导电材料电阻材料.PPTVIP

第三章 材料的电学 ;;在许多情况下，材料的导电性能比力学性能还重要。 ;举例： ;电流是电荷在空间的定向运动。 任何一种物质，只要存在带电荷的自由粒子——载流子，就可以在电场下产生导电电流。 金属中： 自由电子 无机材料中： 电子（负电子/空穴）—— 电子电导 离子（正、负离子/空穴）—— 离子电导;控制材料的导电性能实际上就是控制材料中的载流子的数量和这些载流子的移动速率。 ;部分材料的电导率 ;经典自由电子论 ;(1) 经典自由电子论;成功：;电子比热问题 ;经典自由电子论的问题根源在于它是立足于牛顿力学的，而对微观粒子的运动问题，需要利用量子力学的概念来解决。;（2）量子自由电子论 ;;量子自由电子论的问题在于认为势场是均匀的，因此还是不能很好地解释诸如铁磁性、相结构以及结合力等一些问题。 ;能带理论则是在量子自由电子论的基础上，考虑了离子所造成的周期性势场的存在，从而导出了电子在金属中的分布特点，并建立了禁带的概念。 ;三种分析材料导电性理论的主要特征： ;根据原子结构理论，每个电子都占有一个分立的能级。泡利（Pauli）不相容原理指出，每个能级只能容纳2个电子。 ; 当两个原子的距离足够近时，它们的2s轨道的电子就会相互作用，以致不能再维持在相同的能级。 当固体中有N个原子，这N个原子的2s轨道的电子都会相互影响。这时就必须出现N个不同的分立能级来安排所有这些2s轨道的电子（这些电子共有2N个）。 2s轨道的N个分立的能级组合在一起，成为2s的能带。 ;电子数量增加时能级扩展成能带 ;导带 ; 由于钠只有1个3s电子，所以在3s价带上，只有一半的能级被电子所占据。自然，这些被电子占据的能级应该是能量较低的能级，而3s价带中能量较高的处于上方的能级很少有电子占据。 当温度为绝对零度时，只有下面一半的能级被电子占据，上面一半的能级没有电子占据。 而当温度大于绝对零度时，有一些电子获得了能量，跳到价带里的较高能级，而在相对应的较低的能级上失去了电子，产生了相同数量的空穴;能带中电子随温度升高而进行能级跃迁 绝对零度时,所有外层电子占据低的能级; 温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级 ;镁原子的核外电子结构为1s22s22p63s2。像镁这样的周期表ⅡA族元素的最外层3s轨道有2个电子，所以按理说它的3s能带就会被电子全部占满。 但是，由于固体镁的3p能带与3s能带有重叠，这种重叠使得电子能够激发到3s和3p的重叠能带里的高能级，所以镁具有导电性。 ;能带重叠现象 ;周期表ⅣA族元素，如碳、硅、锗、锡，在最外层p轨道有2个电子，化合价为4。 根据前面的讨论，因为这些元素的p能带没有被电子充满，似乎应该具有良好的导电性。 但实际情况却不是这样。这些元素都是以共价键结合的，最外层的s能带电子和p能带电子都被原子紧紧束缚。 共价键使能带结构发生比较复杂的变化，即杂化现象。 ;金刚石中碳的能带结构 ;在金刚石的价带和导带之间有一个较大的禁带Eg。很少有电子具有足够的能量，能够从价带跃迁到导带去。所以金刚石的电导率很低。 ;虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似，但这些材料的禁带宽度Eg 较小。实际上，锡的禁带宽度小得使它具有类似导体的导电性。而禁带宽度Eg稍大一点的锗和硅成了典型的半导体。 ;一些材料的禁带宽度Eg（eV）;导电材料与电阻材料 ; 其他材料的导电性能;高分子材料中的电子都是共价键结合的，所以高分子材料的禁带宽度都非常大，电导率也非常低。因此高分子材料常用作绝缘体。 解决这些问题的方法有两种，一是在高分子材料中引入添加剂，改善材料的导电性，二是开发本身就具有导电性的高分子材料。 ;3.2 金属电导 ;金属中自由电子的运动状态特征分析讨论 (1) 能量量子化。 自由电子能量本征值表明：除非金属在空间中无限伸展，否则其中自由电子的能量不能连续变化，因此具有量子化特征。 比较： 金属中自由电子的能级量子化意味着其能量不连续变化 ——自由电子改变其状态而需要在不同能级之间跃迁 重力场中的人面对的是台阶，不是一个斜面 ——残疾人爬升遇到困难； ——正常人呢？(普通台阶高度；不合理设置的台阶高度);;;;;;电导率; 量子电子论的模型表明，只有位于最高能级为数不多的电子能够为外加场所加速从而具有附加速度(或能量)。由此可见： 第一， 应当比总的电子平均速度大得多； 第二，因为金属熔点以下费米分布随温度变化很小，即 实际上不取决于温度。 可见，电导率 (或电阻率 )与温度的关系决定于 的改变。这是因为所有其他量皆与温度无关。; 量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶体点阵时，将不受到散射而无阻碍地传播，这时电阻率 ＝0，而