无机材料物理性能第6讲.ppt

不同材料的电导率 差异巨大，横跨27个数量级 导体：107Ω-1m-1 半导体：10-6~104Ω-1m-1 绝缘体：10-1~10-20Ω-1m-1 3、陶瓷材料的导电机构有电子电导又有离子电导。 4、晶界对多晶材料的电导影响与离子运动的自由程和电子运动的自由程有关。 5、对于少量气孔分散相，气孔率增加，陶瓷材料的电导率减少。 6、无机材料的电导，在很大程度上取决于电子电导。 次级现象 空间电荷效应 电流吸收现象 空间电荷效应 吸收现象的原因，外电场作用下，电介质(如瓷体)内自由电荷重新分布的结果。 吸收电流是指随时间变化的这部分电流。 漏电流是指最后恒定的电流。 空间电荷效应 空间电荷的形成主要是因为陶瓷内部具有微观不均匀结构，因而各部分的电导率不一样。 电流吸收现象主要发生在离子电导为主的陶瓷材料中。 电化学老化现象 电化学老化指在电场作用下，由化学变化引起材料电性能不可逆的恶化。 其主要原因是离子在电极附近发生的氧化还原过程。有如下几种情况： 阳离子-阳离子电导 阴离子-阳离子电导 电子-阳离子电导 电子-阴离子电导 无机材料电导的混合法则 陶瓷材料则由晶粒、晶界、气孔等所组成的复杂的显微结构,总电导率为： －晶粒电导率 －晶界的电导率 V —— 为体积分数 无机材料电导的混合法则 n= -1相当于串联状态;n= 1相当于并联状态; n?0相当于混合状态 层状与复合材料 无机材料电导的混合法则 陶瓷电导的对数混合法则 无机材料电导的混合法则 各种模式的σt/σG和VB的关系 半导体陶瓷的物理效应 晶界效应 表面效应 西贝克效应 半导体的应用 晶界效应 压敏效应指对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压以下，电阻值非常高，几乎无电流通过；超过该临界电压(敏压电压)，电阻迅速降低，让电流通过。 压敏效应(Varistor effect) 晶界效应 压敏效应(Varistor effect) I为压敏电阻器流过的电流， V为施加电压， ?为非线性指数， C为相当于电阻值的量。 压敏电阻器的电压-电流 性近似表示： PTC效应 PTC现象 指价控型BaTiO3半导体最大特征是在材料的正方相 立方相相变点（居里点）附近，电阻率随温度上升发生突变，增大了3—4个数量级的现象。 晶界效应 PTC效应 PCT电阻率-温度特性 PTC现象 晶界效应 Heywang认为： PTC效应 n型半导体陶瓷晶界具有表面能级，它可以捕获载流子，从而在两边晶粒内产生一层电子耗损层，形成肖特基势垒，其高度与介电常数有关。在铁电相范围内，介电系数大，势垒低。当温度超过居里-外斯定律，材料的介电系数急剧减少，势垒增高，从而引起电阻率的急剧增加。 晶界效应 表面效应 1、半导体表面空间电荷层的形成 半导体表面存在着各种表面能级，这些表面能级将作为施主或受主和半导体内部产生电子授受关系。 根据表面能级所捕获的电荷和数量大小，可以形成积累层、耗尽层、反型层三种空间电荷层。 表面效应 2、半导体表面吸附气时电导率的变化 半导体表面吸附气体时，半导体和吸附气体分子（或气体分子分解后所形成的基团）之间，产生电荷的偏离，导致表面电导率发生变化。 离子迁移率 间隙离子的势垒变化 离子电导率 离子电导率的一般表达方式 如果本征电导主要由肖特基缺陷引起，其本征电导率为： 离子电导率 只有一种载流电导率可表示为： 写成对数形式: 活化能: 离子电导率 离子扩散机构 影响离子电导率的因素 离子电导率 呈指数关系，随温度 升高，电导率迅速增大。 低温下，杂质电导占主要地位(曲线1)； 高温下，固有电导起主要作用。 1、温度 杂质离子电导与温度的关系 影响离子电导率的因素 离子电导率 2、晶体结构 活化能大小取决于晶体间各粒子的结合力。而晶体结合力受如下因素影响： 离子半径：离子半径小，结合力大 离子电荷，电价高，结合力大 堆积程度，结合愈紧密，可供移动的离子数目就少，且移动也要困难些，可导致较低的电导率 影响离子电导率的因素 离子电导率 3、晶格缺陷 离子性晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键所在。而影响晶格缺陷生成和浓度的主要有如下因素： 热激励生成晶格缺陷(肖特基与弗仑克尔缺陷) 不等价固溶掺杂 离子晶体中正负离子计量比随气氛的变化发生偏离 固体电解质简介 定义 具有离子电导的固体物质称为固体电解质 离子晶体要具有离子电导的特性，必须： 电子载流子的浓度小 离子晶格缺陷浓度大，并参与电导 固体电解质电导 离子电导率 电子电导的基本公式： 电子电导 电子电导的载流子是：电子和空穴 电子电导主要发生在导体和半导体中 在电子电导材料中，电子与点阵的