第五章 材料的電導(dǎo)

1、第十章第十章 材料的電學(xué)性能材料的電學(xué)性能第一節(jié)第一節(jié) 導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能AreaLengthi1.導(dǎo)電的定義：當(dāng)在材料兩端導(dǎo)電的定義：當(dāng)在材料兩端施加電壓施加電壓V時(shí)，材料中有電流時(shí)，材料中有電流I通過，這種現(xiàn)象叫導(dǎo)電。通過，這種現(xiàn)象叫導(dǎo)電。根據(jù)歐姆定律：根據(jù)歐姆定律：1LSRSLRRVI導(dǎo)體：導(dǎo)體：1010m半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：=10-2-1010m無機(jī)材料中的載流子可以是電子（負(fù)電子，空穴），無機(jī)材料中的載流子可以是電子（負(fù)電子，空穴），離子（正、負(fù)離子，空位）。載流子為離子的電導(dǎo)離子（正、負(fù)離子，空位）。載流子為離子的電導(dǎo)為離子電導(dǎo)，載流子為電子的電導(dǎo)為電子電導(dǎo)。為離子電導(dǎo)，載流子為電子的電

2、導(dǎo)為電子電導(dǎo)。3、霍爾效應(yīng)、霍爾效應(yīng)Hall effect電子電導(dǎo)的特征是具有霍爾效應(yīng)。電子電導(dǎo)的特征是具有霍爾效應(yīng)。沿試樣沿試樣x軸方向通入電流軸方向通入電流I（電流密度（電流密度Jx），），Z軸方向軸方向加一磁場加一磁場Hz，那么在，那么在y軸方向上將產(chǎn)生一電場軸方向上將產(chǎn)生一電場Ey，這，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。zxHyHJRE式中的式中的RH稱為霍爾系數(shù)稱為霍爾系數(shù)(Hall coefficient)，它表示霍爾，它表示霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。效應(yīng)的強(qiáng)弱。JxEyHz 霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)RH=*enRiH1 對于半導(dǎo)體材料：對于半導(dǎo)體材料： n型：型： 空穴濃度電子濃度iiHi

3、iHnenRnenR,1,1 p型：型：iienHHR霍爾遷移率霍爾遷移率 霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于電子在磁場作用下，產(chǎn)生橫向霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于電子在磁場作用下，產(chǎn)生橫向移動的結(jié)果，離子的質(zhì)量比電子大得多，磁場作用力移動的結(jié)果，離子的質(zhì)量比電子大得多，磁場作用力不足以使它產(chǎn)生橫向位移，因而純離子電導(dǎo)不呈現(xiàn)霍不足以使它產(chǎn)生橫向位移，因而純離子電導(dǎo)不呈現(xiàn)霍爾效應(yīng)。爾效應(yīng)。JxEyHz利用霍爾效應(yīng)可檢驗(yàn)材料是否存在電子電導(dǎo)。利用霍爾效應(yīng)可檢驗(yàn)材料是否存在電子電導(dǎo)。4、電解效應(yīng)（離子電導(dǎo)特征）、電解效應(yīng)（離子電導(dǎo)特征）離子電導(dǎo)的特征是存在電解效應(yīng)。離子的遷移伴隨著離子電導(dǎo)的特征是存在電解效應(yīng)。離子的遷移

4、伴隨著一定的質(zhì)量變化，離子在電極附近發(fā)生電子得失，產(chǎn)一定的質(zhì)量變化，離子在電極附近發(fā)生電子得失，產(chǎn)生新的物質(zhì)，這就是電解現(xiàn)象。生新的物質(zhì)，這就是電解現(xiàn)象?？梢詸z驗(yàn)陶瓷材料是否存在離子電導(dǎo)，可以檢驗(yàn)陶瓷材料是否存在離子電導(dǎo)，并且可以判定載流子是正離子還是負(fù)離子。并且可以判定載流子是正離子還是負(fù)離子。法拉第電解定律：法拉第電解定律：FQCQgg電解物質(zhì)的量電解物質(zhì)的量 Q通過的電量通過的電量 C電化當(dāng)量電化當(dāng)量 F法拉第常數(shù)法拉第常數(shù)5.遷移率和電導(dǎo)率的一般表達(dá)式遷移率和電導(dǎo)率的一般表達(dá)式物體的導(dǎo)電現(xiàn)象，其微觀本質(zhì)是載流子在電場作用下的物體的導(dǎo)電現(xiàn)象，其微觀本質(zhì)是載流子在電場作用下的定向遷移。定向

5、遷移。設(shè)單位截面積為設(shè)單位截面積為 ，在單位體積，在單位體積 內(nèi)載流內(nèi)載流子數(shù)為子數(shù)為 ，每一載流子的電荷量為，每一載流子的電荷量為 ，則單位體，則單位體積內(nèi)參加導(dǎo)電的自由電荷為積內(nèi)參加導(dǎo)電的自由電荷為 。21cmS31cm3cmnqnq如果介質(zhì)處在外電場中，則作用于每一個(gè)載流子的如果介質(zhì)處在外電場中，則作用于每一個(gè)載流子的力等于力等于 。在這個(gè)力的作用下，每一載流子在。在這個(gè)力的作用下，每一載流子在 方方向發(fā)生漂移，其平均速度為向發(fā)生漂移，其平均速度為 。容易看出，。容易看出，單位時(shí)間（單位時(shí)間（1s）通過單位截面的電荷量為）通過單位截面的電荷量為qEscmvnqvJ SIJ EnqvEJE

6、v其物理意義為載流子在單位電場中的遷移速度。其物理意義為載流子在單位電場中的遷移速度。nqiiiiiiqn第二節(jié)第二節(jié) 離子電導(dǎo)離子電導(dǎo)一一.離子電導(dǎo)類型離子電導(dǎo)類型 (ionic conduction)離離子子電電導(dǎo)導(dǎo)固有離子電導(dǎo)固有離子電導(dǎo)（或本征電導(dǎo)）（或本征電導(dǎo)） 離子自身隨著熱振動離開晶格形成熱缺陷。離子自身隨著熱振動離開晶格形成熱缺陷。源于晶體點(diǎn)陣的基本離源于晶體點(diǎn)陣的基本離子的運(yùn)動（高溫）子的運(yùn)動（高溫）雜質(zhì)電導(dǎo)雜質(zhì)電導(dǎo) 雜質(zhì)離子是弱聯(lián)系離子，所以在較低溫度下雜雜質(zhì)離子是弱聯(lián)系離子，所以在較低溫度下雜質(zhì)電導(dǎo)表現(xiàn)得顯著。質(zhì)電導(dǎo)表現(xiàn)得顯著。固定較弱的離子的運(yùn)動造成固定較弱的離子的運(yùn)動

7、造成的（主要是雜質(zhì)離子）的（主要是雜質(zhì)離子）11 二載流子濃度二載流子濃度1.對于固有電導(dǎo)對于固有電導(dǎo)(本征電導(dǎo)本征電導(dǎo)intrinsic conduction) 載流子由晶體本身熱缺陷載流子由晶體本身熱缺陷弗侖克爾缺陷和肖特基缺陷弗侖克爾缺陷和肖特基缺陷提供。提供。 1)弗侖克爾缺陷濃度弗侖克爾缺陷濃度 弗侖克爾缺陷的填隙離子和空位的濃度弗侖克爾缺陷的填隙離子和空位的濃度是相等的，都可表示為是相等的，都可表示為2)肖特基空位濃度肖特基空位濃度式中式中N為單位體積內(nèi)離子對的數(shù)目為單位體積內(nèi)離子對的數(shù)目,Es為離解散一個(gè)陰離為離解散一個(gè)陰離子和一個(gè)陽離子并到達(dá)表面所需要的能量。子和一個(gè)陽離子并到

8、達(dá)表面所需要的能量。 3）討論）討論熱缺陷的濃度（熱缺陷的濃度（N）決定于溫度）決定于溫度T和離解散能和離解散能E。（a）常溫下，）常溫下，T小，小，kTE，所以，所以N小；??； 高溫下，高溫下，T大，大，kT，N也也，所以固有電導(dǎo)也顯著，所以固有電導(dǎo)也顯著（b）E與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān) 在離子晶體中，肖特基缺陷形成能弗侖克爾缺陷形在離子晶體中，肖特基缺陷形成能弗侖克爾缺陷形成能。成能。2雜質(zhì)電導(dǎo)雜質(zhì)電導(dǎo)因?yàn)殡s質(zhì)離子的存在，不僅增加了電流載體數(shù)，而且因?yàn)殡s質(zhì)離子的存在，不僅增加了電流載體數(shù)，而且使點(diǎn)陣發(fā)生畸變，雜質(zhì)離子離解活化能變小。使點(diǎn)陣發(fā)生畸變，雜質(zhì)離子離解活化能變小。 在低溫下，離

9、子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流在低溫下，離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定。子濃度決定。雜質(zhì)導(dǎo)電與本征導(dǎo)電的比較雜質(zhì)導(dǎo)電與本征導(dǎo)電的比較雜質(zhì)離子濃度遠(yuǎn)小于晶格格點(diǎn)數(shù)；雜質(zhì)離子濃度遠(yuǎn)小于晶格格點(diǎn)數(shù)；雜質(zhì)離子的活化能小于熱缺陷移動的活化能；雜質(zhì)離子的活化能小于熱缺陷移動的活化能；離子晶體的電導(dǎo)主要為雜質(zhì)電導(dǎo)。離子晶體的電導(dǎo)主要為雜質(zhì)電導(dǎo)。16 三離子遷移率三離子遷移率 離子電導(dǎo)的微觀機(jī)構(gòu)為載流子離子電導(dǎo)的微觀機(jī)構(gòu)為載流子-離子的擴(kuò)散。離子的擴(kuò)散。這種擴(kuò)散過程就構(gòu)成了宏觀的離子這種擴(kuò)散過程就構(gòu)成了宏觀的離子“遷移遷移”。在一般的電場強(qiáng)度下，間隙在一般的電場強(qiáng)度下，間隙離子單從電場中獲得的能量離子單從

10、電場中獲得的能量不足以克服勢壘不足以克服勢壘U0進(jìn)行躍遷，進(jìn)行躍遷，因而熱運(yùn)動能是間隙離子遷因而熱運(yùn)動能是間隙離子遷移所需要能量的主要來源。移所需要能量的主要來源。通常熱運(yùn)動平均能量仍比通常熱運(yùn)動平均能量仍比U0小許多小許多(相應(yīng)于相應(yīng)于1ev的溫度為的溫度為104K) 。 根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，單位時(shí)間沿某一方向躍遷的根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，單位時(shí)間沿某一方向躍遷的次數(shù)為次數(shù)為式中式中0為間隙離子在半穩(wěn)定位置上振動的頻率。為間隙離子在半穩(wěn)定位置上振動的頻率。1.無外加電場時(shí)無外加電場時(shí) 間隙離子在晶體中各方向的間隙離子在晶體中各方向的“遷移遷移”次數(shù)都相同，宏觀次數(shù)都相同，宏觀上無電荷定向運(yùn)動

11、，故介質(zhì)中無電導(dǎo)現(xiàn)象。上無電荷定向運(yùn)動，故介質(zhì)中無電導(dǎo)現(xiàn)象。 2.有外加電場時(shí)有外加電場時(shí)由于電場力的作用，晶體中間隙離子的勢壘不再對稱，由于電場力的作用，晶體中間隙離子的勢壘不再對稱，如圖，對于正離子，受電場力作用，如圖，對于正離子，受電場力作用，F(xiàn)=qE，F(xiàn)與與E同同方向，因而正離子順電場方向方向，因而正離子順電場方向“遷移遷移”容易，反電場方容易，反電場方向向“遷移遷移”困難。困難。 設(shè)電場設(shè)電場E在在2距離上距離上(為相鄰半穩(wěn)定位置間的距離為相鄰半穩(wěn)定位置間的距離)造成的位勢差造成的位勢差U=F2=qE2。則。則 順電場方向填隙離子單位時(shí)間內(nèi)躍遷的次數(shù)為順電場方向填隙離子單位時(shí)間內(nèi)躍遷

12、的次數(shù)為 逆電場方向填隙離子單位時(shí)間內(nèi)躍遷的次數(shù)為逆電場方向填隙離子單位時(shí)間內(nèi)躍遷的次數(shù)為單位時(shí)間內(nèi)每一間隙離子沿電場方向的剩余躍遷次數(shù)單位時(shí)間內(nèi)每一間隙離子沿電場方向的剩余躍遷次數(shù)應(yīng)該為應(yīng)該為 每躍遷一次的距離為每躍遷一次的距離為，所以載流子沿電場方向的，所以載流子沿電場方向的遷移速度遷移速度V可視為可視為 3.討論討論當(dāng)電場強(qiáng)度不太大時(shí)，當(dāng)電場強(qiáng)度不太大時(shí)，UkT，則指數(shù)式，則指數(shù)式exp(UkT)可展開為可展開為同理同理將以上二式以及將以上二式以及代入代入得沿電場方向上載流子的遷移速度為得沿電場方向上載流子的遷移速度為 : 故載流子沿電流方向的遷移率為故載流子沿電流方向的遷移率為 )kT

13、/Uexp(kT6qE002式中式中為相鄰半穩(wěn)定位置間的距離，等于晶格距離為相鄰半穩(wěn)定位置間的距離，等于晶格距離(cm)，0為間隙離子的振動頻率為間隙離子的振動頻率(s-1)，q為間隙離子的電荷數(shù)為間隙離子的電荷數(shù)(C)，k的數(shù)值為的數(shù)值為0.8610-4(eVK)；U0為無外電場時(shí)為無外電場時(shí)間隙離子的勢壘間隙離子的勢壘(eV)。 注意：不同類型的載流子注意：不同類型的載流子,在不同的晶體中在不同的晶體中,其擴(kuò)散時(shí)所其擴(kuò)散時(shí)所需克服的勢壘都是不同的，空位擴(kuò)散能間隙離子擴(kuò)需克服的勢壘都是不同的，空位擴(kuò)散能間隙離子擴(kuò)散能，因此堿鹵晶體的電導(dǎo)主要為空位電導(dǎo)。散能，因此堿鹵晶體的電導(dǎo)主要為空位電導(dǎo)。

14、通常離子遷移率約為通常離子遷移率約為10-13 10-16m2(sV)。四離子電導(dǎo)率四離子電導(dǎo)率 1離子電導(dǎo)的一般表達(dá)式離子電導(dǎo)的一般表達(dá)式 載流子濃度及遷移率確定以后，其電導(dǎo)率可按載流子濃度及遷移率確定以后，其電導(dǎo)率可按=nq確定。確定。1）本征電導(dǎo)率）本征電導(dǎo)率 如果本征電導(dǎo)主要由肖特基缺陷引起，其本征電導(dǎo)率如果本征電導(dǎo)主要由肖特基缺陷引起，其本征電導(dǎo)率可寫成可寫成 式中式中Ws稱為電導(dǎo)活化稱為電導(dǎo)活化能。它包括缺陷形成能。它包括缺陷形成能和遷移能。在溫度能和遷移能。在溫度不大的范圍內(nèi)，可認(rèn)不大的范圍內(nèi)，可認(rèn)為為As是常數(shù)，因而電是常數(shù)，因而電導(dǎo)率主要由指數(shù)式?jīng)Q定。導(dǎo)率主要由指數(shù)式?jīng)Q定。以

15、弗侖克爾缺陷引起的電導(dǎo)率也類似。以弗侖克爾缺陷引起的電導(dǎo)率也類似。 本征離子電導(dǎo)率的一般表達(dá)式為本征離子電導(dǎo)率的一般表達(dá)式為式中式中B1=W/k，A1為常數(shù)。為常數(shù)。 2）當(dāng)存在雜質(zhì)離子時(shí)）當(dāng)存在雜質(zhì)離子時(shí)雜質(zhì)離子在晶格中的存在方式，若是間隙位置，則形成雜質(zhì)離子在晶格中的存在方式，若是間隙位置，則形成間隙離子；若是置換原晶格中的離子，則間隙離子和空間隙離子；若是置換原晶格中的離子，則間隙離子和空位都可能存在。不管哪一種情況，都可以仿照上式寫出：位都可能存在。不管哪一種情況，都可以仿照上式寫出： 式中式中N2為雜質(zhì)離子濃度。為雜質(zhì)離子濃度。雖然一般雖然一般N2比比N1小得多，但因?yàn)樾〉枚?，但因?yàn)?/p>

16、B2099的導(dǎo)體稱為離子電導(dǎo)體，的導(dǎo)體稱為離子電導(dǎo)體，把把tirLi+）,在外電場作用下，一價(jià)金屬離子移動在外電場作用下，一價(jià)金屬離子移動時(shí)，時(shí)，Li+留下的空位比留下的空位比K+留下的空位小，這樣留下的空位小，這樣K+只能通只能通過本身的空位，過本身的空位，Li+進(jìn)入體積大的進(jìn)入體積大的K+空位中，產(chǎn)生壓力，空位中，產(chǎn)生壓力，不穩(wěn)定。因而也是進(jìn)入同種離子空位較穩(wěn)定，這樣互相不穩(wěn)定。因而也是進(jìn)入同種離子空位較穩(wěn)定，這樣互相干擾的結(jié)果使電導(dǎo)率大大下降。此外由于大離子干擾的結(jié)果使電導(dǎo)率大大下降。此外由于大離子K+不能進(jìn)入小空位，使通路堵塞，妨礙小離子的運(yùn)動，不能進(jìn)入小空位，使通路堵塞，妨礙小離子的

17、運(yùn)動，遷移率也降低。遷移率也降低。82 2）壓堿效應(yīng)）壓堿效應(yīng) 是指在含堿破璃中加入二價(jià)金屬氧化物，特別是重金屬是指在含堿破璃中加入二價(jià)金屬氧化物，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導(dǎo)率降低，相應(yīng)的陽離子半徑越大，氧化物，使玻璃的電導(dǎo)率降低，相應(yīng)的陽離子半徑越大，這種效應(yīng)越強(qiáng)。這種效應(yīng)越強(qiáng)。 壓堿效應(yīng)現(xiàn)象的解釋：壓堿效應(yīng)現(xiàn)象的解釋： 這是由于二價(jià)離子與玻璃中氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌這是由于二價(jià)離子與玻璃中氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以致堵住了遷移通道，使堿金屬離子入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以致堵住了遷移通道，使堿金屬離子移動困難，因而電導(dǎo)率降低。移動困難，因而電導(dǎo)率降低。83 圖為圖為0.18N

18、a2O-0.82SiO2玻璃中，各種氧化物置換玻璃中，各種氧化物置換SiO2后，共電阻率的變化情況，表明后，共電阻率的變化情況，表明CaO提高電阻提高電阻率的作用最顯著。率的作用最顯著。 第五節(jié)第五節(jié) 半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng)半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng)一一.晶界效應(yīng)晶界效應(yīng)1壓敏效應(yīng)壓敏效應(yīng)（1）壓敏效應(yīng)是指對電壓變化敏）壓敏效應(yīng)是指對電壓變化敏感的非線性電阻效應(yīng)。即在某一感的非線性電阻效應(yīng)。即在某一臨界電壓以下，電阻值非常之高，臨界電壓以下，電阻值非常之高，幾乎無電流通過；超過該臨界電幾乎無電流通過；超過該臨界電壓壓(敏感電壓敏感電壓)，電阻迅速降低，電阻迅速降低，讓電流通過。讓電流通過。 85 （2

19、）壓敏電阻器的電壓）壓敏電阻器的電壓-電流特性電流特性也就是用半導(dǎo)體做成的對電壓敏感的也就是用半導(dǎo)體做成的對電壓敏感的非線性電阻器，兩端施加電壓至某一非線性電阻器，兩端施加電壓至某一特定值時(shí)特定值時(shí),其電阻值迅速減小的效應(yīng)。其電阻值迅速減小的效應(yīng)。壓敏電阻器的電壓壓敏電阻器的電壓-電流特性可以用電流特性可以用下式近似表示為：下式近似表示為：/IV C式中，式中，I為壓敏電阻器流過的電流，為壓敏電阻器流過的電流，V為施加電壓為施加電壓,為非線為非線 性指數(shù)，性指數(shù)，C為相當(dāng)于電阻值的量，是一常數(shù)。為相當(dāng)于電阻值的量，是一常數(shù)。 壓敏特征通常由壓敏特征通常由和和C值決定。值決定。 值大于值大于1，

20、其值越大，其值越大，壓敏特性越好。壓敏特性越好。 86 由于由于C C值的測定很困難，常用在一定電流下值的測定很困難，常用在一定電流下( (通常為通常為1mA)1mA)所施所施加的電壓加的電壓VcVc來代替來代替C C值。值。VcVc定義為壓敏電阻器電壓，其值為定義為壓敏電阻器電壓，其值為厚厚1mm1mm試樣流過試樣流過1mA1mA電流的電壓值。因此壓敏電阻器特性可以電流的電壓值。因此壓敏電阻器特性可以用用VcVc和和來表示。來表示。 （3）壓敏電阻器的種類和制備工藝）壓敏電阻器的種類和制備工藝1）種類）種類 壓敏電阻器的種類很多，主要有：壓敏電阻器的種類很多，主要有： ZnO壓敏電阻器、壓敏

21、電阻器、SiC、硅或鍺、鈦酸鋇、硒化鎘、硒等壓敏電阻器，、硅或鍺、鈦酸鋇、硒化鎘、硒等壓敏電阻器，其中其中ZnO壓敏電阻器較常見的一種。壓敏電阻器較常見的一種。 2）工藝）工藝 壓敏效應(yīng)是陶瓷的一種晶界效應(yīng)。因此與材料的晶體壓敏效應(yīng)是陶瓷的一種晶界效應(yīng)。因此與材料的晶體結(jié)構(gòu)，特別是晶界的微觀結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。結(jié)構(gòu)，特別是晶界的微觀結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。 以以ZnO壓敏電阻器為例，為了獲得好的壓敏特性有一個(gè)壓敏電阻器為例，為了獲得好的壓敏特性有一個(gè)重要條件：在空氣中重要條件：在空氣中(氧化氣氛下氧化氣氛下)燒成，緩慢冷卻，使燒成，緩慢冷卻，使晶界充分氧化。所得燒結(jié)體表面往往覆蓋著高電阻氧化晶界充分氧化。所得

22、燒結(jié)體表面往往覆蓋著高電阻氧化層，因此在被電極前應(yīng)將此氧化層去除。層，因此在被電極前應(yīng)將此氧化層去除。主晶相主晶相ZnO為為n型半導(dǎo)體，體積電阻率為型半導(dǎo)體，體積電阻率為510-3-2.710-2m,而晶界相則是體積電阻率為而晶界相則是體積電阻率為108m以上的以上的高電阻層，因此外加電壓幾乎都加在晶界層上。高電阻層，因此外加電壓幾乎都加在晶界層上。一般認(rèn)為一般認(rèn)為ZnO晶粒之間的富晶粒之間的富Bi層是由于分凝進(jìn)入晶界的層是由于分凝進(jìn)入晶界的吸附層，帶有負(fù)電荷，它使吸附層，帶有負(fù)電荷，它使ZnO晶粒表面處的能帶上彎。晶粒表面處的能帶上彎。形成電子勢壘。形成電子勢壘。2PTC效應(yīng)（正溫度系數(shù)效應(yīng)

23、（正溫度系數(shù)Positive Temperature Coefficient) 1)PTC現(xiàn)象現(xiàn)象 電阻率隨溫度上升發(fā)生突變，增大幾個(gè)電阻率隨溫度上升發(fā)生突變，增大幾個(gè)數(shù)量級的現(xiàn)象，為數(shù)量級的現(xiàn)象，為PTC現(xiàn)象。現(xiàn)象。BaTiO3陶瓷陶瓷2）BaTiO3陶瓷產(chǎn)生陶瓷產(chǎn)生PTC效應(yīng)的條件效應(yīng)的條件晶粒充分半導(dǎo)化晶粒充分半導(dǎo)化晶界具有適當(dāng)絕緣性晶界具有適當(dāng)絕緣性3） BaTiO3陶瓷陶瓷晶粒的半導(dǎo)化晶粒的半導(dǎo)化摻雜施主金屬離子摻雜施主金屬離子強(qiáng)制還原強(qiáng)制還原(化學(xué)計(jì)量比偏離化學(xué)計(jì)量比偏離)摻雜施主金屬離子摻雜施主金屬離子（a）價(jià)控半導(dǎo)體）價(jià)控半導(dǎo)體在高純在高純BaTiO3中，用離子半徑與中，用離子

24、半徑與Ba 2+相近而電價(jià)比相近而電價(jià)比Ba 2+ 高的金屬離子高的金屬離子(如稀土元素離子如稀土元素離子La 3+、Ce 4+、Sm 3+、 Dy 3+，Y 3+ 、Sb 3+、Bi 3+等等)置換其中置換其中的的Ba 2+離子?；蛴秒x子半徑與離子?；蛴秒x子半徑與Ti 4+相近而電價(jià)比相近而電價(jià)比Ti 4+高的金屬離子高的金屬離子(如如Nb 5+ Ta 5 +、W 6+等等)置置換其中的換其中的Ti 4+離子則可使離子則可使BaTiO3陶瓷半導(dǎo)化，形成陶瓷半導(dǎo)化，形成的半導(dǎo)體稱為價(jià)控半導(dǎo)體。的半導(dǎo)體稱為價(jià)控半導(dǎo)體。摻雜的結(jié)果使摻雜的結(jié)果使BaTiO3晶格中分別出現(xiàn)晶格中分別出現(xiàn)Me 3+ 和

25、和Me 5 + ，由于電荷中性的要求，由于電荷中性的要求， BaTiO3晶格中易變價(jià)的晶格中易變價(jià)的Ti 4+一部分變?yōu)橐徊糠肿優(yōu)門i 3+，即，即Ti 4+ e，因被，因被Ti 4+俘獲的電子俘獲的電子處于亞穩(wěn)態(tài)，在受到熱和電場能激勵(lì)時(shí)，如同半導(dǎo)體處于亞穩(wěn)態(tài)，在受到熱和電場能激勵(lì)時(shí)，如同半導(dǎo)體的施主起著載流子的作用，因而使的施主起著載流子的作用，因而使BaTiO3具有半導(dǎo)性。具有半導(dǎo)性。（2）其半導(dǎo)化的機(jī)制如下）其半導(dǎo)化的機(jī)制如下(Me x +表示金屬離子表示金屬離子4)PTC現(xiàn)象的機(jī)理現(xiàn)象的機(jī)理 Heywang理論能較好地說明理論能較好地說明PTC現(xiàn)象。圖為現(xiàn)象。圖為Heywang晶界模式

26、圖。晶界模式圖。該理論認(rèn)為該理論認(rèn)為n型半導(dǎo)體陶瓷的晶界型半導(dǎo)體陶瓷的晶界上具有表面能級，此表面能級可上具有表面能級，此表面能級可以捕獲載流子，從而在兩邊晶粒以捕獲載流子，從而在兩邊晶粒內(nèi)產(chǎn)生一層電子耗損層，形成肖內(nèi)產(chǎn)生一層電子耗損層，形成肖特基勢壘。特基勢壘。這種肖特基勢色的高度與介電常數(shù)這種肖特基勢色的高度與介電常數(shù)有關(guān)。在鐵電相范圍內(nèi)，介電系數(shù)有關(guān)。在鐵電相范圍內(nèi)，介電系數(shù)大，勢壘低。大，勢壘低。當(dāng)溫度超過居里點(diǎn)，根據(jù)居里當(dāng)溫度超過居里點(diǎn)，根據(jù)居里-外斯定律，材料的介電系外斯定律，材料的介電系數(shù)急劇減少，勢壘增高，從而引起電阻率的急劇增加。數(shù)急劇減少，勢壘增高，從而引起電阻率的急劇增加。

27、介電系數(shù)介電系數(shù)-勢壘關(guān)系式：勢壘關(guān)系式：kTe00exp0為勢壘高度，為勢壘高度，2r為勢壘厚度，為勢壘厚度，為介電系數(shù)，為介電系數(shù)，ND為為施主密度施主密度,e為電子電荷。為電子電荷。二二.半導(dǎo)體陶瓷氣敏元件半導(dǎo)體陶瓷氣敏元件 1.半導(dǎo)體陶瓷氣敏元件是一種多晶體，存在著晶粒之間的半導(dǎo)體陶瓷氣敏元件是一種多晶體，存在著晶粒之間的接觸或頸部接合。接觸或頸部接合。晶界和頸部的電導(dǎo)晶界和頸部的電導(dǎo)半導(dǎo)體接觸氣體時(shí)，因?yàn)樵诰Я１砻嫘纬煽臻g電荷層，因半導(dǎo)體接觸氣體時(shí)，因?yàn)樵诰Я１砻嫘纬煽臻g電荷層，因此兩個(gè)晶粒之間介入這個(gè)空間電荷層部分。此兩個(gè)晶粒之間介入這個(gè)空間電荷層部分。 圖中圖中(a)為晶粒相接觸

28、形成晶界。為晶粒相接觸形成晶界。當(dāng)當(dāng)n型半導(dǎo)體晶粒發(fā)生負(fù)電荷吸附時(shí)，晶粒之間便形成圖型半導(dǎo)體晶粒發(fā)生負(fù)電荷吸附時(shí)，晶粒之間便形成圖 (a)那樣的電勢壘，阻止晶粒之間的電子轉(zhuǎn)移。那樣的電勢壘，阻止晶粒之間的電子轉(zhuǎn)移。電勢壘的高度因氣體種類、濃度不同而異，從而使電導(dǎo)率電勢壘的高度因氣體種類、濃度不同而異，從而使電導(dǎo)率隨之改變。隨之改變。在空氣中，氧的負(fù)電荷吸附結(jié)果，在空氣中，氧的負(fù)電荷吸附結(jié)果，電勢壘高，電導(dǎo)率小。電勢壘高，電導(dǎo)率小。若接觸可燃?xì)怏w，則與吸附氧反若接觸可燃?xì)怏w，則與吸附氧反應(yīng)，負(fù)電荷吸附減少，電勢壘降應(yīng)，負(fù)電荷吸附減少，電勢壘降低，電導(dǎo)率增加。低，電導(dǎo)率增加。圖圖 (b)所示的所示

29、的晶粒間頸部晶粒間頸部接合厚度的接合厚度的不同，對電不同，對電導(dǎo)率的影響導(dǎo)率的影響也不盡相同。也不盡相同。若頸部厚度小于空間電荷層的厚度，如若頸部厚度小于空間電荷層的厚度，如圖圖 (b)中（中（1）的情況，整個(gè)頸部厚度都）的情況，整個(gè)頸部厚度都直接參與和吸附氣體之間的電子平衡，直接參與和吸附氣體之間的電子平衡，因而表現(xiàn)出吸附氣體對頸部電導(dǎo)率較強(qiáng)因而表現(xiàn)出吸附氣體對頸部電導(dǎo)率較強(qiáng)的影響，即電導(dǎo)率變化最大。的影響，即電導(dǎo)率變化最大。若頸部厚度很大，如圖若頸部厚度很大，如圖（b)中中(2)的情況的情況,吸附吸附氣體和半導(dǎo)體之間的電氣體和半導(dǎo)體之間的電子轉(zhuǎn)移僅僅發(fā)生在相當(dāng)子轉(zhuǎn)移僅僅發(fā)生在相當(dāng)于空間電荷

30、層的表面層于空間電荷層的表面層內(nèi)，不影響內(nèi)部的能帶內(nèi)，不影響內(nèi)部的能帶構(gòu)造。構(gòu)造。2、吸附氣體與材料電導(dǎo)率的關(guān)系、吸附氣體與材料電導(dǎo)率的關(guān)系氣敏陶瓷的工作原理基于元件表面的氣體吸附和隨之產(chǎn)生氣敏陶瓷的工作原理基于元件表面的氣體吸附和隨之產(chǎn)生的元件電導(dǎo)率的變化的元件電導(dǎo)率的變化。吸吸附附吸附熱低，可以是多分子層吸附，無選吸附熱低，可以是多分子層吸附，無選擇性擇性吸附熱高，只能是單分子吸附，有選擇吸附熱高，只能是單分子吸附，有選擇性。性。物理物理吸附吸附化學(xué)化學(xué)吸附吸附 吸附吸附氣體氣體氧化性氧化性(或或電子受容電子受容性性)氣體氣體具有陰離子吸附性質(zhì)的氣體具有陰離子吸附性質(zhì)的氣體還原性還原性(或

31、或電子供出電子供出性性)氣體氣體具有陽離子吸附性質(zhì)的氣體具有陽離子吸附性質(zhì)的氣體若元件材料的功函數(shù)大于被吸附氣體的離若元件材料的功函數(shù)大于被吸附氣體的離子化能量，被吸氣體將把電子給予元件而子化能量，被吸氣體將把電子給予元件而以陽離子形式吸附。以陽離子形式吸附。若元件材料的功函數(shù)比被吸附氣體分子的若元件材料的功函數(shù)比被吸附氣體分子的電子親和力小時(shí)，則被吸氣體分子就會從電子親和力小時(shí)，則被吸氣體分子就會從元件表面奪取電子而以陰離子形式吸附。元件表面奪取電子而以陰離子形式吸附。O2、NOxH2、CO、乙醇、乙醇電導(dǎo)率降低電導(dǎo)率降低載流子數(shù)目減少載流子數(shù)目減少氧化性氣體吸附于氧化性氣體吸附于n型半導(dǎo)體

32、型半導(dǎo)體還原性氣體吸附于還原性氣體吸附于p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大電導(dǎo)率增大載流子數(shù)目增加載流子數(shù)目增加還原性氣體吸附于還原性氣體吸附于n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體氧化性氣體吸附氧化性氣體吸附p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體3.氣敏原理氣敏原理能級生成理論能級生成理論接觸粒界位壘理論接觸粒界位壘理論表面電荷層理論表面電荷層理論整體原子價(jià)控制理論整體原子價(jià)控制理論能級生成理淪能級生成理淪SnO2和和ZnO等等n型半導(dǎo)體表面，當(dāng)吸附還原性氣體時(shí)，型半導(dǎo)體表面，當(dāng)吸附還原性氣體時(shí)，此還原性氣體就把其電子給予半導(dǎo)體，而以正電荷與此還原性氣體就把其電子給予半導(dǎo)體，而以正電荷與半導(dǎo)體相吸著。進(jìn)入到半導(dǎo)體相吸著。進(jìn)入到n型半導(dǎo)體

33、內(nèi)的電子，束縛少數(shù)型半導(dǎo)體內(nèi)的電子，束縛少數(shù) 載流子空穴，載流子空穴， 使空穴與電子的復(fù)合率降低。使空穴與電子的復(fù)合率降低。 這實(shí)際這實(shí)際上是加強(qiáng)了自由電子形成電流的能力，上是加強(qiáng)了自由電子形成電流的能力， 因而元件的電因而元件的電阻值減小。與此相反，若阻值減小。與此相反，若n型半導(dǎo)體元件吸附氧化性型半導(dǎo)體元件吸附氧化性氣體，氣體將以負(fù)離子形式吸著，而將其空穴給予半氣體，氣體將以負(fù)離子形式吸著，而將其空穴給予半導(dǎo)體，結(jié)果是使導(dǎo)帶電子數(shù)目減少，而使元件電阻值導(dǎo)體，結(jié)果是使導(dǎo)帶電子數(shù)目減少，而使元件電阻值增加。增加。接觸粒界位壘理論接觸粒界位壘理論當(dāng)晶粒接觸面吸附可以吸收電子的氣體時(shí)當(dāng)晶粒接觸面吸

34、附可以吸收電子的氣體時(shí)(氧化性氣體氧化性氣體)，位壘更加增高；當(dāng)吸附可以供出電子的氣體位壘更加增高；當(dāng)吸附可以供出電子的氣體(還原性氣體還原性氣體)時(shí)，位壘時(shí)，位壘 變低變低(見圖見圖b)。接觸位壘中尚有與氣體吸附關(guān)系不大的一部分，這一部分接觸位壘中尚有與氣體吸附關(guān)系不大的一部分，這一部分的位壘不因氣體吸著而產(chǎn)生明顯變化的位壘不因氣體吸著而產(chǎn)生明顯變化(見見c)。位壘高度的變化可以認(rèn)為是元件電阻變化的機(jī)理。位壘高度的變化可以認(rèn)為是元件電阻變化的機(jī)理。三、西貝克效應(yīng)（溫差電動勢效應(yīng)）三、西貝克效應(yīng)（溫差電動勢效應(yīng)）1.概念概念半導(dǎo)體材料的兩端如果有溫度差，那么較高的溫度區(qū)半導(dǎo)體材料的兩端如果有溫

35、度差，那么較高的溫度區(qū)有更多的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中去，但熱電子趨向于擴(kuò)有更多的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中去，但熱電子趨向于擴(kuò)散到較冷的區(qū)域。當(dāng)這兩種效應(yīng)引起的化學(xué)勢梯度和散到較冷的區(qū)域。當(dāng)這兩種效應(yīng)引起的化學(xué)勢梯度和電場強(qiáng)度相等且方向相反時(shí)，就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。多數(shù)電場強(qiáng)度相等且方向相反時(shí)，就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。多數(shù)載流子擴(kuò)散到冷端，產(chǎn)生載流子擴(kuò)散到冷端，產(chǎn)生V/T，結(jié)果在半導(dǎo)體兩，結(jié)果在半導(dǎo)體兩端就產(chǎn)生溫差電動勢。這種現(xiàn)象稱為溫差電動勢效應(yīng)。端就產(chǎn)生溫差電動勢。這種現(xiàn)象稱為溫差電動勢效應(yīng)。106 2.溫差電動勢系數(shù)溫差電動勢系數(shù)溫差電動勢系數(shù)溫差電動勢系數(shù)定義為：定義為：式中式中Vh-Vc為半導(dǎo)體高溫區(qū)和為半導(dǎo)

36、體高溫區(qū)和低溫區(qū)之間的電位差低溫區(qū)之間的電位差(V)（Th-Tc）為溫度差）為溫度差(K)溫差電動勢系數(shù)的符號同載流子帶電符號一致，因此溫差電動勢系數(shù)的符號同載流子帶電符號一致，因此測量測量還可以判斷半導(dǎo)體是還可以判斷半導(dǎo)體是p型還是型還是n型。型。107 3.溫差電動勢系數(shù)溫差電動勢系數(shù)與載流子濃度與載流子濃度當(dāng)半導(dǎo)體中存在一種類型的載流子當(dāng)半導(dǎo)體中存在一種類型的載流子(電子或空穴電子或空穴)，其，其濃度分布規(guī)律近似于玻爾茲曼函數(shù)分布時(shí)濃度分布規(guī)律近似于玻爾茲曼函數(shù)分布時(shí), 可表達(dá)為可表達(dá)為NV為狀態(tài)密度為狀態(tài)密度A為能量輸出項(xiàng)，是一常數(shù)為能量輸出項(xiàng)，是一常數(shù)ni為載流子電子或空穴的濃度為載

37、流子電子或空穴的濃度四、四、p-n結(jié)結(jié) 半導(dǎo)體中電子和空穴的數(shù)目分別決定于費(fèi)米能級與導(dǎo)半導(dǎo)體中電子和空穴的數(shù)目分別決定于費(fèi)米能級與導(dǎo)帶底和滿帶頂?shù)木嚯x。帶底和滿帶頂?shù)木嚯x。n型半導(dǎo)體在雜質(zhì)激發(fā)的范圍，電子數(shù)遠(yuǎn)多于型半導(dǎo)體在雜質(zhì)激發(fā)的范圍，電子數(shù)遠(yuǎn)多于空穴，因此空穴，因此EF應(yīng)在禁帶的上半部，接近導(dǎo)帶應(yīng)在禁帶的上半部，接近導(dǎo)帶p型半導(dǎo)體空穴遠(yuǎn)多于電子，型半導(dǎo)體空穴遠(yuǎn)多于電子， EF將在禁帶將在禁帶下部，接近于滿帶。下部，接近于滿帶。109 當(dāng)當(dāng)n型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體相接觸時(shí)，或半導(dǎo)體內(nèi)一部分型半導(dǎo)體相接觸時(shí)，或半導(dǎo)體內(nèi)一部分為為n型，另一部分為型，另一部分為p型時(shí)，由于型時(shí)，由于n型和

38、型和p型費(fèi)米能級不型費(fèi)米能級不同，因而引起電子的流動，在接觸面兩側(cè)形成正負(fù)電同，因而引起電子的流動，在接觸面兩側(cè)形成正負(fù)電荷積累，產(chǎn)生一定的接觸電勢差。這種情況在能帶圖荷積累，產(chǎn)生一定的接觸電勢差。這種情況在能帶圖中的反映如圖所示。中的反映如圖所示。110 接觸電勢差使接觸電勢差使p型相對于型相對于n型帶負(fù)的電勢型帶負(fù)的電勢-Vd，在在p區(qū)電區(qū)電子靜電勢能提高子靜電勢能提高e Vd ，表現(xiàn)在，表現(xiàn)在p區(qū)整個(gè)電子能級向上區(qū)整個(gè)電子能級向上移動移動e Vd ，恰好補(bǔ)償，恰好補(bǔ)償EF原來的差別原來的差別 e Vd = (EF)n - (EF)p 即即使兩邊使兩邊EF拉平拉平這種狀態(tài)為熱平衡狀態(tài)。能帶

39、彎曲處相當(dāng)于這種狀態(tài)為熱平衡狀態(tài)。能帶彎曲處相當(dāng)于p-n結(jié)的結(jié)的空間電荷區(qū)。其中存在強(qiáng)的電場，對空間電荷區(qū)。其中存在強(qiáng)的電場，對n區(qū)電子或區(qū)電子或p區(qū)區(qū)空穴來說，都是高度為空穴來說，都是高度為e Vd的一個(gè)勢壘。的一個(gè)勢壘。第六節(jié)第六節(jié) 超導(dǎo)體超導(dǎo)體 一、超導(dǎo)體一、超導(dǎo)體 超導(dǎo)體超導(dǎo)體(Superconductor)， 是指當(dāng)某種物質(zhì)冷卻到低溫時(shí)是指當(dāng)某種物質(zhì)冷卻到低溫時(shí)電阻突然變?yōu)榱?，同時(shí)物質(zhì)電阻突然變?yōu)榱?，同時(shí)物質(zhì) 內(nèi)部失去磁通成為完全抗磁性內(nèi)部失去磁通成為完全抗磁性的物質(zhì)的物質(zhì)。物質(zhì)由常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱其為超導(dǎo)臨界溫度物質(zhì)由常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱其為超導(dǎo)臨界溫度(Critical

40、 temperature of superconductor) 用用Tc表示。表示。判斷材料判斷材料是否具有是否具有超導(dǎo)性，超導(dǎo)性，有兩個(gè)基有兩個(gè)基本的特征本的特征超導(dǎo)電性超導(dǎo)電性指材料在低溫下失指材料在低溫下失去電阻的性質(zhì)去電阻的性質(zhì)完全抗磁性完全抗磁性指超導(dǎo)體處于外界磁指超導(dǎo)體處于外界磁場中，磁力線無法穿場中，磁力線無法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通透，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通為零。為零。超導(dǎo)體呈現(xiàn)的超導(dǎo)現(xiàn)象取決于溫度、磁場、電流密度超導(dǎo)體呈現(xiàn)的超導(dǎo)現(xiàn)象取決于溫度、磁場、電流密度的大小，這些條件的上限分的大小，這些條件的上限分 別稱為臨界溫度別稱為臨界溫度(Tc)、臨界磁場臨界磁場(Hc)、臨界電流密度、臨界

41、電流密度(Ic，)。從超導(dǎo)材料。從超導(dǎo)材料的實(shí)用化來看，歸根結(jié)蒂，最重要的是如何提高的實(shí)用化來看，歸根結(jié)蒂，最重要的是如何提高這三個(gè)物理特性。這三個(gè)物理特性。二二. 超導(dǎo)電性及其物理原理超導(dǎo)電性及其物理原理 超電導(dǎo)材料處于超導(dǎo)電態(tài)時(shí)具有兩個(gè)完全獨(dú)立的基本超電導(dǎo)材料處于超導(dǎo)電態(tài)時(shí)具有兩個(gè)完全獨(dú)立的基本性質(zhì)性質(zhì)零電阻性和完全抗磁性。零電阻性和完全抗磁性。1.零電阻性質(zhì)零電阻性質(zhì)首先是由于晶格的熱運(yùn)動；使之繞各自的平橫位置振動，首先是由于晶格的熱運(yùn)動；使之繞各自的平橫位置振動，破壞周期性；其次是由于缺陷（正離子站錯(cuò)位置）和雜破壞周期性；其次是由于缺陷（正離子站錯(cuò)位置）和雜質(zhì)的存在，破壞其周期性。質(zhì)的

42、存在，破壞其周期性。在低溫時(shí)，電阻率可表示為在低溫時(shí)，電阻率可表示為50ATA 為常量（只隨材料而異），為常量（只隨材料而異），T是是絕對溫度，絕對溫度，0來自晶格的缺陷和來自晶格的缺陷和雜質(zhì)，雜質(zhì)， AT5來自晶格的熱運(yùn)動。來自晶格的熱運(yùn)動。按照理論，當(dāng)材料的溫度降至臨界溫度按照理論，當(dāng)材料的溫度降至臨界溫度 時(shí)，金屬中，時(shí)，金屬中，兩個(gè)動量等值反向的電子束縛在一起形成所謂庫柏兩個(gè)動量等值反向的電子束縛在一起形成所謂庫柏對，庫柏對的總動量為零。如果它們之中一個(gè)與晶對，庫柏對的總動量為零。如果它們之中一個(gè)與晶格碰撞失去動量格碰撞失去動量Pi ，另一個(gè)必同時(shí)獲得動量，另一個(gè)必同時(shí)獲得動量Pi ，

43、使，使總動量保持為零，即質(zhì)心不動。當(dāng)外加電場時(shí)，庫總動量保持為零，即質(zhì)心不動。當(dāng)外加電場時(shí)，庫柏對質(zhì)心獲得動量柏對質(zhì)心獲得動量 ，并作定向運(yùn)動，形成電流。同，并作定向運(yùn)動，形成電流。同樣理由，庫柏對電子與晶格碰撞不改變質(zhì)心動量，樣理由，庫柏對電子與晶格碰撞不改變質(zhì)心動量，這仍等價(jià)于電阻為零。應(yīng)該指出，所謂零電阻并非這仍等價(jià)于電阻為零。應(yīng)該指出，所謂零電阻并非絕對為絕對為“零零 ”，而只是指在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下的最小，而只是指在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下的最小可測電阻率的可測電阻率的 1/106 （百萬分之一），這個(gè)數(shù)字很（百萬分之一），這個(gè)數(shù)字很小，不妨說是零。小，不妨說是零。2 完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）

44、完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）超導(dǎo)態(tài)樣品的完全抗磁性是邁斯納發(fā)現(xiàn)的所以又稱為邁超導(dǎo)態(tài)樣品的完全抗磁性是邁斯納發(fā)現(xiàn)的所以又稱為邁斯納效應(yīng)，他指磁場不能進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)部斯納效應(yīng)，他指磁場不能進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)部.物理機(jī)制是：當(dāng)把超導(dǎo)體放進(jìn)磁場中時(shí)，由于電感應(yīng)作物理機(jī)制是：當(dāng)把超導(dǎo)體放進(jìn)磁場中時(shí)，由于電感應(yīng)作用，在超導(dǎo)體表面形成感應(yīng)電流用，在超導(dǎo)體表面形成感應(yīng)電流I（永久電流），在超（永久電流），在超導(dǎo)體內(nèi)部，感應(yīng)電流導(dǎo)體內(nèi)部，感應(yīng)電流I（又稱抗磁）激發(fā)的磁場和外磁（又稱抗磁）激發(fā)的磁場和外磁場等值反向，相互抵消。場等值反向，相互抵消。圖給出放進(jìn)磁場圖給出放進(jìn)磁場中的超導(dǎo)體球體中的超導(dǎo)體球體的磁感應(yīng)分布情的磁感應(yīng)分布

45、情況況1超導(dǎo)磁體超導(dǎo)磁體超導(dǎo)磁體不需水冷卻，耗電極小，幾萬高斯的磁體只超導(dǎo)磁體不需水冷卻，耗電極小，幾萬高斯的磁體只需功率幾百瓦。需功率幾百瓦。5萬高斯的銅線圈磁體重達(dá)萬高斯的銅線圈磁體重達(dá)20噸，而噸，而超導(dǎo)磁體只有幾百公斤。現(xiàn)世界上已制成的超導(dǎo)磁超導(dǎo)磁體只有幾百公斤?，F(xiàn)世界上已制成的超導(dǎo)磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度已達(dá)體磁感應(yīng)強(qiáng)度已達(dá)17萬高斯，正在研制，萬高斯，正在研制，2030萬萬高斯的超導(dǎo)磁體。此外，超導(dǎo)磁體的時(shí)間穩(wěn)定性、空高斯的超導(dǎo)磁體。此外，超導(dǎo)磁體的時(shí)間穩(wěn)定性、空間均勻性和磁場梯度都比通常的磁體高很多。間均勻性和磁場梯度都比通常的磁體高很多。 2超導(dǎo)電機(jī)超導(dǎo)電機(jī)超導(dǎo)線載流能力可達(dá)工超導(dǎo)線載流

46、能力可達(dá)工104安培厘米安培厘米2，故超導(dǎo)電機(jī)的，故超導(dǎo)電機(jī)的輸出功率可以大大提高，高達(dá)輸出功率可以大大提高，高達(dá)102103倍。倍。由于超導(dǎo)電機(jī)由于超導(dǎo)電機(jī)(包括電動機(jī)包括電動機(jī))具有輸出功率高，重量輕、具有輸出功率高，重量輕、體積小，耗損小等優(yōu)點(diǎn)，對航海、航空是更為理想的、體積小，耗損小等優(yōu)點(diǎn)，對航海、航空是更為理想的、動力設(shè)備。動力設(shè)備。3. 超導(dǎo)電纜超導(dǎo)電纜4超導(dǎo)儲能超導(dǎo)儲能有人將一個(gè)圓環(huán)置于磁場中，降溫至圓環(huán)材料的臨界有人將一個(gè)圓環(huán)置于磁場中，降溫至圓環(huán)材料的臨界溫度下，撤去磁場，由于電磁感應(yīng)，圓環(huán)中便有感生溫度下，撤去磁場，由于電磁感應(yīng)，圓環(huán)中便有感生電流產(chǎn)只要溫度仍保持臨界溫度以下，電流便會持續(xù)電流產(chǎn)只要溫度仍保持臨界溫度以下，電流便會持續(xù)下去，一點(diǎn)也不衰減，經(jīng)過下去，一點(diǎn)也不衰減，經(jīng)過2年半這電流還是絲毫不年半這電流還是絲毫不衰減。顯然，這是衰減。顯然，這是種理想的儲能裝置，稱超導(dǎo)儲能種理想的儲能裝置，稱超導(dǎo)儲能超導(dǎo)儲能的優(yōu)點(diǎn)很多，主要有功率大，重量輕，體積超導(dǎo)儲能的優(yōu)點(diǎn)很多，主要有功率大，重量輕，體積小，損耗小，反應(yīng)快等等。小，損耗小，反應(yīng)快等等。5.磁懸浮列車磁懸浮列車磁懸浮列車的