第一章电学性能2014PPT资料.ppt

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2）2）要要有有均均匀匀而而平平滑滑的的表表面面，以以便便进进行行穿穿孔孔、开开槽槽等等精精密密加加工工，从而能够构成细微而精密的图形；

从而能够构成细微而精密的图形；

3）3）应有优良的应有优良的绝缘性能绝缘性能（尤其是在高频下尤其是在高频下）；

4）4）要有充分的要有充分的导热性导热性，以迅速散发电路上因电流产生的热；

，以迅速散发电路上因电流产生的热；

5）5）硅硅与与基基片片的的热热膨膨胀胀系系数数之之差差应应较较小小，从从而而保保证证基基片片与与电电路路间良好的匹配性，电路与基片就不会剥离。

间良好的匹配性，电路与基片就不会剥离。

如：

根据如：

根据n=2dsinn=2dsin，利用晶体对，利用晶体对X-rayX-ray的衍射图象，就的衍射图象，就可以推知晶体中面网间距可以推知晶体中面网间距dd，进而就可以分析晶体的结构。

，进而就可以分析晶体的结构。

结构决定了性能，而性能则是内部结构某些方面的体现。

3.3.材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构。

材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构。

4.4.对材料性能的要求决定材料生产的工艺过程。

对材料性能的要求决定材料生产的工艺过程。

成本成本质量质量用途用途（三）材料性能的划分（三）材料性能的划分物理性能物理性能（热学性能、声学性能、光学性能热学性能、声学性能、光学性能、电学性能、磁学性能、辐照性能）、电学性能、磁学性能、辐照性能）力学性能力学性能（强度、强度、延性、延性、韧性、韧性、刚性）刚性）化学性能化学性能（抗氧化性、耐腐蚀性、抗渗入性）（抗氧化性、耐腐蚀性、抗渗入性）复杂性能复杂性能（复合性能、工艺性能、使用性能）（复合性能、工艺性能、使用性能）（四）材料性能研究目的（11）材料开发的出发点，也是其重要归属。

）材料开发的出发点，也是其重要归属。

（33）决定了材料生产工艺。

）决定了材料生产工艺。

（22）有助于研究材料的内部结构。

）有助于研究材料的内部结构。

（五）材料性能研究注意问题1、现象与本质现象与本质同一材料不同性能只是同一材料不同性能只是相同的内部相同的内部结构构，在，在不同的不同的外界条件外界条件下所表现出的不同行为。

下所表现出的不同行为。

这也也说明，不同的外界条件下，材料的性能是不同明，不同的外界条件下，材料的性能是不同的，即一的，即一种材料有多种性能。

种材料有多种性能。

22、材料性能的划分只是、材料性能的划分只是为了学了学习和研究的方便。

和研究的方便。

要注意材料间的各种性能既有区别，又有联系。

33、研究材料性能，要注意性能的研究材料性能，要注意性能的复合与转换复合与转换。

44、研究材料性能，要注意性能的研究材料性能，要注意性能的发展与改造发展与改造。

（六）材料性能研究方法

（1）经验方法经验方法在大量占有实验数据的基础上，对在大量占有实验数据的基础上，对数据的分析处理，整理为经验方程，用以表示它们的数据的分析处理，整理为经验方程，用以表示它们的函数关系。

函数关系。

（2）理理论论方方法法从从机机理理着着手手，即即从从反反映映本本质质的的基基本本关关系系（如如原原子子间间的的相相互互作作用用、点点阵阵的的波波形形方方程程等等）出出发发，按按照照性性能能的的有有关关规规律律、建建立立物物理理模模型型，用用数数学学方方法法求求解，得到有关理论方程式。

解，得到有关理论方程式。

第一章第一章材料的电性能材料的电性能1.1引言引言1.2电子类载流子导电电子类载流子导电1.3离子类载流子导电离子类载流子导电1.4半导体半导体1.5超导体超导体1.6电导功能材料电导功能材料1.7电性能测量及其应用举例电性能测量及其应用举例1.1引引言言载流子载流子：

电荷的载体。

可以是电子、空穴、正离子、：

可以是电子、空穴、正离子、负离子负离子电导率电导率：

当施加的电场产生电流时，电流密度：

当施加的电场产生电流时，电流密度J正比正比于电场强度于电场强度E，其比例常数，其比例常数即为电导率。

即为电导率。

J=EE=J=JE电阻率电阻率：

与材料本质有关，表征材料导电性能的重：

与材料本质有关，表征材料导电性能的重要参数。

要参数。

=1/=1/R=R=L/SL/S相对电导率相对电导率ICAS：

国际标准软铜电导率作为：

国际标准软铜电导率作为100%。

（20时，时，=0.01724mm2/m导导体体半导体半导体绝缘体绝缘体10-2m1010mAg：

1.46X10-8mResistivitiesofRealMaterialsResistivitiesofRealMaterials1.2电子类载流子导电电子类载流子导电1.2.1金属导电机制金属导电机制

（1）传导电子论）传导电子论

（2）量子自由电子论）量子自由电子论（3）能带理论）能带理论

（1）经典自由电子理论）经典自由电子理论“电子气电子气”n：

单位体积内自由电子数：

单位体积内自由电子数l：

电子平均自由程：

电子平均自由程v：

电子运动平均速度：

电子运动平均速度t：

电子两次碰撞之间的平均时间：

电子两次碰撞之间的平均时间缺陷：

缺陷：

1、一价金属导电性好于二、三价金属。

、一价金属导电性好于二、三价金属。

2、电电子子平平均均自自由由程程不不准准。

实实际际测测量量的的电电子平均自由程比经典理论估计的大许多。

子平均自由程比经典理论估计的大许多。

3、超导现象无法解释。

、超导现象无法解释。

4、解释不了霍尔系数、解释不了霍尔系数“反常反常”现象。

现象。

成功地计算出金属电导率以及电成功地计算出金属电导率以及电导率和热导率的关系。

导率和热导率的关系。

置置于于磁磁场场中中的的静静止止载载流流导导体体，当当它它的的电电流流方方向向与与磁磁场场方方向向不不一一致致时时，载载流流导导体体上上平平行行于于电电流流和和磁磁场场方方向向上上的的两两个个面面之之间间产生电动势差，这种现象称霍尔效应。

产生电动势差，这种现象称霍尔效应。

霍尔效应霍尔效应（G.Hall,1897）霍尔系数（又称霍尔常数），它表示霍尔效应的强弱。

霍尔系数（又称霍尔常数），它表示霍尔效应的强弱。

电子电导的特征是具有霍尔效应。

XYZJxB0Ey霍尔效应霍尔效应（G.Hall,1897）XYZJxB0Au：

-0.7210-10m3C-1正常金属正常金属Zn：

0.3010-10m3C-1反常金属反常金属量量子子自自由由电电子子学学说说利利用用薛薛定定谔谔方方程程求求解解自自由由电电子子的的运运动动波波函函数数，计计算算自自由由电电子子的的能能量量，也也称称为为Fermi-Sommerfel电子理论。

电子理论。

特点：

同同意意经经典典自自由由电电子子学学说说认认为为价价电电子子是是完完全全自自由由的的，但但认认为为自自由由电电子子的的行行为为不不服服从从Maxwell-Boltzmann定定律律，而是服从而是服从Fermi-Dirac的量子统计规律。

的量子统计规律。

金金属属原原子子聚聚集集成成晶晶体体时时，其其价价电电子子脱脱离离相相应应原原子子的的束束缚缚，在在金金属属晶晶体体中中自自由由运运动动，故故称称为为自自由由电电子子，并并且且认认为为它它们们的的行行为为如如理理想想气气体体一一样样，服服从从经经典典的的Maxwell-Boltzmann统计规律。

统计规律。

（2）量子自由电子理论）量子自由电子理论基本假定：

基本假定：

正离子形成均匀电场，价电子与离子间无相互作用正离子形成均匀电场，价电子与离子间无相互作用。

内层电子保持单原子时能量状态内层电子保持单原子时能量状态价电子按量子化规律具有不同能量状态，即具有不同能级。

价电子按量子化规律具有不同能量状态，即具有不同能级。

单位体积内单位体积内实际参与导电实际参与导电的电子数，的电子数，有效自由电子数有效自由电子数电子有效质量电子有效质量散射系数散射系数，=1/=1/l理想金属电阻理想金属电阻声子散射声子散射基本电阻基本电阻电子散射电子散射有缺陷晶体有缺陷晶体杂质或缺陷散射杂质或缺陷散射残余电阻残余电阻适用：

低浓度金属固溶体适用：

低浓度金属固溶体马西森定律（马西森定律（1860年）年）金金属属的的总总电电阻阻由由两两部部分分组组成成：

一一部部分分是是基基本本电电阻阻（与与温温度度有有关关），另另一一部部分分是是溶溶质质（杂杂质质）浓浓度度引引起起的的电阻（与温度无关）即电阻（与温度无关）即=LL（TT）可可采采用用极极低低温温度度下下的的金金属属剩剩余余电电阻阻率率44.2K.2K或或相相对对电电阻率阻率300K300K/44.2K.2K作为衡量金属纯度的重要指标。

作为衡量金属纯度的重要指标。

（3）能带理论）能带理论能带能带：

由于能级间隙很小，能级分布是准连续的，分为：

由于能级间隙很小，能级分布是准连续的，分为禁带禁带和和允带允带。

假设：

价电子公有化，价电子公有化，能级量子化，能级量子化，周期势场周期势场用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论。

用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论。

金属、绝缘体、半导体的能带示意图金属、绝缘体、半导体的能带示意图金属金属绝缘体绝缘体半导体半导体1.2.2电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系1.TT图金属的温度越高，金属的温度越高，电阻也越大。

阻也越大。

电阻和温度的关系：

阻和温度的关系：

tt00（11+TT）一般在一般在温度高于室温情况温度高于室温情况下，下，对大多数金属是适用的。

大多数金属是适用的。

事事实上，金属上，金属电阻率在不同温度范阻率在不同温度范围与与温度温度变化的关系是不同的。

一般可分化的关系是不同的。

一般可分为分三段：

分三段：

aa、电阻率正比于温度阻率正比于温度bb、电阻率与温度成五次方关系阻率与温度成五次方关系cc、电阻率与温度成平方关系阻率与温度成平方关系c2T关系反常关系反常现象象

（1）熔化时的）熔化时的T反常反常金属熔化时，一般电阻增高金属熔化时，一般电阻增高1.52倍。

倍。

熔化时金属原子的规则排列遭熔化时金属原子的规则排列遭到破坏，增加了对电子的散射，到破坏，增加了对电子的散射，电阻增加。

电阻增加。

熔化时电阻反而下降熔化时电阻反而下降熔化时化学键由共价结合转熔化时化学键由共价结合转为金属键结合使电阻率下降为金属键结合使电阻率下降（Sb）。

（2）铁磁性金属发生铁磁转变时（居里点附近）铁磁性金属发生铁磁转变时（居里点附近）TTc时时偏离线性，反常降低量偏离线性，反常降低量与自发磁化强度与自发磁化强度MMss平平方成反比，即方成反比，即MMss221.2.3电阻率与压力的关系电阻率与压力的关系p=0（1+p）0：

真空：

真空电阻率，阻率，p：

压力，力，：

压力系数（力系数（-10-510-6）1一般规律一般规律在流体静压力压缩时，大多数金属的在流体静压力压缩时，大多数金属的电阻率下降电阻率下降。

2关系分类关系分类正常金属正常金属：

p，。

如。

如Fe、Co