第10章 材料的电学性能.ppt

第十章 材料的电学性能 一.电阻与导电的基本关系 欧姆定律： 第一节 导电性能 电阻： 电导率： ρ为电阻率，单位：欧姆·米，为材料自身属性。 σ为电导率，单位：西/米 导体：电阻率小于10-2Ωm 绝缘体：电阻率大于1010Ωm 半导体：电阻率介于1010Ωm和10-2Ωm 根据导电性能对材料的分类： 二.导电机理 1 金属及半导体的导电机理： (1)经典电子理论： 金属晶体中，价电子是完全自由的，称为自由电子，像气体分子充满整个容器一样，称为“电子气”。它们的运动遵循经典力学气体分子的运动规律。自由电子间的相互作用近包含机械碰撞。无电场时，各个方向上运动几率相同。有电场时，沿电场方向加速运动，形成电流。 电子在两次碰撞前运动距离： 其中，l为平均运动距离，t为平均加速时间，v为平均运动速度。 (2)量子自由电子理论： 该理论认为，内层电子保持原子时的状态，外层电子按照量子化规律形成能带。自由运动的电子作为物质波，其频率和波长与电子的运动速度或动量存在如下关系： 其中，λ为物质波波长，p为电子的动量；h为普朗克常量。 自由电子动能： 由于 因此 其中 E-K关系曲线： 自由电子的E-K曲线 电子的波数越大，则能量越高。每个能态只能存在正反自旋方向的一对电子，电子从低能态一直排到高能态，其中电子排布的最高能态为费米能Ef。金属的费米能与金属的种类有关。在没有外加电场时，沿正、反方向运动的电子数量相等，没有电流产生。 因此在电场下： 自由电子在电场下的 E-K曲线 在外加电场下，正向运动的电子的能力较低，反向运动的电子能量较高。这样由于能量的变化，部分能量较高的电子会填充到能量较低的能级状态。是正反运动的电子数量不同，使金属导电。也就是说，不是所有的电子都参与导电，只是出于较高能量状态的部分电子参与导电。 (3)能带理论： 周期势场中电子运动的E-K 曲线及能带 能带的形成 电子在周期性势场中运动时，随着位置的变化，它的能量也周期性变化。这样电子在金属中的运动就不是完全自由的，而是要受到周期性势场的作用。最终价电子的能量状态是发生能带分裂，即有些能态电子是不能取值的。 当电子将能带内位置全部填满，在外电场作用下电子没有活动的余地而不产生电流。所谓空能级是指能带中未被电子填满的能级，在外电场中空能级中电子将参与导电。 Bandgap in materials 对于半导体： 2 无机非金属导电机理： (1)离子晶体的导电机理 晶格点阵中基本离子运动，即固有电导 结合力比较弱的杂质离子运动 金属材料电导的载流子是自由电子，而无机非金属中的载流子可以是电子、空穴、离子、离子空位。 一些离子从其晶体正常位置离开并留下一些空位，之后它们却占据在立方点阵中其他离子间的一些小空隙，及间隙位置。在外加电场的作用下，间隙的离子会从一个空位移动到另外一个空位并形成电流。 (2)玻璃的导电机理 玻璃的导电是由于某些离子在结构中的可动性导致，玻璃也是一种电解质的导体。例如钠玻璃种，钠离子从一个间隙跳到另一个间隙，形成电流。 半导体玻璃的电阻率在100欧姆米左右，其中存在着电子导电，可用作太阳能电池等领域。 三.超导电性 在一定温度条件下材料突然失去电阻的现象称为超导电性 水银电阻随温度的变化曲线 已知的超导元素 材料有电阻的状态称为正常态，材料由正常态转为超导态的温度称为临界温度，以Tc表示。 三.超导电性 两个特征： 完全导电性 完全抗磁性 Bi2Te3 电阻、磁化率随温度、压力 的变化曲线 完全抗磁化性 超导态对磁通的排斥 三个指标： 临界温度Tc 临界磁场Hc 临界电流密度Jc 超导研究的进展： 四.影响材料导电性的因素 1.温度的影响 金属的电阻随温度上升而增大 熔化成液态时， 电阻突然增大 PT100型铂电阻随温度的变化曲线 四.影响材料导电性的因素 2.冷塑性变形和应力的影响 冷塑性变形会使电阻率增大 回复再结晶减小电阻率 淬火提高电阻率 拉应力使电阻率上升，压应力相反 钽丝电阻的相对变化和扭转形变的关系 四.影响材料导电性的因素 3.合金化对导电性的影响 形成固溶体时电阻率上升 金属化合物的电阻率较高 机械混合物跟成分成正比关系 五.导电性的测量及应用 1.电阻测量方法 (1)双电桥法 适合测量小电阻 双电桥原理示意图 推导过程： I3 I3 当R1：R2 = R3：R4时： (2)电位差法 电位差计测电阻原理图 (3)伏安法 (4)四探针法 四根探针直线排列，并以一定的载荷压附于样品表面。流经1和4探针间的电流为I，探针2和3之间的电压为V，探针距离分别为l1、l2、l3、l4。样品的电导率为： 如果l1=l2=l3=l4=l，则 五.导电性的测量及应用 2.电阻分析的应用 (1)测量固溶体的溶解度曲线 不同