第八章-材料的电学性能优质PPT.ppt

1、表表 材料的分类及其电导率材料的分类及其电导率材料材料电阻率电阻率电导率电导率超导体超导体导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体010-8-10-510-5-107107-1018105-10810-7-10510-18-10-7v1）载流子）载流子 电流是带电荷的粒子的定向流动。电流是带电荷的粒子的定向流动。2.决定电导率的因素决定电导率的因素载流子载流子金属：自由电子金属：自由电子电子电导电子电导无机材料：离子无机材料：离子离子电导离子电导v2）载流子迁移率）载流子迁移率v设有一单位面积的导体设有一单位面积的导体v单位体积内载流子数目为单位体积内载流子数目为nv每个载流子携带电荷量为每个载流子携

2、带电荷量为qv沿长度方向施加强度为沿长度方向施加强度为E的电场的电场v载流子发生迁移的平均速度为载流子发生迁移的平均速度为v单位时间内通过单位时间内通过截面的电荷为截面的电荷为载流子迁移率载流子迁移率单位电场下单位电场下载流子漂移速度载流子漂移速度1载流子浓度载流子浓度3载流子迁移率载流子迁移率2载流子类型载流子类型3.材料的结构与导电性v导体和非导体的区别：导体和非导体的区别：金属导体金属导体有两种情况：有两种情况：1、价带和导带重叠，无禁带（、价带和导带重叠，无禁带（a）2、价带未被价电子填满，本身即为导带（、价带未被价电子填满，本身即为导带（b）价电子即为自由电子，金属导体在温度较低的价

3、电子即为自由电子，金属导体在温度较低的情况下仍有大量自由电情况下仍有大量自由电子，导电能力强大。子，导电能力强大。而而非导体非导体（包括（包括绝缘体和半导体绝缘体和半导体），在），在导带和价带之间存在禁导带和价带之间存在禁带，如图（带，如图（c）v半导体和绝缘体的区别半导体和绝缘体的区别对于绝缘体，禁带的宽度较大，满带中的电子没有对于绝缘体，禁带的宽度较大，满带中的电子没有活动的余地，即使在禁带上的能带完全是空带，电活动的余地，即使在禁带上的能带完全是空带，电子也没法跳过禁带产生电流。子也没法跳过禁带产生电流。对于半导体，禁带宽度对于半导体，禁带宽度较窄，在电子受热振动等较窄，在电子受热振动等

4、因素的影响下就可以激发因素的影响下就可以激发跳过禁带进入空带，在空跳过禁带进入空带，在空带中产生电流。带中产生电流。4、金属的导电性能、金属的导电性能v金属中有载流子存在，能带结构也适宜自由电子运金属中有载流子存在，能带结构也适宜自由电子运动产生电荷。是否金属中电阻会趋近于动产生电荷。是否金属中电阻会趋近于0？v量子力学证明，电子波在绝对零度下通过理想晶体量子力学证明，电子波在绝对零度下通过理想晶体点阵时，将不会收到任何散射无阻碍的传播，此时点阵时，将不会收到任何散射无阻碍的传播，此时=0，而，而为无穷大。为无穷大。v由于温度引起的离子运动（热运动）振幅的变化，由于温度引起的离子运动（热运动）

5、振幅的变化，同时晶体中异类原子、位错、点缺陷等都会使理想同时晶体中异类原子、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。晶体点阵的周期性遭到破坏。v在晶体点阵遭到破坏的地方，电子波受到散射（不在晶体点阵遭到破坏的地方，电子波受到散射（不相干散射），即产生电阻，降低导电性。相干散射），即产生电阻，降低导电性。v材料的总电阻包括材料的总电阻包括基本电阻基本电阻（由温度引起的电阻由温度引起的电阻）和和溶质（杂质）浓度引起的电阻溶质（杂质）浓度引起的电阻之和。之和。即即=（T）+（T）与温度有关的金属基本电阻，即纯金属与温度有关的金属基本电阻，即纯金属的电阻的电阻取决于化学缺陷和物理缺陷而与温度

6、无关的参取决于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的参与电阻。与电阻。化学缺陷：杂质原子、合金元素化学缺陷：杂质原子、合金元素 物理缺陷：空位、间隙原子、位错等物理缺陷：空位、间隙原子、位错等对于理想晶体对于理想晶体=（T）马基申定律马基申定律）电阻率与温度的关系v 一般情况下，金属的温度愈高，电阻也愈大。一般情况下，金属的温度愈高，电阻也愈大。v在低温下，电阻率主要在低温下，电阻率主要取决于取决于残。高温下电阻。高温下电阻率基本上取决于率基本上取决于（T）。v通常，金属熔化后电阻通常，金属熔化后电阻增加增加1.52倍，因为倍，因为熔化时金属原子规则排列熔化时金属原子规则排列遭到破坏，从而增强了对遭

7、到破坏，从而增强了对电子的散射，电阻增加。电子的散射，电阻增加。但锑反常。随温度升高，电阻增加；但熔化后电阻反而但锑反常。但熔化后电阻反而减小共价键合转变为金属键合。减小共价键合转变为金属键合。v拉力作用下拉力作用下，原子之间间距增大，点阵畸变增大，原子之间间距增大，点阵畸变增大，导致电阻增大。金属的电阻率和拉力关系可表示为：导致电阻增大。（）：未加载荷时的电阻率；：压力系数（：压力系数（）：拉应力：拉应力v流体静压下流体静压下，压应力使原子间距减小，畸变减小，压应力使原子间距减小，畸变减小，与拉力效果相反，金属的电阻率可表示为：与拉力效果相反，金属的电阻率可表示为：（P）：真空下的电阻率；压

8、力系数（）P：压力：压力）电阻率与受力的关系冷加工引起金属电阻率增加：冷加工引起金属电阻率增加：由于冷加工引起金属晶格畸变和晶体缺陷增多，由于冷加工引起金属晶格畸变和晶体缺陷增多，特别是空位浓度的增加，增加电子反射几率；同时特别是空位浓度的增加，增加电子反射几率；同时也会引起金属晶体原子间键合的改变，导致原子间也会引起金属晶体原子间键合的改变，导致原子间距的改变。距的改变。举例：v纯金属（纯金属（Al，Cu，Fe，Ag）增加）增加26；v钨增加钨增加3050；钼增加；钼增加152018）冷加工对电阻率的影响4）热处理对电阻率的影响v金属冷加工后，若进行金属冷加工后，若进行再结晶退火再结晶退火，

9、则可使，则可使电阻降电阻降低低，尤其当退火温度接近再结晶温度时（再结晶退，尤其当退火温度接近再结晶温度时（再结晶退火），电阻可以恢复到冷加工前的水平。火），电阻可以恢复到冷加工前的水平。v但当退火温度但当退火温度高过再结晶温度高过再结晶温度时，时，电阻反而增大电阻反而增大，这是再结晶后这是再结晶后新晶粒新晶粒阻碍了电子运动造成的。阻碍了电子运动造成的。v淬火淬火能固定金属在高温时能固定金属在高温时空位的浓度空位的浓度，从而产生，从而产生残残余电阻余电阻。淬火温度越高，空位浓度越高，则残余电。淬火温度越高，空位浓度越高，则残余电阻率越大。阻率越大。5、合金的导电性v形成固溶体后，合金的导形成固溶

10、体后，合金的导电性能降低了。即使是在电性能降低了。即使是在低导电性的金属溶剂中加低导电性的金属溶剂中加入高导电性能的金属溶质入高导电性能的金属溶质也是如此。也是如此。v随着固溶原子的增多，导随着固溶原子的增多，导电性能逐渐降低！电性能逐渐降低！v最大电阻率出现在最大电阻率出现在50%原子浓度处。原子浓度处。1）固溶体的电阻）固溶体的电阻主要是因为：主要是因为：v溶质原子与溶剂原子之间的原子半径差引起点阵畸溶质原子与溶剂原子之间的原子半径差引起点阵畸变，增加了电子的散射。变，增加了电子的散射。原子半径差越大，固原子半径差越大，固溶体电阻率越大。溶体电阻率越大。v组元间化学相互作用使有效电子数减少

11、，使电阻率组元间化学相互作用使有效电子数减少，使电阻率增高。增高。2）有序固溶体的电阻合金组元合金组元化学作用加强化学作用加强电子结合增强电子结合增强电场更加对称电场更加对称减少电子散射减少电子散射电阻增加电阻增加 电阻降低电阻降低 3）金属化合物、多相合金的电阻 当两种金属原子形成当两种金属原子形成化合物化合物时，合金性能尤其是导电性时，合金性能尤其是导电性变化最为激烈，电阻率要高很多。变化最为激烈，电阻率要高很多。v原因：原子键合的改变。两种金属组成化合物以后至少一原因：两种金属组成化合物以后至少一部分金属键变成共价键或离子键，导电电子数大大减少。部分金属键变成共价键或离子键，导电电子数大

12、大减少。多相合金多相合金的导电性取决于组成相的导电性和相对量，的导电性取决于组成相的导电性和相对量，还与组成相的形貌有关。还与组成相的形貌有关。v当合金是等轴晶粒组成的两相机械混合物并且导电率相近当合金是等轴晶粒组成的两相机械混合物并且导电率相近时，电导率与两组元体积分数呈线性关系：时，电导率与两组元体积分数呈线性关系：5 5、半导体的电学性能半导体的电学性能 v元素周期表中的元素周期表中的IVAIVA族的族的C C、SiSi、GeGe、SnSn、PbPb v原子间的结合是共价键原子间的结合是共价键1 1）本征半导体）本征半导体25本征半导体本征半导体指纯净的无结构缺陷的半导体单晶指纯净的无结

13、构缺陷的半导体单晶在在0K时，半导体的空带中无电子，即无电子的运动时，半导体的空带中无电子，即无电子的运动在温度升高或受光照射时，半导体受热激发，其中一部分获在温度升高或受光照射时，半导体受热激发，其中一部分获得足够大能量的价电子就可以挣脱束缚，离开原子而成为自得足够大能量的价电子就可以挣脱束缚，离开原子而成为自由电子，跃迁到空带。这时空带中有了一部分导电的电子，由电子，跃迁到空带。这时空带中有了一部分导电的电子，称为称为导带导带，满带中由于部分价电子的迁出出现了空位置，称，满带中由于部分价电子的迁出出现了空位置，称为为价带价带当一个价电子离开原子后，在共价键上留下一个空位，在共当一个价电子离开原