滿帶,導體、半導體與絕緣體的區(qū)別,（1）導體,讓我們考

13、慮一種具有圖10-5所示能帶結構的金屬，這種能帶結構可能相當于鈉(Z=11)的能級。,與1s 、2s 和 2p 原子能級對應的能帶是完全填滿了，但 3s 能帶(每個原子能容納最多兩個電子)僅有一半被填充。在外界電場的作用下，價帶內(nèi)的最上面的電子在不違反不相容原理的情況下獲得一些額外的少許能量而到能帶內(nèi)附近許多空的狀態(tài)去，和無序的熱激發(fā)明顯不同的是受電場激發(fā)的電子在與電場相反的方向上獲得動量，結果在晶體內(nèi)產(chǎn)生一種集體運動，從而構成電流。,實際上由于最高能帶可能發(fā)生重疊，所以情況稍復雜一些，事實上對大多數(shù)金屬或?qū)w而言 最上層的能帶相重疊是很普通的情形。有一些物質(zhì)，它們的原子具有滿充殼層，但在固溶

14、時由于最上面的滿帶和一個空帶重疊的話，它們成為導體；人們常稱這些物質(zhì)為半金屬，如：HgTe、HgSe、Mg2Pb。,因此，我們得出結論：良導體(也稱金屬)是那些最高能帶未被完全填滿或者允帶間沒有禁帶的固體。,現(xiàn)在考慮這樣一種物質(zhì)，該物質(zhì)中的最高能帶即價帶是滿的，而且不與下一個全空的能帶重疊( 見圖10-6）。,由于價帶的所有狀態(tài)都被占有，電子的能量被“凍結”，即電子不可能改變它們在能帶中的狀態(tài)而違背不相容原理。激發(fā)一個電子的唯一可能性是把它轉移到空的導帶中；但這可能需要幾個電子伏特的能量，因此，外加的電場很難使價帶中的電子加速，因而不能產(chǎn)生凈電流。所以這種物質(zhì)稱為絕緣體。,（2）絕緣體,以上同

15、樣的能帶圖也適用于硅和鍺，但是在原子的平衡間距下價帶與導帶之間的能隙要小得多( 在硅中為 1.12 eV，在鍺中為 0.67 eV )，于是要將價帶中最上面的電子激發(fā)到導帶內(nèi)時就容易得多了。圖10-7 中示出這種情況。,圖10-7 半導體內(nèi)的能帶,（3）半導體,當溫度升高時，有更多的電子能夠跳到下一個能帶去。這有兩個結果：在上面的導帶中少數(shù)電子所起的作用和它們在金屬中所起的作用相同；而價帶中留下的空態(tài)即空穴起著類似的作用，不過它們好象是正的電子，因此，它們有來自導帶中的激發(fā)電子和來自價帶中的空穴的導電性；溫度升高時，由于有更多的電子被激發(fā)到導帶， 所以電導率隨溫度而迅速增加。,例如，在硅中，當

16、溫度從250 K 增加到450 K 時，激發(fā)電子的數(shù)目增加106 倍。因此，半導體是這樣一些絕緣體，它們的價帶和導帶之間的能隙約為 1 eV 或更小，因而比較容易用加熱方法把電子從價帶中激發(fā)到導帶中。這種完全純凈和結構完整的半導體稱為本征半導體。,一、本征半導體,1、本征半導體的結構特點,通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。,（1）硅、鍺原子的結構,本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。,在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子 都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點， 每個原子與其相鄰的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。,（1）硅、鍺原子的結構,共

17、價鍵共 用電子對,（2）硅、鍺原子的共價鍵結構,共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。,形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。,共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,（2）硅、鍺原子的共價鍵結構,在絕對0度（T=0K）和沒 有外界激發(fā)時,價電子完全 被共價鍵束縛著，本征半 導體中沒有可以運動的帶 電粒子（即載流子），它 的導電能力為 0，相當于 絕緣體。,在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫 離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價

18、鍵上留下一個空 位，稱為空穴。,（1）載流子、自由電子和空穴,2、本征半導體的導電機理,自由電子,空穴,束縛電子,可以認為空穴是一種帶正電荷的粒子?？昭ㄟ\動的實質(zhì)是共有電子依次填補空位的運動。,（1）載流子、自由電子和空穴,電子和空穴在外電場的作用下都將作定向運動，這種作定向運動電子和空穴（載流子）參與導電，形成本征半導體中的電流。,本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。,（2）導電情況,（3）本征半導體的能帶結構,在外電場作用下，價帶中的電子可以逆電場方向運動到這些空位上來，而本身留下新的空位。 空位順電場方向運動，所以稱此種導電為空穴導電。 空穴好像一個帶正電的電荷，因此

19、空穴導電也是屬于電子電導的一種形式。,圖10-8 本征半導體的能帶結構,電子和空穴總是成對出現(xiàn)的-本征激發(fā)。 電子和空穴也可以復合而消失。 本征半導體在外電場的作用下，形成兩種電流-空穴電流和電子電流，外電路的總電流等于兩種電流的代數(shù)和。 電子-空穴對的數(shù)目對溫度、光照十分敏感。 本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。,（4）結論,溫度越高，載流子的濃度越高本征半導體的導電能力越強。溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。,二、雜質(zhì)半導體,實際上，晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，半導體的許多特性 是由所含的雜質(zhì)和缺陷決定的。在本征半導體中摻入某些 微量的雜質(zhì)，就會使半導體的

20、導電性能發(fā)生顯著變化。其 原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。,P 型半導體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（空穴半導體）。,N 型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（電子半導體）。,在硅單晶中摻入十萬分之一的硼原子，可使硅的導電能力增加一千倍。,1、N 型半導體,磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半 導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子 幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣 磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子 給出一個電子，稱為施主原子。,多余 電子,磷原子,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體

21、原子被雜質(zhì)取代.,（1）由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。,（2）本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。,因為摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。,N 型半導體中的載流子包括：,如果我們把若干施主原子磷或砷原子加進硅或鍺中，則每有一個雜質(zhì)原子，就有一個額外電子。這些額外的電子(它們不能被容納在原來結晶體的價帶中)占有恰在導帶下方的某些分立的能級（施主能級），離導帶只差0.05ev,大約為硅的禁帶寬度的5%，因此它比滿帶中的電子容易激發(fā)的多 ( 圖10-9a)。,N型半導體的能帶結構,（1）在本征

22、半導體中摻入三價元素的原子（受主雜質(zhì)）而形成的半導體。,（2）每一個三價元素的原子提供一個空穴作為載流子。,空穴,硼原子,（3）P 型半導體中空穴是多子，電子是少子。,2、P 型半導體,如果我們把若干受主雜質(zhì)原子硼或鋁加進硅或鍺中，這兩種原子都只貢獻3個電子。在這種情況下，雜質(zhì)引進空的分立能級（空穴能級或受主能級）。這些能級的位置很靠近價帶頂，只差0.045ev，價帶中的電子激發(fā)到空穴能級上比越過整個禁帶（1.1ev）到導帶容易得多( 圖10-9b)。,P型半導體的能帶結構,因此，容易把價帶中一些具有較高能量的電子激發(fā)到雜質(zhì)能級上。這個過程在價帶中產(chǎn)生空態(tài)即空穴。如前面所述，這些電子起著正電子

23、的作用。這種雜質(zhì)原子叫做受主，這種半導體叫做 p 型半導體。,為了使半導體的電導率產(chǎn)生大的變化，對于每一百萬個半導體原子，大約有一個雜質(zhì)原子就足夠了。半導體在工業(yè)上廣泛地用于制作整流器、調(diào)制器、探測器、光電管、晶體管和大規(guī)模集成電路等等。,（1）雜質(zhì)半導體就整體來說還是呈電中性的。 （2）雜質(zhì)半導體中的少數(shù)載流子雖然濃度不高， 但 對溫度、光照十分敏感。,3.雜質(zhì)半導體說明,溫度升高時，本征半導體和雜質(zhì)半導體的電導率與溫度的關系：,（3）雜質(zhì)半導體中的少數(shù)載流子濃度比相同溫度下 的本征半導體中載流子濃度小得多。,1、漂移電流 載流子在電場作用下有規(guī)則的運動-漂移運動 形成的電流-漂移電流 2、

24、 擴散電流 載流子由于濃度的不均勻而從濃度大的地方向濃度小的地方擴散所形成的電流。,四、漂移電流與擴散電流,PTC 熱敏陶瓷簡介,我院“863”項目：“高性能PTC熱敏陶瓷的制備”研究的就是通過摻雜引入施主離子使得陶瓷具有半導體效應。,PTC熱敏陶瓷的主要特性是其在居里溫度附近，阻值發(fā)生幾個數(shù)量級（103-108）的突發(fā)性變化且熱敏陶瓷的介電常數(shù)在居里溫度附近發(fā)生相應的突變，即迅速增大，在居里點以上又迅速減小，恢復常態(tài)值。,只有晶粒充分半導化，晶界具有適當?shù)慕^緣性的BaTiO3陶瓷才具有顯著的PTC效應。,BaTiO3的半導化通過添加微量的稀土元素，在其禁帶間形成雜質(zhì)能級，實現(xiàn)半導化：,1.2

25、.2 無機非金屬導電機理,材料的導電性是由于物質(zhì)內(nèi)部存在的帶電粒子的移動引起的。這些帶電粒子可以是正、負離子，也可以是電子或空穴，統(tǒng)稱為載流子。載流子在外加電場作用下沿電場方向運動，就形成電流?？梢姡牧蠈щ娦缘暮脡?，與物質(zhì)所含的載流子數(shù)目及其運動速度有關。,載流子是電子或電子空位的電導稱為電子式電導。 載流子是離子或離子空位的稱為離子式電導。,點陣節(jié)點位置上若缺少離子，就形成“空位”，離子空位容易接納臨近來的離子，而空位本身就移到鄰近位置上，在電場作用下，空位做定向運動引起電流。,實際上空位移動是離子“接力式”的運動，而不是某一離子連續(xù)不斷的運動，電子空穴的導電情況也是類似。,1.2.2.1

26、 離子晶體的導電機理,離子電導的微觀機構為載流子離子的擴散。,圖10-10 間隙離子的勢壘,間隙離子處于間隙位置時，受周圍離子的作用，處于一定的平衡位置（稱此為半穩(wěn)定位置）。如果他要從一個間隙位置躍入相鄰原子的間隙位置，需克服一個高度U0的勢壘。完成一次躍遷，又處于新的平衡位置（間隙位置）上。這種擴散過程就構成了宏觀的離子“遷移”。,1. 晶體的離子電導可分為兩大類：,（1） 源于晶體點陣中基本離子的運動，稱為離子 固有電導或本征電導。 這種離子自身隨著熱振動的加劇而離開晶格振點，形成熱缺陷。,熱缺陷,弗侖克爾缺陷,肖特基缺陷,能量大的離子離開平衡位置擠到晶格點的間隙中形成間隙原子，原來位置形

27、成空位。,正常格點上的原子或的能量離開平衡位置遷移到晶體表面，在晶體內(nèi)正常格點上留下空位。,熱缺陷的濃度隨溫度的升高而增大，因此本征電導率與溫度的關系為：,Es與可遷移的離子從一個空位跳到另一個空位的難易程度有關，通常稱為離子激活能； As取決于可遷移的離子數(shù)，即離子從一個空位到另一個空位的距離以及有效的空位數(shù)目。,一般情況下本征離子電導率可以簡化為：,本征電導率與溫度的關系：,（2）雜質(zhì)電導,此類電導是結合力較弱的離子運動造成的，這些離子主要是雜質(zhì)離子，故稱為雜質(zhì)電導。,置換雜質(zhì)原子,間隙雜質(zhì)原子,因雜質(zhì)離子的存在，不僅增加電流載體數(shù)量，而且使點陣發(fā)生畸變，雜質(zhì)離子離解活化能變小。,低溫下，

28、離子晶體的電導主要由雜質(zhì)載流子濃度決定。,由雜質(zhì)引起的電導率可用下式表示：,2. 如果只有一種載流子，電導率可用單項式表示：,寫成對數(shù)形式為：,以ln和1/T為坐標，可繪得一直線，從直線斜率B可求出活化能：,對于堿鹵晶體，電導率大多滿足二項公式：,式中第一項由本征缺陷決定，第二項由雜質(zhì)決定。,如果物質(zhì)存在多種載流子，其總電導率可表示為：,例 題,PN結,1.2.2.2 玻璃的導電機理,在含有堿金屬離子的玻璃中，基本上表現(xiàn)為離子電導。,玻璃體的結構比晶體疏松，成網(wǎng)絡結構，堿金屬離子在二氧化硅網(wǎng)絡中從一個間隙跳到另一個間隙，堿金屬離子能夠穿過大于其原子大小的距離而遷移，造成電流流動，與離子晶體中的

29、間隙離子導電類似。,玻璃的組成對玻璃的電阻影響很大，影響方式也很復雜。,硼鉀鋰玻璃電導率與鋰、鉀含量的關系,雙堿效應：當玻璃中堿金屬離子總濃度較大時，堿金屬離子總濃度相同的情況下，含兩種堿金屬離子的玻璃電導率要小。當兩種堿金屬濃度比例適當時，電導率可以降到很低。,1.雙堿效應,以K2O、Li2O為例說明雙堿效應的原因： R K+R Li+，在外電場的作用下，堿金屬離子移動時，Li+離子留下的空位比K+留下的空位小， K+只能通過本身的空位； Li+進入大體積空位，產(chǎn)生應力，不穩(wěn)定，只能進入同種離子空位較為穩(wěn)定； 大離子不能進入小空位，使通路堵塞，妨礙小離子的運動； 相互干擾的結果使電導率大大下

30、降。,玻璃中SiO2被其它氧化物置換的效應,2. 壓堿效應：含堿玻璃中加入二價金屬氧化物，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導率降低。相應的陽離子半徑越大，這種效應越強。,原因：二價離子與玻璃中氧離子結合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡結構，堵塞遷移通道，使堿金屬離子移動困難，電導率降低。,3.半導體玻璃,半導體玻璃作為新型電子材料非常引人注目。半導體玻璃按其組成可分為： （1）金屬氧化物玻璃（SiO2等）； （2）硫化物玻璃（如：S、Se、Te等與金 屬的 化合物） （3）Ge、Si、Se等元素非晶態(tài)半導體。,導電的原因：在其中存在大量的懸空鍵和區(qū)域化的電荷區(qū)，從能帶結構分析，在價帶和導帶之間存在很多局

31、部能級。,4. 多晶多相材料的電導,相組成： 晶粒、晶界、玻璃相、氣孔、 相組成的導電性： 玻璃相、微晶相（缺陷多）電導率較高。氣孔電導率小，但如果氣孔形成通道，環(huán)境中的水份、雜質(zhì)易進入，對電導有影響。作為絕緣子使用，必須提高其致密度。,1.3 超導體,1911年荷蘭物理學家Kamerlingh Onnes發(fā)現(xiàn)了汞冷卻到4K（液氦溫度）時具有零電阻，即具有超導性。 這種在一定的低溫條件下材料突然失去電阻的現(xiàn)象稱為超導電性。 超導體是等電位的，超導體內(nèi)沒有電場（只有電流而沒有電阻）。,1.3.1 超導體的發(fā)展歷程,超導體的發(fā)展主要在提高臨界溫度，已知有24種元素的單質(zhì)可呈現(xiàn)超導態(tài)，其中鈮的臨界溫

32、度最高（9.13K)，后來人們發(fā)現(xiàn)許多合金可呈超導態(tài)，其中1977年發(fā)現(xiàn)的Nb3Ge，Tc高達23K，是其中最高Tc者。但由于液氦溫度的獲得成本昂貴且操作不便，讓人們失去了應用的信心。,1986年4月IBM公司瑞士蘇黎世研究實驗室的J.G.Bednorz和K.A.Mueller發(fā)現(xiàn)鑭鋇銅的復合氧化物在30K顯示超導性，激起超導熱。1987年2 月，美國休斯頓大學的美籍華人朱經(jīng)武研制成功YBa3Cu3O7，其轉變溫度在90K，進入了液氮溫度區(qū)，1988年研制出了轉變溫度為125K的新型超導材料Tl2Ca2Ba2Cu3O10。甚至還有達到常溫的傳聞性報道。,1933年，Meissner發(fā)現(xiàn)超導態(tài)跟

33、零電阻現(xiàn)象共存的超導體的全抗磁現(xiàn)象。若取一磁鐵放在超導體上方，磁鐵將神奇地懸浮其上方，這便是磁懸浮現(xiàn)象，磁懸浮列車車速可高達590km/h。,各國的研究均已表明，幾乎所有的性能好，Tc高的陶瓷超導材料都含有稀土元素。雖然，這類超導材料的超導機制還遠不清楚，但元素周期表對研制、發(fā)展超導材料的指導意義，是十分明顯的。它指出了組成超導材料的元素在周期表中的位置：,它所造成的強大磁場，可實現(xiàn)受控熱核反應，使人類獲得“取之不盡”的巨大核能，等等。在經(jīng)濟建設中其應用前景是極其廣闊的。,1.3.2 超導體的兩個基本特征,1.完全導電性 2.完全抗磁性（邁斯納效應）,處于超導狀態(tài)的金屬，內(nèi)部磁感應強度始終為零

34、。 原來處于正常態(tài)的樣品變成超導體時，也會把原來的體內(nèi)磁場完全排出去。,1.3.3 超導體的3個指標,超導材料有三個關鍵的臨界值，即臨界溫度Tc、臨界電流密度Jc和臨界磁場Hc，這三個臨界值越高，超導體的實用價值越大。,1. 臨界轉變溫度Tc：超導體溫度低于Tc時，便出現(xiàn)了完全導電和邁斯納效應。超導體的臨界溫度越高越好，越有利于應用。,2.臨界磁場Hc：當TTc時，將超導體放入磁場，如果磁場強度高于臨界磁場強度，則磁力線穿入超導體，超導體被破壞而成為正常態(tài)，Hc隨溫度降低而增加。超導體的這個關系是拋物線：,臨界磁場就是能破壞超導態(tài)的最小磁場，它與超導材料的性 質(zhì)有關。,3.臨界電流密度Jc：如

35、果輸入電流所產(chǎn)生的磁場與外磁場之和超過Hc，則超導態(tài)被破壞，這時輸入的電流為臨界電流Ic，相應的電流密度稱為臨界電流密度Jc。,4. BCS 理論,庫伯電子對理論。 超導現(xiàn)象是來源于聲子-電子互相作用所產(chǎn)生的電子對，處于超導狀態(tài)時，電子對運動是相關的，它們之間存在特殊吸引力使得動量和自旋方向相反的兩個電子結合成了電子對（庫伯電子對）。 晶格散射電子對中的某一個電子并改變它的能量時，它也將散射電子對中的另一個電子，在相反方向引起動量的等量變化，因此電子的平均運動不加快也不減慢，這說明電子對運動時不損耗能量，因此表現(xiàn)出零電阻特性。,當溫度接近于0K時，電子的散射主要是電子與電子間的相 互作用，而不

36、是電子與粒子之間的相互作用，并以T2 的規(guī)律趨于零。,大多數(shù)金屬在熔化成液態(tài)時，其電阻率會突然增大約1-2倍。這是由于原子長程排列被破壞，從而加強了對電子的散射所引起的。,但如金屬銻、鉍、鎵等固態(tài)時為層狀結構，主要為共價鍵型晶體結構，在熔化時共價鍵被破壞，轉為以金屬鍵結合為主，導電電子數(shù)增加，故使電阻率下降。,由于冷塑性變形使晶體點陣畸變和晶體缺陷增加，特別是空位濃度的增加，造成點陣電場的不均勻性而加劇對電磁波散射，從而造成電阻率加大。,拉應力使金屬原子間距增大，點陣動畸變增大，電阻率上升。反之下降。,其中：為百分之一溶質(zhì)量比的附加電阻率。,馬基申定律指出，合金電阻有兩部分組成：,1.溶劑的電

37、阻，它隨著溫度升高而增大； 2.溶質(zhì)引起的附加電阻，它與溫度無關，只與溶質(zhì)原子的濃度有關。,第二節(jié) 熱電效應,T2,2.3.1 對帕爾帖效應的物理解釋是： 電荷載體在導體中運動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。,2.3.2 帕爾帖熱的測量,先從一個方向通入電流，測的熱量QJ+Qp（放熱）。然后再從另外一個方向通入電流，測的熱量為QJ-Qp（吸熱），二者只差就是2Qp，則可得出帕爾帖熱。,對于P型半導體和N型半導體組成的電偶,以上熱電效應在電

38、流反向時是可逆的。 由于固體系統(tǒng)存在有限溫差和熱流，所以熱電制冷是不可逆熱力學過程。,第三節(jié)、半導體導電的敏感效應,半導體的導電性受到環(huán)境的影響很大，產(chǎn)生了一些半導體敏感效應。,熱敏效應,光敏效應,壓敏效應,磁敏效應,霍爾效應,磁阻效應,熱敏變色油墨,PTC熱敏電阻,熱敏溫度計,溫度補償器,紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中?？梢姽夤饷綦娮杵鳎喊ㄎ?、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關門戶，航標燈

39、、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機自動曝光裝置，光電計數(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。,根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。,避雷器,壓敏電阻,霍爾傳感器,霍爾傳感器,如果把霍爾元件集成的開關按預定位置有規(guī)律地布置在物體上，當裝在運動物體上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號列可以傳感出該運動物體的位移。若測出單位時間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運動速度。,氣敏電阻,氣敏電阻是一種半導體敏

40、感器件，它是利用氣體的吸附而使半導體本身的電導率發(fā)生變化這一機理來進行檢測的。 如：SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料，屬于 N型半導體，在200300溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當遇到有能供給電子的可燃氣 體（如CO等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃氣體以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導體表面；氧脫附放出電子，可燃行氣體以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子， 從而使氧化物半導體導帶電子密度增加，電阻值下降?？扇夹詺怏w不存在了，金屬氧化物半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半 導體氣敏元件檢測可燃氣體的基本原理。,如果

41、磁場方向與導體中電流方向垂 直，則在與磁場和電流二者垂直的 方向上出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)象 稱之為霍耳效應。,霍耳效應,*實驗結果,*霍耳效應的應用,八十年代，發(fā)現(xiàn)量子霍耳效應, 即曲線 當 為常數(shù)時，出現(xiàn)臺階而不為線性關系,因為半導體的載流子濃度小于金屬 電子的濃度且容易受溫度、雜質(zhì)的 影響，所以霍耳系數(shù)是研究半導體 的重要方法之一?；舳鷤鞲衅鳎簩?某物理量的變化轉化成I和B的變化,第四節(jié)、介質(zhì)極化與介電性能,等量異號電荷相距一段距離，這個系統(tǒng)就稱為電偶極子，電荷和位移的乘積稱為這個系統(tǒng)的電偶極矩，其方向與外電場方向一致。,10.4.1 極化的概念,介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感 應電荷的現(xiàn)象，稱為

42、介質(zhì) 的極化。這種材料叫電介質(zhì)。,1. 極性和非極性粒子的機化,真空,E,(1) 具有一系列偶極子和束縛電荷的極化現(xiàn)象,2. 極化現(xiàn)象及其物理量,單位電場強度下，介質(zhì)粒子的電偶極矩的大小稱為粒子的極化率：,表示材料的機化能力，只與材料的性質(zhì)有關。,電介質(zhì)在電場作用下的極化程度用極化強度表示：,偶極子的產(chǎn)生有兩種基本形式： 第一種：彈性的、瞬間完成的、不消耗能量的極化。 包括：電子位移極化、離子位移極化。,三、極化機制,第二種：該極化與熱運動有關，其完成需要一定的 時間，且是非彈性的，需要消耗一定的能量。 包括：松弛極化、取向極化、空間電荷極化。,（3） 松弛極化,松弛質(zhì)點：材料中存在著弱聯(lián)系的

43、電子、離子和偶極子。 松弛極化：松弛質(zhì)點 由于熱運動使之分布混亂， 電場力使之按電場規(guī)律分布，在一定溫度下發(fā)生極化 松弛極化的特點：比位移極化移動較大距離，移動時需克服一定的勢壘，極化建立時間長，需吸收一定的能量（10-2 10-9S ），是一種非可逆過程。,材料中弱束縛電子在晶格熱振動下，吸收一定能量由低級局部能級躍遷到較高能級處于激發(fā)態(tài)； 處于激發(fā)態(tài)的電子連續(xù)地由一個陽離子結點，移到另一個陽離子結點； 極化建立時間為10-210-9s。電場頻率高于109 Hz時，電子松弛極化就不存在。 外加電場使其運動具有一定的方向性，由此引起極化，使介電材料具有異常高的介電常數(shù)。 電子松弛極化與熱運動有

44、關，是一個松弛過程，且不可逆，伴有能量損耗。,1. 電子松弛極化：,在玻璃態(tài)材料、結構松散的離子晶體或晶體中的雜質(zhì)或缺陷區(qū)域，離子自身能量較高，易于活化遷移，稱為弱聯(lián)系離子，此遷移為不可逆過程。 極化建立時間為10-2-10-5 s。當頻率在106Hz以上時離子松弛極化對電極化強度就無貢獻。 離子松弛極化率與溫度成反比，故溫度越高，熱運動對質(zhì)點的規(guī)則運動阻礙增強，極化率減小。 離子松弛極化率比電子位移極化率大一個數(shù)量級，可導致材料大的介電常數(shù)。,2. 離子松弛極化,離子松弛極化的遷移僅作有限距離的遷移（晶格常數(shù)大?。?，它只能在結構松散區(qū)或缺陷區(qū)附近移動。故電介質(zhì)不能導電。,具有恒定偶極矩的極性

45、分子在外加電場作用下，偶極子發(fā)生轉向，趨于和外加電場方向一致，與極性分子的熱運動達到統(tǒng)計平衡狀態(tài)，整體表現(xiàn)為宏觀偶極矩。 極化率比電子高得多，建立時間： 10-210-10s。,（4）轉向極化,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動的障礙；在障礙處，自由電子積聚，形成空間電荷極化，一般為高壓式極化。 極化率隨溫度升高而下降。因為溫度升高，離子運動加劇，離子容易擴散，空間電荷減小。 極化時間較長，大約幾秒到數(shù)十分鐘，甚至數(shù)十小時，因此空間電荷極化只對直流和低頻下的極化強度有貢獻。,（5）空間電荷極化,各種極化形式的比較,6. 介電常數(shù),表示電容

46、器在有電解質(zhì)時與在真空狀態(tài)時的電容相比較時增長倍數(shù)。,1. 介電損耗：在電場作用下，在單位時間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱為電介質(zhì)的損耗功率。原因有以下幾種： 極化損耗：任何電介質(zhì)在電導或極化過程中，帶電質(zhì)點（弱束縛電子、弱聯(lián)系離子以及偶極子或者空穴等）移動時，由于與外電場作用不同步，因而吸收了電場能量并把它傳給周圍的“分子”，使電磁能轉變?yōu)椤胺肿印钡臒嵴駝幽?，把能量消耗在電介質(zhì)發(fā)熱效應上。一般用松弛時間來表示不同步程度。極化損耗包括馳豫損耗和共振損耗。 電導損耗：電介質(zhì)漏電流產(chǎn)生的熱損耗。 電離損耗：含氣孔的電介質(zhì)中氣體電離吸收能量。,四、電介質(zhì)的介電損耗,2. 損耗的形式,電導損耗 極化損耗 電

47、離損耗 結構損耗 宏觀結構不均勻的介質(zhì)損耗,3.復電容率、復介電常數(shù),4. 影響損耗的因素,1.極化頻率 很小時，介質(zhì)損耗為零，各種極化都跟得上外電場變化。 電場頻率增大時，緩慢極化跟不上外電場變化，此時緩慢極化對介電常數(shù)的貢獻逐漸減小，由于緩慢計劃滯后與外電場的變化而產(chǎn)生電能損耗，使得損耗隨著頻率的增大而增大。 外電場頻率很高時，緩慢極化來不及建立，對介電常數(shù)沒有貢獻，損耗僅有起始電導率決定。 2.溫度 溫度很低時，松弛時間很長，松弛極化來不及建立，損耗很小。 溫度升高時，粒子熱運動增大，松弛時間減小，松弛極化也開始產(chǎn)生，損耗開始隨溫度增大而增加，當溫度升高到某一值后，對介電常數(shù)貢獻最大，介

48、電常數(shù)最大。損耗也在溫度升高一定值后，達到最大。,德拜研究了電介質(zhì)的介電常數(shù)r 、反映介電損耗的r、所加電場的角頻率及松弛時間間的關系。,rs -低頻或靜態(tài)的相對介電常數(shù) r - 時的相對介電常數(shù),參考資料,=1， r最大，大于或小于1 時，r都小， 即：松弛時間和所加電場的頻率相比，較大時，偶極子來不及轉移定向， r就??；松弛時間比所加電場的頻率還要迅速，r也小。,五、 電介質(zhì)的擊穿；介電強度（抗電強度）,電介質(zhì)的擊穿：在強電場的作用下，電介質(zhì)所承受的電壓超過一臨界值時（擊穿電壓），便喪失了絕緣性能而擊穿，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿。,抗電強度：材料所能承受的最大電場強度，表示材料的耐擊穿能力

49、。,5.1 電擊穿,自由電子在電場作用下，定向運動，不斷撞擊介質(zhì)中的離子，當電場足夠高時，自由電子定向運動的速度超過一定值可使介質(zhì)中的離子電離出次級電子，以上電子在電場的作用下都會加速，到一定速度時，就會撞擊出第三級電子，發(fā)生連鎖反應，形成大量自由電子形成的“電子潮”?？墒闺娏餮杆僭鲩L，導致介質(zhì)的擊穿。,能帶理論認為：電場強度增大時電子能量增加，當有足夠的電子獲得能量而能夠越過禁帶而進入上層導帶時，絕緣材料就會被擊穿。,5.2 熱擊穿,由于在電場作用下，介質(zhì)會被加熱，造成熱量在內(nèi)部積聚，使得器件溫度升高。升溫的結果又進一步增大能耗，使發(fā)熱量進一步增多。 當溫度超過一定限度時，介質(zhì)就會出現(xiàn)燒裂、熔融等現(xiàn)象而完全喪失絕緣能力，這就是介質(zhì)的熱擊穿。,5.3 化學擊穿,長期運行在一定環(huán)境下的絕緣材料由于材料內(nèi)部的電解、腐蝕、氧化、還原、