第二章材料的電學(xué)性能

1、第二章材料的電學(xué)性能導(dǎo)電性晶體的能帶合金的導(dǎo)電性導(dǎo)電性的測量和應(yīng)用半導(dǎo)體的電學(xué)性能 絕緣體的電學(xué)性能 超導(dǎo)電性熱電性壓電性磁電性導(dǎo)電性R = rLS電阻與材料性能和的r電阻率1rs=電導(dǎo)率a = dr1rt- r0× rat =rt = r0 (1 +at)電阻溫度系數(shù)trtdtt0導(dǎo)體（純金屬10-810-7·m， 合金10-710-5·m ） 半導(dǎo)體（10-3109·m）絕緣體（>109·m）元素周期表A族，堿金屬，外殼層價數(shù)為1，其價在外加電場作用下由價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電流。因此只有那些未填滿能帶的材料才有導(dǎo)電性。A族，外殼層價數(shù)

2、為1（Rb銣，Cs銫）元素周期表貴金屬，d殼層填滿，與原子核有強交互作用，使s殼層與核作用大大減弱，其價入導(dǎo)帶，導(dǎo)電性極好。在外加電場作用下進d殼層填滿，與原子核有強交互作用，使s殼層與核作用大大減弱，其價入導(dǎo)帶，導(dǎo)電性極好。在外加電場作用下進A族，外殼層價數(shù)為2。Mg的3p能帶與3s能帶重疊，3s上的可躍遷到3p能帶上，也有較導(dǎo)電性。A族，外殼層價A族，外殼層價數(shù)為2（Sr鍶）數(shù)為3d殼層逐漸填滿過渡金屬。Fe原子形成晶體時4s能帶與3d能帶重疊。由于價的導(dǎo)電性稍差。和內(nèi)層有強的交互作用，鐵d殼層逐漸填滿過渡金屬（Sc鈧 ）元素周期表金屬的導(dǎo)電理論E經(jīng)典理論金屬晶體為正離子氣外加電場時，向遷

3、移，形成電流。定ev與正離子機械碰撞產(chǎn)生電阻在程終點獲得的定向遷移速度Ee ta度v = at =mEe tt兩次碰撞時間間隔E電場強度v = 1 v =2平均速度2mmn質(zhì)量體積數(shù)ne2 Ene2 EL電流密度J = nev =t =×v在量子理論中為n*，代表體積內(nèi)實際參加導(dǎo)電2m2m的e v L數(shù)電荷速度平均r= E2m × v = 2mv × m=電阻率表達式ne 2ne 2JLm= 1L程散射系數(shù)影響導(dǎo)電性的因素溫度升高，離子熱振動加劇，原子無序度加大，使電阻率加大rt= r0 (1 +at)散射幾率加大，a = dr1D× rtdtt冷使晶格

4、畸變，使散射幾率加大，原子間距有所改變，電阻率加大通常使電阻率降低熱處理通過晶格畸變、點缺陷、晶粒的變化影響電阻率合金的導(dǎo)電性連續(xù)固溶體，最大電阻率通常在50原子濃度處。主要是異類原子引起溶劑晶格畸變。溶質(zhì)為過渡元素時，電阻率增大更為顯著。因為溶劑的部分價會進入過渡元素未填滿的d或f層，減少了有效數(shù)。用做電熱合金和電阻合金。定律低濃度下固溶體電阻r= r(T ) + r¢ = r(T ) + cxr(T )溶劑電阻（晶格熱振動，散射），與溫度有關(guān)，絕對零度時為零。r¢ 殘余電阻（合空位、間隙原子及位錯等），與溫度無關(guān)。，低濃度下溶質(zhì)原子引起的殘余電阻與溫度無關(guān)，固溶體的電阻

5、溫度系數(shù)低于純金屬，而固溶體電阻率隨溫度變化的斜率與純金屬相同。r= r(T ) + r¢drta = dr 1d11¢×=r + r) × r + r¢ =×dtr + r¢(ttdtrdttttrd1a =×ttdtrt高濃度下，r(T )和r¢均隨溫度變化。dr¢a= dr 1drt11×=×+×dtrdtrdtrdr¢ < 0dt含有過渡金屬元素時（如加入Mn），可能出現(xiàn)錳銅精密電阻合金，具有低的電阻溫度系數(shù)。有序固溶體的導(dǎo)電性固溶體有序化使

6、點陣規(guī)律性加強，減小使導(dǎo)電性加強。散射，冷破壞固溶體的有序度，增加電阻率。電阻測量法是研究有序固溶體的有效。不均勻固溶體（K狀態(tài)）的電阻固溶體中溶劑原子的偏聚區(qū)成分波動或原子排列短程有序，故能強烈地散射回火能促使偏聚區(qū)的形成。加熱到高溫或進行強烈的冷電阻率。，使電阻率增加。，使偏聚區(qū)消失，可降低鋁銅合金。加熱到單相區(qū)固溶；淬火形成過飽和單相固溶體；加效，析出GP區(qū)、，等?？捎秒娮璺治龇ㄑ芯夸X合金的時效過程。鋁合金在180時效5秒鐘，銅原子的偏聚金屬化合物的導(dǎo)電性金屬化合物（如FeAl3,NiAl3）的導(dǎo)電性通常比其組元的導(dǎo)電性低得多，主要是金屬鍵部分地為共價鍵或離子鍵所代替?；衔铮ㄈ鏑u3Z

7、n8）主要是金屬鍵結(jié)合，導(dǎo)電性介于固溶體和金屬化合物之間。間隙相(如TiC)具有金屬鍵和的特性，導(dǎo)電性較好。多相合金的導(dǎo)電性當(dāng)合金為退火態(tài)、無織構(gòu)，且組成相的電導(dǎo)率相近時（電導(dǎo)率之比約0.751.75），雙相合金的導(dǎo)電性符合各項合金相加規(guī)律。p、q為體積百分?jǐn)?shù)。s= ps1 + qs2p + q = 1c1、c2為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。r= c1r1 + c2r2c1 + c2 = 1兩相片狀組織導(dǎo)電方向s= c1s1 + c2s2導(dǎo)電方向r= c1r1 + c2r2導(dǎo)電性的測量電橋法（單電橋，雙電橋克服附加電阻）直流電位差計測量法（消除連線電阻和接觸電阻） 半導(dǎo)體電阻的測量（四探針法）絕緣體電阻的測量

8、（電容和沖擊檢流計測量法）1、工作電流標(biāo)準(zhǔn)化（K到N）I = EN3、求待測電阻RxR =RU /Ux標(biāo) x標(biāo)Rb2、求待測電動勢（K到X）特點：消除連線電阻和接觸電阻RKE= IR = ExkNRb電阻分析的應(yīng)用合金的時效合金的有序無序轉(zhuǎn)變固溶體的溶解度淬火鋼的回火Al-Cu合金時效步驟： 1、加熱到單相區(qū)固溶2、淬水，得到過飽和固溶體3、在室溫或加熱時效：a. 析出GP區(qū)（與基體共格）b. 析出（與基體共格）c. 析出（與基體半共格）d. 析出CuAl2（與基體非共格）， 并聚集長大?；wCu含量減少，電阻下降。鋁合金在180時效5秒鐘，銅原子的偏聚25時效產(chǎn)生的GP區(qū)在215保又溶回到基

9、體中，形成均勻固溶體，電阻下降。合金的有序無序轉(zhuǎn)變（有序結(jié)構(gòu)電阻率低）測量：1、將不同成分的試樣加熱到略低于共晶（共析）轉(zhuǎn)變溫度t0，保溫足夠的時間，然后淬火得到過飽和固溶體。2、把淬火試樣加熱到低于t0的各個溫度保溫，使組織達到平衡。3、然后再淬火到室溫測量電阻率， 作出-B曲線。4、找出轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的濃度，即為各溫度下B在A中的溶解度。淬火鋼的回火1、110馬氏體分解，正方度下降，電阻率降低。含C量越高，馬氏體脫溶分解（電阻率下降）越急劇。2、230殘余奧氏體分解，基體C含量減少，電阻率下降。C原子在馬氏體點陣中的位置及分布C處于-Fe體心單胞的八面體間隙，即各棱邊和面心位置即rFe=1.2

10、41Å，rb/rFe=0.15rb=0.186Å(八面體間隙的球半徑)， 而rC=0.77Å，故C原子會引起點陣發(fā)生嚴(yán)重畸變，這就是形成正方度的。材料的疲勞過程缺陷密度增高、裂紋的形成，使試樣電阻增加。半導(dǎo)體的電學(xué)性能半導(dǎo)體中的能量狀態(tài)能帶、禁帶和導(dǎo)帶本征半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體PN結(jié)的特性由于能否由價帶躍遷到空的導(dǎo)帶中，主要取決于能隙的大小。C、Si、Ge、Sn的能隙分別為5.4eV、1.1eV、0.67eV和0.08eV。可以算得室溫（27）下上述元素中進入幾率分別為1.2x10-47、2.5x10-10、1.5x10-6和0.17。導(dǎo)帶的故石為絕緣體，錫可

11、算作導(dǎo)體，而硅、鍺即為半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體純凈的無結(jié)構(gòu)缺陷半導(dǎo)體單晶，如單晶Si。半導(dǎo)體受到熱激發(fā)，中的部分價躍遷到空帶中，形成和空穴。兩者成對出現(xiàn)。無外電場作用，和空穴無規(guī)則，不產(chǎn)生電流。加外電場， 成電流。故逆電場方向，空穴順電場方向，形和空穴統(tǒng)稱為載流子。本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能本征載流子（和空穴）濃度相等：æöEgexpç -÷2kTni = np = K1T3 / 2èø遷移率vn= mne電流密度場強vp= mpe面積的電流和空穴的平均漂移速度j = qnv電阻率和電導(dǎo)率ee1ri =jqn me+ qn meqn (m + m

12、 )inipinpæöEg1s= r= qni (mn + mp ) = s0 expç - 2kT ÷èø摻雜半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體（型半導(dǎo)體）P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素雜質(zhì)（P磷、As砷、Sb銻等），形成多能量狀態(tài)較高（ED），在常溫下能進入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中余價。該多余價濃度極大提高。五價元素稱為施主雜質(zhì)（提供多余，能大大提高能帶中的導(dǎo)致濃度）的濃度大，稱為多數(shù)載流子，N型半導(dǎo)體（多子。電流由型半導(dǎo)體）中，產(chǎn)生。本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴被復(fù)合，故空穴的數(shù)量少，稱為少子。N型半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度的變化隨溫度的增加

13、，越來越多的施主雜質(zhì)能進入導(dǎo)帶，最后直到所有雜質(zhì)全部進入導(dǎo)帶。當(dāng)達到這一溫度時，稱為施主耗盡。此時電導(dǎo)率為常數(shù)（因為溫度太低，無本征及空穴的導(dǎo)電）。通常選擇在施主耗盡即平臺溫度的范圍內(nèi)工作（本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率不易）。P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價元素雜質(zhì)（B、Al、Ga、In，形成高濃度空穴。能進入三價元素的空穴（能量狀態(tài)EA），而在價帶在常溫下價帶中的價產(chǎn)生高濃度的空穴。三價元素稱為受主雜質(zhì)（能接受價）。P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）中，空穴的濃度大，稱為多數(shù)載流子，多子。電流由空穴產(chǎn)生。本征激發(fā)產(chǎn)生的被空穴復(fù)合，故的數(shù)量少，稱為少子。PN結(jié)的產(chǎn)生及特性P區(qū)中空穴向N區(qū)擴散，在交接面的P區(qū)中只

14、留下三價摻雜負離子。 N區(qū)向P區(qū)擴散，在交接面的N區(qū)中只留下五價摻雜正離子。故在交中接面形成空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)形成由N指向P區(qū)的內(nèi)電場和內(nèi)建電位差，阻止空穴和子的擴散，最終擴散和內(nèi)電場導(dǎo)致的漂移達到動態(tài)平衡。無外加電場，PN區(qū)內(nèi)無電流。電PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷海?PN區(qū)內(nèi)建電位差減小，空穴和的擴散和漂移的平衡被打破，擴散大于漂移，產(chǎn)生P指向N的正向電流。U越大，電流越大。外加反向電壓， PN區(qū)內(nèi)建電位差增大，擴散小于漂移，以致于多子的擴散停止。另一方面少子在內(nèi)電場的作用下產(chǎn)生N指向P的反向電流，但電流極小。上述機制形成了PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴＿@是半導(dǎo)體二極管和三極管的基礎(chǔ)。超導(dǎo)電性超

15、導(dǎo)體的特性1、完全導(dǎo)電性有報導(dǎo)說用Nb0.75Zr0.25合金超導(dǎo)導(dǎo)線制成的超導(dǎo)螺線管，估計其超導(dǎo)電流衰減時間不小于10萬年。超導(dǎo)體沒有電阻，因而是等電位的，其中沒有電場。2、完全的抗磁性效應(yīng)試樣表面產(chǎn)生感應(yīng)磁場，抵消外磁場。評價超導(dǎo)材料的性能指標(biāo)：1、臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc2、臨界磁場強度Hc(T)éö2 ùæ Tç÷èc øH (T ) = H (0)ê1 -úúûccTêë兩類超導(dǎo)體超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)超導(dǎo)態(tài)時，與晶格點陣相互作用，使電子克服靜電斥力而相互吸

16、引，組成對，通過晶格的阻力為零。對超導(dǎo)態(tài)結(jié)成對時能量比正常態(tài)的兩個的能量低。溫度和磁場破壞性。對的溫度越低，超導(dǎo)體越。熱電性賽效應(yīng)賽效應(yīng)（材料不同，組成閉合回路，兩接頭溫差）a= de12e = a(T - T )熱電勢率1212dT溫差電位熱端高能擴散，結(jié)果熱端帶正電（缺少），帶負電（有富余），由熱端指的溫差電場阻止了e12的進一步擴散，最終形成的溫差電位差。= V12 (T1 ) - V12 (T2 ) + V2 (T1 ,T2 ) - V1 (T1 ,T2 )熱電偶回路的熱電勢由溫差電位差和接觸電位差E熱電偶測溫鉑銠鉑，鎳鉻鎳鋁，銅康銅e12= V12 (600) + V2 (600，2

17、5) -V1 (600,25)12對應(yīng)的溫差（575）25600（測量端溫度）1260025熱效應(yīng)熱發(fā)射機理固體受熱（W等，加熱1000以上），動能足夠大，就會溢出固體表面形成熱應(yīng)用方式加熱，形成熱電場下形成定向聚焦、調(diào)制形成發(fā)射。陽極發(fā)射陰極轟擊熒光屏形成光學(xué)圖象用于顯像管、示波器、顯微鏡等壓電性電偶極矩P（矢量）與電荷間距d及電荷量q的Pqd壓電性的本質(zhì)是晶體受力變形，導(dǎo)致正負電荷中心分離， 晶體對外顯示電偶極矩，表面出現(xiàn)束縛電荷。-q+qdP縱向壓電效應(yīng)，橫向壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)力逆壓電效應(yīng)電荷應(yīng)用：電荷力超聲發(fā)生器，度傳感器，點火器等PqdPP縱向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)磁電性普通金屬的半導(dǎo)體