第1章电气性能.pptVIP

第一章 电性能;二、金属导电理论 1、经典电子理论 假设：金属晶体中原子失去价电子成为正离子，正离子构成晶体点阵，价电子成为公有化电子，电子间无相互作用。自由电子与正离子间的作用仅类似于机械碰撞；无外场作用时，自由电子沿各向运动的机率相同，不产生电流；施加外电场后电子获得加速度，发生定向迁移，从而产生电流。;2、量子理论 假设：在金属中点阵所产生的势场各处均匀，即离子与价电子没有相互作用，且价电子为整个金属所共有，但明确指出：金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，所有价电子按量子化规律具有不同能量状态，即具有不同能级（对称、连续能级）;3.能带理论 主要观点：金属正离子形成的电场是周期性变化的电场，因而对电子的运动产生了影响（电子在接近正离子时其势能降低、离开时势能要???高，因此电子的运动并不完全自由），其结果是形成能带，即自由电子的准连续能级，被一系列不允许电子占有的能隙所隔开。能带的结构与价电子数、禁带的宽窄及允带的空能级有关（P19，图1.10）。 空能级：允带中电子未排满的能级，其中的电子运动自由，在外电场作用下参与导电（导带） 禁带：k=+nπ/a 是电子不能占有的能级 ;导体特点：禁带极窄或空能级重叠，电子在不同能级间的跃迁非常容易 绝缘体特点：价电子填满了自己的能带（价带），其相邻的是一个很宽的禁带，即使施加强的外电场，电子跃过宽的禁带到达上面的空带也很困难。 半导体特点：介于前两者之间，外加电场较小时，电子跃迁困难，类似于绝缘体，当外加电场较大（超过临界值时），电子可实现跃迁，类似于导体;1.2 电阻的影响因素;分段函数： 当θD T2K, ρ∝T5 当T≈2K, ρ∝T2，原因：低温下电子的散射主要是电子与电子间相互作用，而不是离子与电子间的交互作用 当T→0, ρ →0，超导（Pb\Sn\Hg) 原因：电子与声子间相互作用，产生的电子对不被晶体散射;（3）铁磁金属与磁性转变 在居里点附近时，铁磁金属的电阻率随温度的变化偏离线性关系： 反常降低量Δρ=αMs2 原因：铁磁性金属内d层与外层s壳层电子云交互作用引起;（4）熔化 大多数金属熔化成液态时，电阻率会突然增大约1~2倍，这是由于原子长程有序排列遭到破坏，从而加强了对电子的散射所引起，但Bi、Sb、Ga等在熔化时电阻率反而下降，这是由于该类元素在固态时为层状结构，具有小的配位数，主要为共价键型晶体结构，在熔化时共价键被破坏，转以金属键为主，故电阻率下降（可见书p39:图2.4）;2、应力 在弹性范围内的单向拉应力，使原子间距离增大，点阵动畸变增大，由此导致金属电阻率增大 αT—应力系数， αT 0，σ为拉应力 在压应力作用下，使原子间距变小，点阵动畸变减小，传导电子和声子之间相互作用的变化，电子结构以及电子间相互作用发生改变，金属的费米面和能带结构发生变化，由此导致金属电阻率下降 αT—应力系数， Ф0，p为压应力;正常金属：随压应力增大，金属的电阻率单调下降，例如：Fe、Ni、Co、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zr、Hf（电阻率压力系数0);二、组织结构的影响：组织结构与塑性变形、热处理工艺有关 1、塑性形变 形变使金属电阻率增大，这是由于晶体点阵畸变和晶体缺陷的增加，造成点阵电场的不均匀性增强而加剧对电子波散射的结果；此外冷塑性变形使原子间距有所改变，也对电阻率有一定影响。（大多数金属电阻率增大2~6%） Δρ基本与温度无关，只受加工程度的影响 对单晶铜A=0.01μΩ cm，p=2，对多晶铜A=0.1 μΩ cm，p=1.4~1.5;2、热处理的影响（P42，图2.8） 回复可以显著降低缺陷浓度，电阻率有明显恢复； 再结晶：可以消除形变时造成的点阵畸变和晶体缺陷，因而再结晶退火可使电阻率恢复到冷变形前的水平，再结晶后晶粒越小（大），电阻率越大（小） 3、晶粒大小 晶粒越小，晶界（面缺陷）增多，电阻率增大； 4、电阻率的尺寸效应 当导电电子的自由程同试样尺寸处于同一数量级时，强烈散射电子波，电阻率急剧增大 5、电阻率的各向异性 在对称性较差的六方晶系、四方晶系、斜方晶系和菱面体中，沿各晶向电阻率不同;三、合金元素及相结构的影响 1、固溶体 一般规律：形成固溶体合金时，导电率降低、电阻率升高，主要原因是异类原子的溶入引起溶剂点阵的畸变，增加了电子的散射，因而加大了电阻，同时由于组元间化学交互作用的加强使有效电子数减少和能带结构发生变化，从而使电阻率增加。 A：由非过渡族元素组成的连续二元固溶体（液、固态下无限互溶），其电阻率随溶质含量的增加而增大，最大值