黄乔松《功能材料及其应用》新第一章 导电材料.pptVIP

第一章 导电材料 一、导电材料的分类 导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材料两大类。 二、电子导电材料 电子导电材料的导电起源于电子的运动。电子导电材料包括导体、超导体和半导体。 1、导体：电导率≥105 S/m。 2、超导体：在温度小于临界温度时，电导率为无限大。 3、半导体：电导率为 10-7～104S/m 。 第一章 导电材料 4、高分子导电材料：电导率在半导体到导体范围之间。 传统的高分子材料的电导率≤10－20S/m，是典型的绝缘体。 5、绝缘体：电导率 ≤10-7S/m 时，就认为该材料基本上不能导电，而称为绝缘体。 导体、超导体、半导体和绝缘体的区别： （1）电导率的大小； （2）能带结构； （3）导电机理。 第一章 导电材料 三、离子导电材料 1、导电机理 离子导电材料的导电机理，主要起源于离子的运动。 2、电导率 离子的运动速度远小于电子的运动速度。离子导电材料的电导率也远小于电子导电材料的电导率。 目前，电导率最高不＞ 102S/m，大多＜100S/m 。 第一章 导电材料 四、能带的基本概念 1、能带的形成:晶体内部结构的周期性，产生周期势场，作用于价电子，价电子共有化，原来原子中电子的能级发生分裂，分裂后新能级的能量范围，称为能带。 2、禁带：相邻两个能带之间不存在电子稳定态的能量间隔。 3、满带：各能级都被电子填满的能带。 4、价带：价电子能级分裂形成的能带。 5、空带：没有电子填入的能带。 6、导带：未被电子填满的能带。 第一章 导电材料 1、导体的三种能带结构 (a)类有未充满的能带，能带间相互重叠，无禁带 ； (b)类价电子充满下面的能带，上面紧接着另一个空能带，无禁带； (c)类有未充满的能带，该能带与上面的空带间有禁带。 第一章 导电材料 2、导带 导体中均存在电子运动的通道即导带。 (a)类的导带由未满带、重带和空带构成。 (b)类的导带由空带构成。 (c)类的导带由未满带构成。 电子进入导带运动均不需能带间跃迁。 第一章 导电材料 二、导体的导电机理 1、自由电子理论 自由电子理论是导体导电机理的经典理论，认为电子在金属导体中运动时不受任何外力作用，互相之间也无作用，即金属导体中电子的势能是个常数。 电导率公式可用经典力学来导出。 2、能带理论 不论是金属还是非金属导体中，电子的运动是在以导体空间点阵为周期的势场中运动，电子的势能是个周期函数，而不是常数，电子不是自由电子，这就是能带理论。 第一章 导电材料 二、导体的导电机理 3、准自由电子理论 导体的周期势场和变化都比电子平均动能小得多，按量子力学，可当作微扰来处理，这种理论称准自由电子理论。 这一理论认为导体中的电子可看作准自由电子，其运动规律可视为和自由电子相似。 由量子力学导出的电导率公式仍和经典理论导出的公式形式上一样，只是每项的含意有所不同。 第一章 导电材料 第一章 导电材料 1/τF 为费米电子在单位时间内的碰撞次数即散射次数，相当于费米电子的散射概率。 散射次数决定于导体内散射中心的多少，散射中心越多，散射次数也越多。 第一章 导电材料 电阻率ρ为电导率σ的倒数 第一章 导电材料 三、导体材料的种类 导体材料按化学成分分主要有以下三种： (1) 金属材料 主要的导体材料，电导率在107～108S/m之间。 (2) 合金材料 电导率在105～107S/m之间。 (3) 无机非金属材料 电导率在105～108S/m之间。 四、导体材料的应用 导体材料在电力、电器、电子、信息、航空、航天、兵器、汽车、仪器仪表、核工业和船舶等行业中有着广泛的用途。 第一章 导电材料 超导现象及其应用 第一章 导电材料 一、半导体的能带结构 本征半导体能带结构。 下面是价带。纯半导体的原子在绝对零度时，价带是充满电子的，满价带。 上面是导带。导带是空的。 中间是禁带。满价带和空导带之间是禁带，价电子和原子结合得不太紧，禁带宽度Eg比较窄，一般在 1eV 左右。 第一章 导电材料 二、半导体的导电机理 1、载流子的形成 价带中的电子受能量激发后，如果激发能大于Eg，电子可从价带跃迁到导带上，同时在价带中留下一个空穴。空穴能量等于激发前电子的能量。 激发既可以是热激发，也可以是非热激发。通过激发，半导体中产生载流子。 第一章 导电材料 二、半导体的导电机理 2、导电机理 半导体中导电载流子是电子和空穴。 价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中，跃迁电子可在导带中自由运动，传导电子的负电荷。 同时，在满价带中留下空穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可按