材料的電學(xué)性能

.,4材料的電導(dǎo)性能,.,主要內(nèi)容,電導(dǎo)的物理現(xiàn)象離子電導(dǎo)電子電導(dǎo)金屬材料的電導(dǎo)固體材料的電導(dǎo)半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng)超導(dǎo)體,.,電導(dǎo)率和電阻率對(duì)一截均勻?qū)щ婓w，存在如下關(guān)系：歐姆定律歐姆定律微分形式,4.1電導(dǎo)的物理現(xiàn)象4.1.1電導(dǎo)率和電阻率,-電阻率-電導(dǎo)率,.,微分式說(shuō)明導(dǎo)體中某點(diǎn)的電流密度正比于該點(diǎn)有電場(chǎng),比例系數(shù)為電導(dǎo)率電場(chǎng)強(qiáng)度E伏特/厘米;電阻密度J安培/厘米2;電阻歐姆.厘米;電導(dǎo)率歐姆-1.厘米-1,.,電流是電荷在空間的定向運(yùn)動(dòng)。任何一種物質(zhì)，只要存在帶電荷的自由粒子載流子，就可以在電場(chǎng)下產(chǎn)生導(dǎo)電電流。金屬中：自由電子無(wú)機(jī)材料中：電子（負(fù)電子/空穴）電子電導(dǎo)離子（正、負(fù)離子/空穴）離子電導(dǎo),4.1.2電導(dǎo)的物理特性,(1)載流子,.,電子電導(dǎo)的特征是具有霍爾效應(yīng)。沿試樣x軸方向通入電流I(電流密度Jx),z軸方向上加一磁場(chǎng)Hz,那么在y軸方向上將產(chǎn)生一電場(chǎng)Ey,這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。,霍爾效應(yīng),圖4-1霍爾效應(yīng)示意圖,.,Ey產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度,霍爾系數(shù)（又稱霍爾常數(shù)）RH霍爾效應(yīng)的起源：源于磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)電荷所產(chǎn)生的洛侖茲力，導(dǎo)致載流子在磁場(chǎng)中產(chǎn)生洛侖茲偏轉(zhuǎn)。該力所作用的方向即與電荷運(yùn)動(dòng)的方向垂直，也與磁場(chǎng)方向垂直。,.,霍爾系數(shù)RH=*，即霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積?；魻栂禂?shù)RH有如下表達(dá)式：對(duì)于半導(dǎo)體材料：n型：p型：,.,離子電導(dǎo)的特征是具有電解效應(yīng)。利用電解效應(yīng)可以檢驗(yàn)材料是否存在離子導(dǎo)電可以判定載流子是正離子還是負(fù)離子,電解效應(yīng),法拉第電解定律：電解物質(zhì)與通過(guò)的電量成正比關(guān)系：,.,(2)遷移率和電導(dǎo)率的一般表達(dá)式物體的導(dǎo)電現(xiàn)象，其微觀本質(zhì)是載流子在電場(chǎng)作用下的定向遷移。,.,4.2離子電導(dǎo),參與電導(dǎo)的載流子為離子，有離子或空位。它又可分為兩類。本征電導(dǎo)：源于晶體點(diǎn)陣的基本離子的運(yùn)動(dòng)。離子自身隨著熱振動(dòng)離開(kāi)晶格形成熱缺陷。從而導(dǎo)致載流子，即離子、空位等的產(chǎn)生，這尤其是在高溫下十分顯著。雜質(zhì)電導(dǎo)：由固定較弱的離子（雜質(zhì)）的運(yùn)動(dòng)造成，由于雜質(zhì)離子是弱聯(lián)系離子，故在較低溫度下其電導(dǎo)也表現(xiàn)得很顯著。,.,固有電導(dǎo)(本征電導(dǎo))中，載流子由晶體本身的熱缺陷提供。晶體的熱缺陷主要有兩類：弗侖克爾缺陷和肖特基缺陷。Frenker缺陷指正常格點(diǎn)的原子由于熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)入晶格間隙，而在晶體內(nèi)正常格點(diǎn)留下空位?？瘴缓烷g隙離子成對(duì)產(chǎn)生。弗侖克爾缺陷：(弗侖克爾缺陷中填隙離子和空位的濃度是相等的)Ef形成弗侖克爾缺陷所需能量,4.2.1載流子濃度(1)本征電導(dǎo)的載流子濃度,.,而肖特基缺陷中：Es離解一個(gè)陽(yáng)離子和一個(gè)陰離子到達(dá)到表面所需能量。低溫下：KTE，故Nf與Ns都較低。只有在高溫下，熱缺陷的濃度才明顯增大，亦即，固有電導(dǎo)在高溫下才會(huì)顯著地增大。E與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般Esexp(-B1)這說(shuō)明雜質(zhì)電導(dǎo)率要比本征電導(dǎo)率大得多。只有一種載流電導(dǎo)率可表示為：若以ln和1/T作圖，可繪得一直線，從直線斜率即可求出活化能：W=BK,.,有兩種載流子時(shí)如堿鹵晶體，總電導(dǎo)可表示本征缺陷雜質(zhì)缺陷有多種載流子時(shí)如堿鹵晶體，總電導(dǎo)可表示為,.,.,(2)擴(kuò)散與離子電導(dǎo)離子擴(kuò)散機(jī)構(gòu),.,能斯脫-愛(ài)因斯坦方程:,.,4.2.4影響離子電導(dǎo)率的因素(1)溫度呈指數(shù)關(guān)系，隨溫度升高，電導(dǎo)率迅速增大。如圖：注意：低溫下，雜質(zhì)電導(dǎo)占主要地位(曲線1)，高溫下，本征電導(dǎo)起主要作用(曲線2)。,.,(2)離子性質(zhì)及晶體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)：電導(dǎo)率隨著電導(dǎo)活化能指數(shù)規(guī)律變化，而活化能大小反映離子的固定程度，它與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。熔點(diǎn)高的晶體，活化能高，電導(dǎo)率低。a)離子半徑：一般負(fù)離子半徑小，結(jié)合力大，因而活化能也大；b)陽(yáng)離子電荷，電價(jià)高，結(jié)合力大，因而活化能也大；c)堆積程度，結(jié)合愈緊密，可供移動(dòng)的離子數(shù)目就少，且移動(dòng)也要困難些，可導(dǎo)致較低的電導(dǎo)率。,.,.,(3)晶體缺陷具有離子電導(dǎo)的固體物質(zhì)稱為固體電解質(zhì)，必須具備的條件：a)電子載流子的濃度小。b)離子晶格缺陷濃度大并參與電導(dǎo)。故離子性晶格缺陷的生成及其濃度大小是決定離子電導(dǎo)的關(guān)鍵所在。,.,影響晶格缺陷生成和濃度的主要原因是：i)熱激勵(lì)生成晶格缺陷(肖特基與弗侖克爾缺陷)ii)不等價(jià)固溶體摻雜形成晶格缺陷。iii)離子晶體中正負(fù)離子計(jì)量比隨氣氛的變化發(fā)生偏離，形成非化學(xué)計(jì)量比化合物。如：穩(wěn)定型ZrO2中氧的脫離形成氧空位，同時(shí)產(chǎn)生電子性缺陷?？傠妼?dǎo)率為：=i+e,.,如在還原氣氛下形成的TiO2-x，ZrO2-x，其平衡式為:,FeO在氧化氛下形成Fe1-xO，其平衡式為:,.,.,4.2.5固體電解質(zhì)ZrO2,.,氧敏感陶瓷工藝上，在ZrO2加入1020%mol比的CaO，在1600以上燒結(jié)，即可獲得穩(wěn)定化ZrO2。若加入了15%mol比的CaO，其分子式為：Ca0.15Zr0.85O1.85，這是不完整化學(xué)成分的晶體(相對(duì)于ZrO2而言)，氧離子少了0.15個(gè)。結(jié)果，在晶體中，氧離子就很容易活動(dòng)，而CaO和ZrO2很難還原。,.,此時(shí)，晶體中不存在自由電子，導(dǎo)電性則主要由氧離子的運(yùn)動(dòng)造成。0.5O2+2eO2-（在陽(yáng)極）O2-O2O2-0.5O2+2e（在陰極）只要知道了一側(cè)的氧分壓，就可求出另一側(cè)的氧分壓氣敏陶瓷，可用來(lái)測(cè)定窯爐、平爐的氣氛、汽車燃燒的空燃比。,.,氧泵若外加電壓大于氧敏感元件得到的電位差就可使氧離子從氧分壓低的一側(cè)倒流向氧分壓高的一側(cè)，這可從含微量氧的氣體中抽出氧來(lái)。燃料電池氧離子從fO2高處往低處移動(dòng)，此時(shí)，若在fO2低的一側(cè)存在氧等可燃?xì)怏w，則有：O2-+H2H2O+2e生成水蒸汽并放出自由電子。通過(guò)電子電路將電子不斷地引走，氧離子則隨之不斷在在低氧分壓一側(cè)出現(xiàn)，這即為氫燃燒而獲得了電力。將燃燒直接轉(zhuǎn)換為電能，將會(huì)比由燃料燃燒能電能這一過(guò)程損失少，且無(wú)燥聲，而若從輸氣管道供給燃料，就有可能在各個(gè)家庭中發(fā)電。,.,電阻發(fā)熱體碳化硅：800時(shí),電阻值隨溫度的升高而降低(半導(dǎo)體特征)，800時(shí)，則隨溫度的升高而升高（金屬導(dǎo)體特征）。可用于控制溫度，最高可達(dá)1650。MoSi2：可迅速加熱，最高溫度1700，價(jià)格較貴。鉻酸鑭：800，電阻不再隨溫度的變化而變化，可制作更易控溫的發(fā)熱體電阻，最高使用溫度1800，價(jià)格高，目前利用率不高。鎳鉻耐熱合金：最高使用溫度達(dá)1200。*Mo絲或鎢絲不能在空氣中使用。,.,4.3電子電導(dǎo),導(dǎo)電的前提：在外界能量(如熱、輻射)、價(jià)帶中的電子獲得能量躍遷到導(dǎo)帶中去；導(dǎo)電機(jī)制：電子與空穴。,.,4.3.1電子遷移率(1)經(jīng)典理論在外電場(chǎng)E作用下電子加速度a為：a=eE/me平均速度：遷移率：為松弛時(shí)間，與晶格缺陷及溫度有關(guān),溫度越高，晶體缺陷越多，電子散射幾率越大，越小。經(jīng)典模型中，電子視為是自由的，實(shí)際晶體中卻不是這樣的。,.,(2)量子力學(xué)推導(dǎo)(有效質(zhì)量)(k：波數(shù))m*考慮了電子與晶格的相互作用強(qiáng)度。則決定于載流子的散射強(qiáng)弱。散射越弱，越長(zhǎng)，遷移率也越大；摻雜濃度越多，載流子和電離雜質(zhì)相遇而被散射的機(jī)會(huì)也越多；溫度越高，晶格振動(dòng)越強(qiáng)，晶格散射增強(qiáng)，遷移率也降低；,.,.,.,散射（1）晶格散射（2）電離雜質(zhì)散射,.,4.3.2載流子濃度(1)晶體的能帶結(jié)構(gòu),.,.,(2)本征半導(dǎo)體中的載流子濃度本征電導(dǎo)：空帶中的電子導(dǎo)電和價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電同時(shí)存在，載流子電子和空穴的濃度是相等的。它們是由半導(dǎo)體晶格本身提供，是由熱激發(fā)產(chǎn)生的，其濃度與溫度呈指數(shù)關(guān)系。費(fèi)米統(tǒng)計(jì)理論：某一能帶(E1和E2之間)存在的電子濃度ne可表示為：導(dǎo)帶中的電子濃度：Gc(E)導(dǎo)帶的電子狀態(tài)密度Fe(E)電子分布函數(shù),.,Eg-禁帶寬度,.,.,(3)雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很大，例如，單晶硅中摻(1/10萬(wàn))硼，導(dǎo)電能力將增大1000倍。雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為n型(可提供電子)和p型(會(huì)吸收電子，造成空穴)。施主能級(jí)在四價(jià)的Si單晶中摻入五價(jià)的雜質(zhì)砷，一個(gè)砷原子外層有五個(gè)電子，取代一個(gè)硅原子后，其中四個(gè)同相鄰的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，還多出一個(gè)電子，它離導(dǎo)帶很近，只差E1=0.05eV，為硅禁帶寬度的5%，很容易激發(fā)到導(dǎo)帶中去。這種“多余”電子的雜質(zhì)能級(jí)稱為施主能級(jí)，n型半導(dǎo)體。,.,受主能級(jí)若在Si中摻入第三族元素(如B)，因其外層只有三個(gè)價(jià)電子，這樣它和硅形成共價(jià)鍵就少了一個(gè)電子(出現(xiàn)了一個(gè)空穴能級(jí))此能級(jí)距價(jià)帶很近，只差E1=0.045eV，價(jià)帶中的電子激發(fā)到此能級(jí)上比越過(guò)整個(gè)禁帶容易(1.1eV)。這種雜質(zhì)能級(jí)稱為受主能級(jí)，P型半導(dǎo)體。,.,.,.,4.3.3電子電導(dǎo)率本征電導(dǎo)率：n型、P型半導(dǎo)體電導(dǎo)率：與雜質(zhì)無(wú)關(guān)雜質(zhì)引起低溫時(shí)，第二項(xiàng)起作用，雜質(zhì)電導(dǎo)起主要作用；高溫時(shí)，雜質(zhì)已全部離解，本征電導(dǎo)起作用。,.,本征半導(dǎo)體或高溫時(shí)的雜質(zhì)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系為：=0exp(-Eg/2kT)(ln與1/T呈直線關(guān)系)=0exp(Eg/2kT)(ln與1/T也呈直線關(guān)系)p型半導(dǎo)體電導(dǎo)率：,.,圖4-12本征半導(dǎo)體電阻率與溫度的關(guān)系,.,實(shí)際晶體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，與溫度關(guān)系如下：,.,4.3.4電子電導(dǎo)率的影響因素,(1)溫度的影響在溫度變化不大時(shí)，電導(dǎo)率與溫度關(guān)系符合指數(shù)式。（a）聲子對(duì)遷移率的影響（b）雜質(zhì)離子對(duì)遷移率的影響,.,總遷移率：,一般情況下，受T的影響比起載流子濃度n受T的影響要小得多，因此電導(dǎo)率對(duì)溫度的依賴關(guān)系主要取決于濃度項(xiàng)。,.,雜質(zhì)電導(dǎo),.,.,(2)雜質(zhì)及缺陷的影響（a）雜質(zhì)缺陷,.,.,.,（b）組分缺陷陽(yáng)離子空位陰離子空位間隙離子,.,陽(yáng)離子空位,.,.,.,陰離子空位,.,間隙離子,.,.,4.4金屬材料的電導(dǎo),4.4.1金屬電導(dǎo)率最初，以所有自由電子都對(duì)金屬電導(dǎo)率做出貢獻(xiàn)為假設(shè)，利用經(jīng)典自由電子理論，推導(dǎo)出的金屬電導(dǎo)率的表達(dá)式為:量子自由電子理論表明，并非所有自由電子都對(duì)金屬電導(dǎo)率有貢獻(xiàn)，而是只有在費(fèi)米面附近能級(jí)的電子才能對(duì)電導(dǎo)做出貢獻(xiàn)。最后再根據(jù)能帶理論，推導(dǎo)出電導(dǎo)率的表達(dá)式為:,.,4.4.2電阻率與溫度的關(guān)系,圖4-16低溫下雜質(zhì)、晶體缺陷對(duì)金屬電阻的影響1-理想金屬晶體=(T)2含有雜質(zhì)金屬=0+(T)3含有晶體缺陷=0+(T),.,.,圖4-19金屬磁性轉(zhuǎn)變對(duì)電阻的影響,.,4.4.3電阻率與壓力的關(guān)系在流體靜壓壓縮時(shí)（高達(dá)1.2GPa），大多數(shù)金屬的電阻率下降。這是因?yàn)樵诰薮蟮牧黧w靜壓條件下，金屬原子間距縮小內(nèi)部缺陷形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)、費(fèi)米能和能帶結(jié)構(gòu)都將發(fā)生變化，顯然會(huì)影響金屬的電導(dǎo)率。,.,4.4.4冷加工和缺陷對(duì)電阻率的影響,.,4.4.5電阻率的各向異性一般在立方系晶體中金屬的電阻率表現(xiàn)為各向同性，但在對(duì)稱性較差的六方晶系、四方晶系、斜方晶系和菱面體中，導(dǎo)電性表現(xiàn)為各向異性。,.,4.4.6固溶體的電阻率（1）形成固溶體時(shí)電阻率的變化,.,（2）有序合金的電阻率,.,（3）不均勻固溶體（K狀態(tài)）電阻率,.,4.5固體材料的電導(dǎo),4.5.1玻璃態(tài)電導(dǎo)(1)含堿玻璃的電導(dǎo)特性在含有堿金屬離子的玻璃中，基本上表現(xiàn)為離子電導(dǎo)。玻璃體的結(jié)構(gòu)比晶體疏松，堿金屬離子能夠穿過(guò)大于其原子大小的距離而遷移，同時(shí)克服一些位壘。玻璃體與晶體不同是，堿金屬離子的能阱不是單一的數(shù)值，而是有高有低，這些位壘的體積平均值就是載流子的活化能。,大多數(shù)固體材料為多晶多相材料，其顯微結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，由晶粒、玻璃相、氣孔等組成。多晶多相材料的電導(dǎo)比起單晶和均質(zhì)材料要復(fù)雜得多。,.,.,(a)堿金屬含量不大時(shí)，與堿金屬含量呈直線關(guān)系，堿金屬只增加離子數(shù)目；但堿金屬含量超過(guò)一定限度時(shí)，與堿金屬含量呈指數(shù)關(guān)系，這是因?yàn)閴A金屬含量的的增加破壞了玻璃的網(wǎng)絡(luò)，而使玻璃結(jié)構(gòu)更加松散，因而活化能降低，導(dǎo)電率指數(shù)式上升。,.,(b)雙堿效應(yīng)應(yīng)用條件：當(dāng)堿金屬離子總濃度較大時(shí)（占玻璃25-30%），在堿金屬離子總濃度相同情況下，含兩種堿比含一種堿的電導(dǎo)率要小，比例恰當(dāng)時(shí)，可降到最低(降低45個(gè)數(shù)量級(jí))。,.,(3)壓堿效應(yīng)含堿玻璃中加入二價(jià)金屬氧化物，尤其是重金屬氧化物，可使玻璃電導(dǎo)率降低，這是因?yàn)槎r(jià)離子與玻璃體中氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以致堵住了離子的遷移通道，使堿金屬離子移動(dòng)困難，從而減小了玻璃的電導(dǎo)率。也可這樣理解，二價(jià)金屬離子的加入，加強(qiáng)玻璃的網(wǎng)絡(luò)形成，從而降低了堿金屬離子的遷移能力。,.,.,無(wú)機(jī)材料中的玻璃相，往往也含有復(fù)雜的組成，一般，玻璃相的電導(dǎo)率比晶體相高，因此，對(duì)介質(zhì)材料應(yīng)盡量減少玻璃相的電導(dǎo)。上述規(guī)律對(duì)陶瓷中的玻璃相也是適用的。,.,半導(dǎo)體玻璃作為新型材料非常引人注目：（1）金屬氧化物玻璃（SiO2等）；（2）硫?qū)倩锊ＡВ⊿,Se,Te等與金屬的化合物）；（3）Ge,Si,Se等元素非晶態(tài)半導(dǎo)體。,（2）玻璃半導(dǎo)體,.,.,4.5.2多晶多相固體材料的電導(dǎo)陶瓷材料主要由三大部分構(gòu)成：晶相、玻璃相和氣孔相，三者間量的大小及其相互間的關(guān)系，決定了陶瓷材料電導(dǎo)率的大小。微晶相、玻璃相電導(dǎo)較高。玻璃相結(jié)構(gòu)松馳，微晶相缺陷較多，活化能較低。含玻璃相的陶瓷的電導(dǎo)很大程度上決定于玻璃相。含有大量堿性氧化物的無(wú)定形相的陶瓷材料的電導(dǎo)率較高。實(shí)際材料中，作絕緣用的電瓷含有大量堿金屬氧化物，因而電導(dǎo)率較大，剛玉瓷(Al2O3)含玻璃相較少，電導(dǎo)率就小。,.,固溶體與均勻混合體：導(dǎo)電機(jī)制較復(fù)雜，有電子電導(dǎo)，也有離子電導(dǎo)。此時(shí)，雜質(zhì)與缺陷為影響導(dǎo)電性的主要內(nèi)在因素。這可具體問(wèn)題作具體分析。對(duì)于多價(jià)型陽(yáng)離子的固溶體，當(dāng)非金屬原子過(guò)剩，形成空穴半導(dǎo)體；當(dāng)金屬原子過(guò)剩時(shí)，形成電子半導(dǎo)體。均勻材料的晶粒大小對(duì)電導(dǎo)影響很小。除了薄膜及超細(xì)顆粒外，晶界的散射效應(yīng)比晶格小得多（這與離子及電子運(yùn)動(dòng)的自由程有關(guān)）。相反，半導(dǎo)體材料急劇冷卻時(shí)，晶界在低溫已達(dá)平衡，結(jié)果晶界比晶粒內(nèi)部有較高的電阻率。由于晶界包圍晶粒，所以整個(gè)材料有很高的直流電阻。如SiC電熱元件，二氧化硅在半導(dǎo)體顆粒間形成，晶界中SiO2越多，電阻越大。,.,材料的電導(dǎo)在很大程度上決定于電子電導(dǎo)。這是由于與弱束縛離子比較，雜質(zhì)半束縛電子的離解能很小，容易被激發(fā)，因而載流子的濃度隨溫度升高劇增。,.,.,.,4.5.3次級(jí)現(xiàn)象(1)空間電荷效應(yīng)（a）吸收現(xiàn)象：在測(cè)量陶瓷電阻時(shí)，經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)，加上直流電壓后，電阻需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才能穩(wěn)定。切斷電源后，將電極短路，發(fā)現(xiàn)類似的反向放電電流，并隨時(shí)間減小到零。隨時(shí)間變化的這部分電流稱為吸收電流，最后恒定的電流稱為漏導(dǎo)電流，這種現(xiàn)象稱為電流吸收現(xiàn)象。電流吸收現(xiàn)象的原因是，外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)(如瓷體)內(nèi)自由電荷重新分布的結(jié)果。,.,.,（b）空間電荷:當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，正、負(fù)離子分別向負(fù)、正極移動(dòng)，引起介質(zhì)內(nèi)各點(diǎn)離子密度變化，并保持在高勢(shì)壘狀態(tài)。在介質(zhì)內(nèi)部，離子減少，而在電極附近，離子增加，或在某地方積聚，這樣形成自由電荷的積累,.,(2)電化學(xué)老化現(xiàn)象指在電場(chǎng)作用下，由化學(xué)變化引起材料電性能不可逆的惡化。其主要原因是離子在電極附近發(fā)生的氧化還原過(guò)程。a)陽(yáng)離子-陽(yáng)離子電導(dǎo)b)陰離子-陽(yáng)離子電導(dǎo)c)電子-陽(yáng)離子電導(dǎo)d)電子-陰離子電導(dǎo),.,4.5.4無(wú)機(jī)材料電導(dǎo)的混合法則陶瓷材料則由晶粒、晶界、氣孔等所組成的復(fù)雜的顯微結(jié)構(gòu)。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，設(shè)陶瓷界面的影響和局部電場(chǎng)的變化等因素可以忽略，則總電導(dǎo)率為：,-晶粒電導(dǎo)率,-晶界的電導(dǎo)率,-晶粒的體積分?jǐn)?shù),-晶界的體積分?jǐn)?shù),.,當(dāng)n=-1時(shí)，相當(dāng)于圖4-32(a)的串聯(lián)狀態(tài)；當(dāng)n=1時(shí)，相當(dāng)于圖4-32(b)的并聯(lián)狀態(tài)；當(dāng)n0，對(duì)于晶粒均勻分散在晶界中的情況，相當(dāng)于圖4-32(c)的混合狀態(tài)。,.,.,4.6半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng),4.6.1晶界效應(yīng)(1)壓敏效應(yīng)(Varistoreffect)壓敏效應(yīng)指對(duì)電壓變化敏感的非線性電阻效應(yīng)，即在某一臨界電壓以下，電阻值非常高，幾乎無(wú)電流通過(guò)；超過(guò)該臨界電壓(敏壓電壓)，電阻迅速降低，讓電流通過(guò)。,.,.,.,.,(2)PTC效應(yīng)(PositiveTemperatureCoefficient)（1）PTC現(xiàn)象：在材料的相變點(diǎn)（居里點(diǎn)）附近，電阻率隨溫度上升發(fā)生突變，增大了3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。（2）PTC現(xiàn)象的應(yīng)用主要應(yīng)用：溫度敏感元件；熱敏電阻（P型半導(dǎo)體）；限電流元件；恒溫發(fā)熱體,.,.,4.6.2表面效應(yīng)陶瓷氣敏元件主要是利用半導(dǎo)體表面的氣體吸附反應(yīng)。利用表面電導(dǎo)率變化的信號(hào)來(lái)檢測(cè)各種氣體的存在和濃度。(1)半導(dǎo)體表面空間電荷層的形成半導(dǎo)體表面存在著各種表面能級(jí)，如晶格原子周期排列終止處所產(chǎn)生的達(dá)姆（Tamm）能級(jí)、晶格缺陷或表面吸附原子所形成的電子能級(jí)等。這些表面能級(jí)將作為施主或受主和半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電子授受關(guān)系。當(dāng)表面能級(jí)低于半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)，即為受主表面能能級(jí)時(shí)，從半導(dǎo)體內(nèi)部俘獲電子而帶負(fù)電，內(nèi)層帶正電在表面附近形成表面空間電荷層，這種電子的轉(zhuǎn)移將持續(xù)到表面能級(jí)中電子的平均自由能與半導(dǎo)體內(nèi)部的費(fèi)米能級(jí)相等為止。,.,.,（2）半導(dǎo)體表面吸附氣體時(shí)電導(dǎo)率的變化半導(dǎo)體表面吸附氣體時(shí)，半導(dǎo)體和吸附氣體分子（或氣體分子分解后形成的基團(tuán)）之間由于電子的轉(zhuǎn)移（即使電子的轉(zhuǎn)移不那么顯著）產(chǎn)生電荷的偏離。如果吸附分子的電子親和力比半導(dǎo)體的功函數(shù)W大，則吸附分子從半導(dǎo)體捕獲電子而帶負(fù)電；相反，吸附分子的電離勢(shì)I比半導(dǎo)體的電子親和力小，則吸附分子向半導(dǎo)體供給電子而帶正電。,.,.,4.6.3西貝克效應(yīng)半導(dǎo)體兩端有溫差時(shí)，高溫區(qū)電子易激發(fā)到導(dǎo)帶中去，熱電子則趨于擴(kuò)散到較冷的區(qū)域中去。當(dāng)其化學(xué)勢(shì)梯度和電場(chǎng)梯度相等，且方向相向時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于多數(shù)載流子要擴(kuò)散到冷端，產(chǎn)生V/T，結(jié)果就產(chǎn)生了溫差電動(dòng)勢(shì)-西貝克效應(yīng)。,.,.,.,4.6.4p-n結(jié)(1)p-n結(jié)勢(shì)壘的形成,.,(2)偏壓下的p-n結(jié)勢(shì)壘和整流作用,.,.,(3)光生伏特效應(yīng),.,4.7超導(dǎo)體,4.7.1概述所謂超導(dǎo)體（superconductor）就是在液氦甚至液氮的低溫下，具有零阻導(dǎo)電現(xiàn)象的物質(zhì)。這是一種固體材料內(nèi)特有的電子現(xiàn)象。超導(dǎo)體的研究與發(fā)現(xiàn)開(kāi)始于金屬及其化合物，繼而的研究在氧化物中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體，高臨界陶瓷超導(dǎo)材料及其超導(dǎo)薄膜、超導(dǎo)線材相繼問(wèn)世。,.,4.7.2約瑟夫遜效應(yīng)（Josephsoneffect）超導(dǎo)體：是在液氦甚至液氮的低溫下，具有零阻導(dǎo)電現(xiàn)象的物質(zhì)。Josephson效應(yīng)：即為超導(dǎo)電子的隧道效應(yīng)-超導(dǎo)電子能在極薄的絕緣體阻擋層中通過(guò)。,.,.,補(bǔ)充超導(dǎo)特性,(1)完全抗磁性當(dāng)超導(dǎo)體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，只要周圍的外加磁場(chǎng)沒(méi)有強(qiáng)到破壞超導(dǎo)性的程度，超導(dǎo)體就會(huì)把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在超導(dǎo)體內(nèi)永遠(yuǎn)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。超導(dǎo)體的這種特殊性質(zhì)被稱為“邁斯納效應(yīng)”。邁斯納效應(yīng)與零電阻現(xiàn)象是超導(dǎo)體的兩個(gè)基本特性，它們既互相獨(dú)立，又密切聯(lián)