第2-1講 電性ppt課件

1、第二章第二章安徽工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院安徽工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院2022年年2月月5日日第二章 材料的電學(xué)性能本章的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容電導(dǎo)的物理現(xiàn)象和基本概念電導(dǎo)的物理現(xiàn)象和基本概念 電子電導(dǎo)電子電導(dǎo)離子電導(dǎo)離子電導(dǎo) 電導(dǎo)的應(yīng)用電導(dǎo)的應(yīng)用超導(dǎo)體簡介超導(dǎo)體簡介概概 述述材料的導(dǎo)電性能與導(dǎo)電材料材料的導(dǎo)電性能與導(dǎo)電材料“信息化時代信息化時代: : 半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路、電信。半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路、電信?！半姎饣瘯r代：大功率發(fā)電機、變壓器、電能。電氣化時代：大功率發(fā)電機、變壓器、電能。電子材料電子材料: : 光電材料、熱電材料、壓電材料、磁電材料光電材料、熱電材料、壓電材料、磁電材料. .導(dǎo)電材料：電阻和電

2、熱材料、發(fā)電機、變壓器導(dǎo)電材料：電阻和電熱材料、發(fā)電機、變壓器.半導(dǎo)體材料：大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體材料：大規(guī)模集成電路、 磁電子和光電子技術(shù)磁電子和光電子技術(shù)蘇州金杰電子有限公司產(chǎn)品目錄產(chǎn)品目錄: 泡棉材料泡棉材料, 導(dǎo)電絕緣材料導(dǎo)電絕緣材料, EMI電磁屏蔽材料電磁屏蔽材料EMI電磁屏蔽材料導(dǎo)電材料的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)背景導(dǎo)電材料的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)背景 專業(yè)從事：導(dǎo)電粉、導(dǎo)電填料、導(dǎo)電顏料、導(dǎo)電助劑及導(dǎo)電材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。 中心提供：導(dǎo)電云母粉，導(dǎo)電鈦白粉(二氧化鈦），導(dǎo)電硫酸鋇，導(dǎo)電ATO粉，導(dǎo)電聚苯胺，導(dǎo)電石墨粉，導(dǎo)電碳黑，導(dǎo)電碳纖維，導(dǎo)電銀粉，銀包銅粉，導(dǎo)電玻璃粉，導(dǎo)電鎳粉，導(dǎo)電銅粉等各種導(dǎo)電

3、粉末| 公司簡介 | 產(chǎn)品展示 | 公司新聞 | 技術(shù)服務(wù) | 業(yè)界知識 | 在線訂購 | 人才招聘 | 關(guān)于我們 | 網(wǎng)站管理 |青島日能電子部品有限公司青島日能電子部品有限公司n主營產(chǎn)品主營產(chǎn)品 n 溫度保險絲，溫度保險管，溫度保險絲，溫度保險管，熱熔斷器，熱熔斷體，熱保熱熔斷器，熱熔斷體，熱保護器護器n 電熱材料與電熱元電熱材料與電熱元件件 發(fā)布企業(yè)：鎮(zhèn)江發(fā)布企業(yè)：鎮(zhèn)江美寶電子美寶電子 鎮(zhèn)江美寶電子鎮(zhèn)江美寶電子n電熱材料與電熱元件電熱材料與電熱元件深圳深圳市大市大鼎實鼎實業(yè)有業(yè)有限公限公司司東莞市長安精安薄膜材料有限公司東莞市長安精安薄膜材料有限公司PETPET薄膜薄膜: : 具有柔性的

4、絕緣材料層和導(dǎo)電材料。具有柔性的絕緣材料層和導(dǎo)電材料。特點：良好的印刷適應(yīng)性、與油墨附著力高。特點：良好的印刷適應(yīng)性、與油墨附著力高。用途：柔性線路板印刷、薄膜開關(guān)印刷、粘膠。用途：柔性線路板印刷、薄膜開關(guān)印刷、粘膠。反光印刷膜電器絕緣膜防刮花PET膜香港功能陶瓷有限公司:壓電陶瓷是含高智能的新型功能電子材料，北京石晶光電科技股份有限公司北京石晶光電科技股份有限公司年產(chǎn)240噸壓電石英晶體和光學(xué)石英晶體的原晶生產(chǎn)線年產(chǎn)2400萬只49/S、剪腿的SMD型壓電石英晶體諧振器生產(chǎn)線年產(chǎn)12000萬片厚度片生產(chǎn)線；中山市駿展光電材料有限公司中山市駿展光電材料有限公司年產(chǎn)19200萬片石英晶體頻率片生

5、產(chǎn)線； 深圳市愛彼斯通半導(dǎo)體材料有限公司深圳市愛彼斯通半導(dǎo)體材料有限公司n質(zhì)量管理工程師QAEn.n質(zhì)量檢驗QC）n研磨/拋光/工程師助工.n質(zhì)量管理工程師QAEn.n性別:不限n學(xué)歷:本科n工作地點n月薪n發(fā)布日期n截止日期2019-04-24歐姆定律示意圖歐姆定律示意圖電導(dǎo)的物理現(xiàn)象電導(dǎo)的物理現(xiàn)象: :電子電導(dǎo)電子電導(dǎo)離子電導(dǎo)離子電導(dǎo)VIsl在室溫下測量電導(dǎo)率常采用簡單的四探針法在室溫下測量電導(dǎo)率常采用簡單的四探針法)1111(2322131llllllVI(1) (1) 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 沿試樣沿試樣x x軸方向通入電流軸方向通入電流I I電流效應(yīng)電流效應(yīng)JxJx），），Z Z軸方向加一

6、磁場軸方向加一磁場HzHz，那么在，那么在y y軸方向?qū)a(chǎn)生一軸方向?qū)a(chǎn)生一電場電場EyEy，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)可檢查材料是否存在電子電導(dǎo)。應(yīng)可檢查材料是否存在電子電導(dǎo)。 (2) (2) 電解效應(yīng)電解效應(yīng) 離子電導(dǎo)的特征是存在電解效應(yīng)。離子的遷離子電導(dǎo)的特征是存在電解效應(yīng)。離子的遷移伴隨著一定的質(zhì)量變化，離子在電極附近發(fā)移伴隨著一定的質(zhì)量變化，離子在電極附近發(fā)生電子得失，產(chǎn)生新的物質(zhì)，這就是電解現(xiàn)象。生電子得失，產(chǎn)生新的物質(zhì)，這就是電解現(xiàn)象。 可以檢驗陶瓷材料是否存在離子電導(dǎo)，并且可以檢驗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

7、負離子。可以判定載流子是正離子還是負離子。載流子的物理特征載流子的物理特征zxHyHJRE enRiH1iienHHR霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)電導(dǎo)率電導(dǎo)率霍爾遷移率霍爾遷移率霍爾效應(yīng)可檢驗材料是否存霍爾效應(yīng)可檢驗材料是否存 在電子電導(dǎo)在電子電導(dǎo)類型類型特性及應(yīng)用特性及應(yīng)用銀離子銀離子導(dǎo)體導(dǎo)體鹵化物或其它化合物（最基本的是鹵化物或其它化合物（最基本的是AgI）。）。用銀離子導(dǎo)體制作長壽命電池，目用銀離子導(dǎo)體制作長壽命電池，目前以進入實用階段前以進入實用階段銅離子銅離子導(dǎo)體導(dǎo)體銅的價格及儲存量均優(yōu)于銀，但由于其電子導(dǎo)電成分太大，難于優(yōu)化，因此只銅的價格及儲存量均優(yōu)于銀，但由于其電子導(dǎo)電成分太大，難于優(yōu)化，

8、因此只限于作為混合型導(dǎo)體用于電池的電極。限于作為混合型導(dǎo)體用于電池的電極。鈉離子鈉離子導(dǎo)體導(dǎo)體以以Na Al2O3為主的固體電解質(zhì)。為主的固體電解質(zhì)。 Al2O3非常容易獲得。在非常容易獲得。在300度左右，度左右，材料結(jié)構(gòu)上的變化使得鈉離子較容易在某一特定結(jié)構(gòu)區(qū)域中運動。利用其離子材料結(jié)構(gòu)上的變化使得鈉離子較容易在某一特定結(jié)構(gòu)區(qū)域中運動。利用其離子傳導(dǎo)性質(zhì)大有潛力可挖。其電子導(dǎo)電率非常低，因而在儲能方面應(yīng)用是非常合傳導(dǎo)性質(zhì)大有潛力可挖。其電子導(dǎo)電率非常低，因而在儲能方面應(yīng)用是非常合適的材料。目前美日德致力于用其開發(fā)牽引動力用的高能量密度可充電電池。適的材料。目前美日德致力于用其開發(fā)牽引動力用

9、的高能量密度可充電電池。鋰離子鋰離子導(dǎo)體導(dǎo)體由于由于鋰鋰比鈉輕，而且電極電位也更負，因而用它制作電池更容易獲得高能量密比鈉輕，而且電極電位也更負，因而用它制作電池更容易獲得高能量密度和高功率密度。其結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，雖度和高功率密度。其結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，雖鋰電池已經(jīng)面世，但高性能的鋰電池仍鋰電池已經(jīng)面世，但高性能的鋰電池仍為數(shù)很少，尚需做大量的工作。為數(shù)很少，尚需做大量的工作。 氫離子氫離子導(dǎo)體導(dǎo)體用作燃料電池中的隔膜材料或用于氫離子傳感器等電化學(xué)器件中，由于它的工用作燃料電池中的隔膜材料或用于氫離子傳感器等電化學(xué)器件中，由于它的工作溫度較低（約作溫度較低（約200400度），有可能在燃料電池中取代氧

10、離子隔膜材料。度），有可能在燃料電池中取代氧離子隔膜材料。氧離子氧離子導(dǎo)體導(dǎo)體以以ZrO2、ThO2為主。常制作氧傳感器在冶金、化工、機械中廣泛用于檢測氧為主。常制作氧傳感器在冶金、化工、機械中廣泛用于檢測氧含量和控制化學(xué)反應(yīng)。含量和控制化學(xué)反應(yīng)。氟離子氟離子導(dǎo)體導(dǎo)體以以CaF2為主，為主，F(xiàn)-是最小的陰離子，易于遷移。結(jié)構(gòu)簡單，便于合成與分析，并是最小的陰離子，易于遷移。結(jié)構(gòu)簡單，便于合成與分析，并且其電子電導(dǎo)很低，是制作電池時，非常顯著的優(yōu)點，但在高溫下對電極會起且其電子電導(dǎo)很低，是制作電池時，非常顯著的優(yōu)點，但在高溫下對電極會起腐蝕作用。腐蝕作用。電導(dǎo)的基本概念電導(dǎo)的基本概念11 1cm

11、cmLSR 2A/cm EJu載流子遷移率:V) (S/ cm 2Ev2.2 電子電導(dǎo) 微觀機理純金屬: 10-8 10-7 m. 合 金 : 1 0 - 7 1 0 - 5 m .半 導(dǎo) 體 : 1 0 - 3 1 0 9 m .絕緣體: 109 m .n材料的分類材料的分類: :思索: 是什么原因?qū)е挛镔|(zhì)導(dǎo)電性能如此大的差異? 其微觀本質(zhì)是什么?v經(jīng)典自由電子模型經(jīng)典自由電子模型emeEa/eemeEmeEattattSv221 21221eemeEvmnemlne2222EJen2.2 電子導(dǎo)電機理n經(jīng)典自由電子導(dǎo)電理論：mnemlne2222金屬晶體: 局限性:離子點陣形成的均勻場 +

12、 自由電子氣不能解釋二三價金屬的導(dǎo)電性反而不能解釋二三價金屬的導(dǎo)電性反而比一價金屬還差的事實比一價金屬還差的事實. .也不能解釋超導(dǎo)性也不能解釋超導(dǎo)性. .量子自由電子理論mKEphmh222泡利不相容原理：電子具有不同能量狀態(tài)。費密能：0K 時電子具有的最高能態(tài)。量子電子論：在離子所產(chǎn)生的均勻勢場下，只有EF附近電子才參與導(dǎo)電。電子波在傳播中被離子散射，相互干涉形成電阻，散射幾率1/t。EK金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機制金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機制EK絕緣體半導(dǎo)體Eg導(dǎo)體EgE禁帶Eg允帶（價帶）允帶（導(dǎo)帶）能帶理論導(dǎo)帶：具有空能級的允帶。禁帶：能帶間的能隙所對應(yīng)的能帶。價帶：基本填滿的滿帶。Calcul

13、ated Energy Band of Ni-doped ZnO Spin-resolved DOS and Energy Band of Fe-doped ZnO-8-6-4-202468Energy (eV)AlphaBetaGFQZG計算的計算的Bcc Fe(001)能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)Fe(100)的光電子能譜的光電子能譜v量子力學(xué)理量子力學(xué)理論論22220dkEdh4eEa12222*dkEd4hm*mem*電子的有效質(zhì)量電子的有效質(zhì)量mtenef22vm m* *電子的有效質(zhì)量電子的有效質(zhì)量emm emm m*決定于電子 與晶格的相互作用強度 mtenef22v量子力學(xué)理量子力學(xué)理論論

14、散射的兩個原因散射的兩個原因1 1、晶格散射、晶格散射晶格振動引起的散射叫做晶格散射；溫度越高，晶格振動引起的散射叫做晶格散射；溫度越高，晶格振動越強對載流子的晶格散射也將增強，遷移晶格振動越強對載流子的晶格散射也將增強，遷移率降低。率降低。2 2、離子雜質(zhì)散射、離子雜質(zhì)散射離子雜質(zhì)散射離子雜質(zhì)散射 的影響與摻雜濃度有關(guān)，摻雜越的影響與摻雜濃度有關(guān)，摻雜越多，載流子和電離雜質(zhì)相遇而被散射多，載流子和電離雜質(zhì)相遇而被散射 的機會也就越多。的機會也就越多。溫度越高，散射作用越弱。高摻雜時，溫度越高，遷溫度越高，散射作用越弱。高摻雜時，溫度越高，遷移率越小。移率越小。理想晶體點陣理想晶體點陣: =0

15、 (T=0 K)實際晶體實際晶體: 電子散射和聲子散射電子散射和聲子散射+雜質(zhì)和缺陷散射雜質(zhì)和缺陷散射固溶體電阻率固溶體電阻率=基本電阻基本電阻(T)+(T)+殘余電阻率殘余電阻率(殘殘) )馬基申定律馬基申定律: =(T)+: =(T)+殘殘殘余電阻率殘余電阻率(殘殘): ): 反映金屬的純度和完整性反映金屬的純度和完整性 (300 K)/(4.2 K) (300 K)/(4.2 K)金屬及合金的電阻金屬及合金的電阻根據(jù)能帶理論，只有導(dǎo)帶中的電子根據(jù)能帶理論，只有導(dǎo)帶中的電子或價帶之間的空穴才能參與導(dǎo)電?；騼r帶之間的空穴才能參與導(dǎo)電。金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)

16、構(gòu)EfEcEDEvEfEvEcEAn型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體n型與p型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)施主能級施主能級受主能級受主能級半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)2.4 2.4 影響材料導(dǎo)電性的因素影響材料導(dǎo)電性的因素電子電導(dǎo)電子電導(dǎo): : 金屬材料電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降金屬材料電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降. .離子電導(dǎo)離子電導(dǎo): : 離子晶體型陶瓷材料電導(dǎo)率卻隨溫度離子晶體型陶瓷材料電導(dǎo)率卻隨溫度的升高而上升的升高而上升. .2.4.1 2.4.1 溫度的影響溫度的影響加熱加熱: : 使點陣熱振動加劇，出現(xiàn)相使點陣熱振動加劇，出現(xiàn)相變，回復(fù)，空位退火，再結(jié)晶

17、，合變，回復(fù)，空位退火，再結(jié)晶，合金相成分和組織的變化。電阻是這金相成分和組織的變化。電阻是這些現(xiàn)象較敏感的方法。些現(xiàn)象較敏感的方法。溫度溫度: :使離子振動加劇，散射幾率增使離子振動加劇，散射幾率增加，電子平均自由程減小。對有效加，電子平均自由程減小。對有效電子數(shù)影響不大電子數(shù)影響不大. .(1). (1). 溫度對金屬電阻的影響溫度對金屬電阻的影響一般規(guī)律：T/K22030T2T5T理想金屬晶體含有雜質(zhì)金屬含有晶體缺陷T/K本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)(2).(2).溫度對半導(dǎo)體電阻的影響溫度對半導(dǎo)體電阻的影響n傳導(dǎo)電子傳導(dǎo)電子: : 從從s-s-殼殼層向?qū)酉騞 -d -殼層過

18、渡。殼層過渡。n非線性變化：存在非線性變化：存在空穴導(dǎo)電機制，因空穴導(dǎo)電機制，因S-S-殼層基本被填滿。殼層基本被填滿。n 在在850900 850900 高溫高溫區(qū)區(qū): : 多晶型轉(zhuǎn)變來多晶型轉(zhuǎn)變來解釋。解釋。過渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變過渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變T/400800TiZr 鐵磁金屬的R-T關(guān)系反常d/dT /500T/NiPd-100RdR/dT鐵磁順磁2.4.2 2.4.2 受力情況對電阻的影響受力情況對電阻的影響1。拉應(yīng)力使點陣畸變增大，R增大。 T= 0(1+T), 02。壓應(yīng)力相反。 p= 0 (1+p), 107 ) ，選用兆歐表(粗測)，沖擊檢流計(精測)。n中阻測量(R：

19、102106) ，用萬用表，歐姆表，單電橋法(精測)。n半導(dǎo)體用直流四探針法。n金屬及合金電阻(R：10-6102) ，雙電橋或電位差計。 =RS/L雙電橋法nR1, R2, R3, R4 RX, RN, rGAR1R3R4R2RxRN電流接頭電壓接頭II1I3I2-I3r直流電位差計法GENEXRbRKRP電位差計原理圖Ex = ENRK/Rb工作電流標準化：I = EN/Rb = Ex/RK優(yōu)點：1。G為零，電源內(nèi)部和連接導(dǎo)線沒有電壓降。2。EX 由 EN 和 RK/Rb決定，EN準確而且穩(wěn)定。Ex = EN RK/RbEx的測量精度很高(0.001)電位差計的外接線路GENExRXR標R

20、X=R標UX/U標U標UX半導(dǎo)體測量方法恒流源V電位差計A樣品絕緣體電阻的測量絕緣體電阻的測量GRxVUC = U0 (1- e t/RxC)Q =UC (1- e 1/RxC )Rx = Ut/Q = Ut/Cbm2.6 電阻分析的應(yīng)用n碳鋼的回火碳鋼的回火n (110時馬氏體分解，析出時馬氏體分解，析出相；相；230 時殘余奧氏體分解都使時殘余奧氏體分解都使R下下降降)。nAl-Cu合金的時效：合金的時效：n (20低溫時效低溫時效R增高形成增高形成G.P.區(qū)；區(qū)；225高溫時效高溫時效R下降，析出了下降，析出了CuAl2相，使溶質(zhì)原子貧化。相，使溶質(zhì)原子貧化。)nCu3Au合金的有序合金

21、的有序-無序轉(zhuǎn)化無序轉(zhuǎn)化n測定固溶體溶解度曲線測定固溶體溶解度曲線研究鋁-硅-銅-鎂合金時效 /時間/分時效溫度：170160210240G。P。Z析出新相和相淬火鋼回火時電阻的變化wc1.571.220.830.58淬火溫度1050 950 780 回火溫度T / 碳鋼的回火：碳鋼的回火：110110馬氏體分解，馬氏體分解，析出析出相；相；230 230 時殘余奧氏時殘余奧氏體分解使體分解使R R下降。下降。100200Cu3AuCu3Au合金的有序合金的有序- -無序轉(zhuǎn)化無序轉(zhuǎn)化1321-室溫下無序；2-室溫下有序；3-室溫下部分有序T/100200300測定固溶體溶解度曲線測定固溶體溶解

22、度曲線MgwMn/%123淬火溫度淬火溫度/630570500400300研究銅研究銅- -鋅鋅- -硅合金馬氏體轉(zhuǎn)變硅合金馬氏體轉(zhuǎn)變熱彈馬氏體相變：形成馬氏體R升高馬氏體消失R下降RT / K復(fù)習(xí)題復(fù)習(xí)題n何謂禁帶？金屬，半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)何謂禁帶？金屬，半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)有何不同？構(gòu)有何不同？n實際晶體為何存在電阻？電子在晶體中主要實際晶體為何存在電阻？電子在晶體中主要受到哪幾種散射？受到哪幾種散射？n何謂馬基申定律？什么量可以用來評定金屬何謂馬基申定律？什么量可以用來評定金屬的電學(xué)純度？的電學(xué)純度？n材料電阻的測量方法有幾種？絕緣體，半導(dǎo)材料電阻的測量方法有幾種？絕緣體，半導(dǎo)體及金屬電阻分別采用什么方法測量？體及金屬電阻分別采用什么方法測量？超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性高溫超導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料工業(yè)技術(shù)進展超導(dǎo)材料工業(yè)技術(shù)進展一、高溫超導(dǎo)帶材一、高溫超導(dǎo)帶材二、高溫超導(dǎo)薄膜二、高溫超導(dǎo)薄膜三、高溫超導(dǎo)塊材三、高溫超導(dǎo)塊材超導(dǎo)材料工業(yè)超導(dǎo)材料工業(yè)n廠商：美國超導(dǎo)；住友電氣；德國廠商：美國超導(dǎo)；住友電氣；德國EASEAS；澳大利亞超導(dǎo)；德國澳大利亞超導(dǎo)；德國TRITHORTRITHOR。n線材基體：銀合金；銀鎂合金；銀合金線材基體：銀合金；銀鎂合金；銀合金鋼帶增強