第二章_材料的電學性能(二)

1、2.9 絕緣體的電學性能絕緣體的電學性能（1）電介質(zhì)按其分子中正負電荷的分布狀態(tài)可分：中性電介質(zhì)；偶極電介質(zhì)；離子型電介質(zhì)； 電介質(zhì)極化的定義：電介質(zhì)極化的定義：在電場作用下，其內(nèi)部的束縛電荷所發(fā)生的彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向（正端轉(zhuǎn)向電場負極、負端轉(zhuǎn)向電場正極）現(xiàn)象。2.9.1 2.9.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化注意：鐵電體中自發(fā)極化的產(chǎn)生是不需要外加電場誘導的，完全是由特注意：鐵電體中自發(fā)極化的產(chǎn)生是不需要外加電場誘導的，完全是由特殊晶體結(jié)構(gòu)誘發(fā)的。殊晶體結(jié)構(gòu)誘發(fā)的。 （2）介質(zhì)極化的基本形式：電子式極化；離子式極化；偶極子極化；空間電荷極化； 2.9.2 2.9.2 電介質(zhì)的介電常數(shù)電

2、介質(zhì)的介電常數(shù)dsC0CCr0r22222222121)(212121VEWVESdEdEdSUdSCUW電介質(zhì)的擊穿：當施加電介質(zhì)上的電場強度或電壓增大到一定程度時，電介質(zhì)就由介電狀態(tài)變?yōu)閷щ姞顟B(tài)。2.9.3 2.9.3 電介質(zhì)的耐電強度電介質(zhì)的耐電強度 實際上電介質(zhì)都不可能是理想的絕緣體，在外電場作用下，介質(zhì)中都會有一個很小的電流。這個電流是由電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點（正負離子和離子空位、電子和空穴等載流子）在電場作用下做定向遷移形成的，又稱為泄漏電流。載流子種類：一類是電子和空穴，另一類是可移動的正負離子和離子空位。2.9.4 2.9.4 電介質(zhì)的電導電介質(zhì)的電導 介質(zhì)損耗：電介質(zhì)在外電場作用

3、下，其內(nèi)部會有發(fā)熱現(xiàn)象，表明部分電能已轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，這種介質(zhì)內(nèi)的能量損耗。其損耗原因是電導作用和極化作用引起。2.9.5 2.9.5 電介質(zhì)的介電損耗電介質(zhì)的介電損耗2.10 超導電性2.10.1 2.10.1 超導電性的發(fā)現(xiàn)與進展超導電性的發(fā)現(xiàn)與進展什么是超導體？什么是超導體？1. 1. 零電阻零電阻 將超導體冷卻到某一臨界溫度將超導體冷卻到某一臨界溫度（T TC C）以下時電阻突然降為零的現(xiàn)）以下時電阻突然降為零的現(xiàn)象稱為象稱為超導體的零電阻現(xiàn)象超導體的零電阻現(xiàn)象。不同。不同超導體的臨界溫度各不相同。超導體的臨界溫度各不相同。19111911年昂納斯首先發(fā)現(xiàn)，汞在低于臨界年昂納斯首先發(fā)

4、現(xiàn)，汞在低于臨界溫度溫度4.15K4.15K時電阻變?yōu)榱銜r電阻變?yōu)榱恪?目前已查明在常壓下具有超導電性的元素金屬有32種（如右圖元素周期表中青色方框所示），而在高壓下或制成薄膜狀時具有超導電性的元素金屬有14種（如右圖元素周期表中綠色方框所示）。 元素的超導電性參數(shù)？元素的超導電性參數(shù)？ 超導現(xiàn)象超導現(xiàn)象首先首先是在導體中發(fā)現(xiàn)的，其轉(zhuǎn)變溫度最是在導體中發(fā)現(xiàn)的，其轉(zhuǎn)變溫度最高的是高的是NbNb3 3GeGe為為23.223.2K K。 1986 1986年貝諾茲和穆勒在對年貝諾茲和穆勒在對La-Be-Cu-OLa-Be-Cu-O系的研究中系的研究中發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象，其轉(zhuǎn)變溫度達到發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象，其

5、轉(zhuǎn)變溫度達到3535K K。 開始了新型超導體的研究熱潮，超導轉(zhuǎn)變溫度不開始了新型超導體的研究熱潮，超導轉(zhuǎn)變溫度不斷被提高。斷被提高。 Y-Be-Cu-O系（系（ 90K ）， Be-Sr-Ca-Cu-O系（系（ 110K ），），Ti-Be-Ca-Cu-O系（系（ 120K ），被稱為高溫超導體。），被稱為高溫超導體。2.10.2 2.10.2 超導體的性能超導體的性能1 1、完全的導電性、完全的導電性 昴尼斯實驗證明：昴尼斯實驗證明： 超導體在超導態(tài)時是等電位的，超導體在超導態(tài)時是等電位的，電阻為電阻為0 0。 將超導體做成環(huán)在溫度將超導體做成環(huán)在溫度TTTTC C放入磁場中，環(huán)中放入磁場

6、中，環(huán)中無電流。將溫度降到無電流。將溫度降到TcTc以下，也無電流產(chǎn)生，此時撤以下，也無電流產(chǎn)生，此時撤去磁場，環(huán)內(nèi)將有感生電流產(chǎn)生，電流不隨時間而衰去磁場，環(huán)內(nèi)將有感生電流產(chǎn)生，電流不隨時間而衰減。減。表明超導體在超導態(tài)時是等電位的，電阻為表明超導體在超導態(tài)時是等電位的，電阻為0 0。2. 2. 完全抗磁性完全抗磁性 當超導體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)后，只要周當超導體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)后，只要周圍的外加磁場沒有強到破壞超導性的程度，超導體就會把穿透圍的外加磁場沒有強到破壞超導性的程度，超導體就會把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在超導體內(nèi)永遠保持磁感應到體內(nèi)的磁力線完

7、全排斥出體外，在超導體內(nèi)永遠保持磁感應強度為零。超導體的這種特殊性質(zhì)被稱為強度為零。超導體的這種特殊性質(zhì)被稱為“邁斯納效應邁斯納效應”。 邁斯納效應與零電阻現(xiàn)象是超導體的兩個基本特性，它們既邁斯納效應與零電阻現(xiàn)象是超導體的兩個基本特性，它們既互相獨立，又密切聯(lián)系?；ハ嗒毩?，又密切聯(lián)系。 超導體的完全抗磁性機理：超導體的完全抗磁性機理： 這是由于外磁場在試樣表面感應產(chǎn)生一個感應電流，此電流由于所經(jīng)路徑電阻為零，故它所產(chǎn)生的附加磁場總是與外磁場大小相等，方向相反，因而使超導體內(nèi)的合成磁場為零。 因此感應電流能將外磁場從超導體內(nèi)擠出，故稱抗磁感應電流或屏蔽電流。2.10.3 2.10.3 超導電性的

8、影響因素和基本臨界參數(shù)超導電性的影響因素和基本臨界參數(shù) 溫度（TC）超導體必須冷卻至某一臨界溫度以下才能保持其超導性。臨界電流密度（JC）通過超導體的電流密度必須小于某一臨界電流密度才能保持超導體的超導性。臨界磁場（HC）施加給超導體的磁場必須小于某一臨界磁場才能保持超導體的超導性。以上三個參數(shù)彼此關聯(lián)，其相互關系如右圖所示。 超導材料的應用超導材料的應用超導材料最誘人的應用是發(fā)電超導材料最誘人的應用是發(fā)電、輸電和儲能。、輸電和儲能。 由于超導材料在超導狀態(tài)下由于超導材料在超導狀態(tài)下具有具有零電阻和完全的抗磁性零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就因此只需消耗極少的電能，就可以獲得可

9、以獲得1010萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強磁場。而用常規(guī)導體做磁體強磁場。而用常規(guī)導體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場，需要，要產(chǎn)生這么大的磁場，需要消耗消耗3.53.5兆瓦的電能及大量的冷兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。卻水，投資巨大。超導磁體可用于制作交流超導磁體可用于制作交流超導發(fā)電機、磁流體發(fā)電機和超導發(fā)電機、磁流體發(fā)電機和超導輸電線路等。超導輸電線路等。 2.10.4 2.10.4 超導體分類超導體分類第第II II類超導體類超導體除金屬元素釩、锝和鈮外，第II類超導體主要包括金屬化合物及其合金。第II類超導體和第I類超導體的區(qū)別主要在于：1)第II類超導體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)時

10、有一個中間態(tài)（混合態(tài)）2)第II類超導體的混合態(tài)中有磁通線存在，而第I類超導體沒有；3)第II類超導體比第I類超導體有更高的臨界磁場。第II類超導體根據(jù)其是否具有磁通釘扎中心而分為理想第II類超導體和非理想第II類超導體。理想第II類超導體的晶體結(jié)構(gòu)比較完整，不存在磁通釘扎中心，并且當磁通線均勻排列時，在磁通線周圍的渦旋電流將彼此抵消，其體內(nèi)無電流通過，從而不具有高臨界電流密度。非理想第II類超導體的晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷，并且存在磁通釘扎中心，其體內(nèi)的磁通線排列不均勻，體內(nèi)各處的渦旋電流不能完全抵消，出現(xiàn)體內(nèi)電流，從而具有高臨界電流密度。在實際上，真正適合于實際應用的超導材料是非理想第II類超導體

11、。 2.10.5 2.10.5 超導現(xiàn)象的物理本質(zhì)超導現(xiàn)象的物理本質(zhì)庫柏對的運動：庫柏對的運動： 每個電子對在運動中的總動量保持不變。表現(xiàn)每個電子對在運動中的總動量保持不變。表現(xiàn)出零電阻的特性。出零電阻的特性。2.11.1 2.11.1 金屬金屬- -金屬的接觸電效應金屬的接觸電效應 1. 1. 金屬電子的逸出功金屬電子的逸出功 金屬中自由電子逃逸出金屬表面所需要的最小能金屬中自由電子逃逸出金屬表面所需要的最小能量。用量。用表示表示2.11 接觸電性2.11 接觸電性金屬表面勢壘金屬表面勢壘 - -E E0 0電子具有的最大動能，費米能電子具有的最大動能，費米能E EF F，逸出功逸出功 =

12、= E E0 0 - E- EF F 逸出點位逸出點位 V V= = /e/e 金屬的逸出功在光電子發(fā)射，熱電子發(fā)射，溫差金屬的逸出功在光電子發(fā)射，熱電子發(fā)射，溫差電現(xiàn)象等用重要應用。電現(xiàn)象等用重要應用。2. 2. 金屬金屬- -金屬接觸（金屬接觸（MMMM結(jié)）結(jié)）2.11 接觸電性 兩個不同的金屬相互緊密接觸時，在接觸面附近兩個不同的金屬相互緊密接觸時，在接觸面附近形成的特殊區(qū)域。形成的特殊區(qū)域。電子擴散電子擴散2.11 接觸電性接觸電位差形成的原因之一：接觸電位差形成的原因之一：兩種金屬逸出功不同兩種金屬逸出功不同電子發(fā)生擴散電子發(fā)生擴散形成空間電場形成空間電場擴散和漂移相互競爭擴散和漂移

13、相互競爭達到平衡狀態(tài)達到平衡狀態(tài)形成一定的電位差形成一定的電位差電位差：電位差：V()VVe 212112.11 接觸電性接觸電位形成的原因之二：接觸電位形成的原因之二：兩種金屬的自由電子密度不同兩種金屬的自由電子密度不同電子發(fā)生擴散電子發(fā)生擴散形成空間電場形成空間電場擴散和漂移相互競爭擴散和漂移相互競爭達到平衡狀態(tài)達到平衡狀態(tài)形成一定的電位差形成一定的電位差金屬的接觸電位差為這兩個原因形成電位差的疊加。金屬的接觸電位差為這兩個原因形成電位差的疊加。2.11.2 2.11.2 金屬金屬- -半導體的接觸電效應半導體的接觸電效應 1. 1. 半導體存在表面勢半導體存在表面勢 2. 2. 金屬電子

14、的逸出功和半導體存在表面勢不同金屬電子的逸出功和半導體存在表面勢不同 3.3.金屬金屬- -半導體接觸。半導體接觸。 4.4.發(fā)生擴散發(fā)生擴散 5. 5. 在金屬和半導體間形成電位差在金屬和半導體間形成電位差N型半導體表面勢小，電子向金屬中擴散。型半導體表面勢小，電子向金屬中擴散。P型半導體表面勢大，電子向半導體中擴散。型半導體表面勢大，電子向半導體中擴散。2.11.3 P2.11.3 P型型-N-N型半導體接觸電效應（已講）型半導體接觸電效應（已講）2.11.4 2.11.4 金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導體的接觸電效應半導體的接觸電效應2.11.5 2.11.5 金屬金屬- -電介液

15、接觸電效應電介液接觸電效應2.12.1 2.12.1 第一熱電效應第一熱電效應- -塞貝克效應塞貝克效應 兩種不同的導體（或半導體）組成一個閉合回路時，若在兩接頭處存在溫度差則回路中將有電位差及電流產(chǎn)生，稱為塞貝克效應塞貝克效應。2.12 熱電性 熱端的高能電子向冷端熱擴散，在兩端分別形成異號電荷積累區(qū)，形成內(nèi)電場，當擴散和漂移平衡時，形成穩(wěn)定的電位差。溫差越高，電位差越大。不同的導體（或半導體）熱電勢率不同。2.12.2 2.12.2 第二熱電效應第二熱電效應- -玻爾帖效應玻爾帖效應 當有電流通過兩個不同導體（或半導體）組成的回路時，除產(chǎn)生不可逆的焦爾熱外，還要有兩接頭處分別出現(xiàn)吸收或放出

16、熱量Q的現(xiàn)象，Q稱為玻爾帖熱，此現(xiàn)象為玻爾帖效應，被認為是塞貝克效應的逆效應。被用于溫差制冷。2.12.3 2.12.3 第三熱電效應第三熱電效應- -湯姆遜效應湯姆遜效應 當電流通過具有一定溫度梯度的導體時，會有一橫向熱流流入或流出導體，其方向視電流的方向和溫度梯度的方向而定，此現(xiàn)象為湯姆遜效應。2.12.4 2.12.4 熱電子效應熱電子效應 固體受熱后，出現(xiàn)大量電子逸出固體進入真空，形成電子發(fā)射的熱電現(xiàn)象稱為熱電子效應。1、熱電子發(fā)射機理固體受熱，內(nèi)部自由電子的動能增加，當溫度足夠高、動能足夠大（大于逸出功），電子逸出固體表面。2、熱電子效應的應用電子管、X射線管，陰極射線管，電子顯微鏡

17、等2.13.1 2.13.1 壓電效應壓電效應定義：在某些晶體（絕緣介電材料）的一定方向上施加壓力或拉力，則在晶體的一些對應的表面上分別出現(xiàn)正、負電荷，其電荷密度與施加的外力大小成正比。力致形變產(chǎn)生電極化。晶體的非中心對稱性是產(chǎn)生壓電效應的必要條件。常見的壓電晶體： 石英晶體、鈦酸鋇、鈮酸鋰等。2.13 壓電性壓電性2.13 壓電性壓電性2.13.2 2.13.2 壓電效應的應用壓電效應的應用壓電振蕩器(石英振蕩器）超聲發(fā)射器和接收器信號處理器壓電發(fā)電機、壓電馬達2.14.1 2.14.1 熱釋電性熱釋電性定義：在某些絕緣體中，由于溫度變化而引起電極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應熱釋電效應。這

18、類材料被稱為熱電體。 熱釋電效應只發(fā)生在非中心對稱,并具有極性的晶體中。晶體內(nèi)部存在自發(fā)極化。2.14 熱釋電性熱釋電性2.14 熱釋電性熱釋電性2.14.2 2.14.2 熱釋電性的應用熱釋電性的應用紅外探測器、熱成像。2.14 熱釋電性熱釋電性2.15 鐵電性鐵電性鐵電性鐵電性 介電材料中，無外加電場時，介電材料中，無外加電場時，宏觀上并不表現(xiàn)出極化現(xiàn)象。宏觀上并不表現(xiàn)出極化現(xiàn)象。在外電場的作用下，具有電極在外電場的作用下，具有電極化滯后的現(xiàn)象（化滯后的現(xiàn)象（電滯電滯）。這類）。這類材料稱為材料稱為鐵電體鐵電體。 鐵電體由于自發(fā)極化可以在內(nèi)部形成若干均勻極化的區(qū)域，它們的極化方向不同，這些

19、區(qū)域稱為電疇電疇。晶體宏觀上不表現(xiàn)出電極性。 鐵電體的特征是具有電疇結(jié)構(gòu)的晶體，這些電疇的界面稱為“疇壁疇壁”。原因：原因：鐵電性特征鐵電性特征: :具有居里點，其自發(fā)極化能因外電場而重新取向，鐵電體只有在極化之后才能表面出熱釋電效應。鐵電體都具有熱釋電性，但與非鐵電體的熱釋電性的微觀機理不同，熱釋電系數(shù)大很多。好的熱電體都是鐵電體。一般材料因微觀結(jié)構(gòu)對稱性太低，每個晶胞會出現(xiàn)非零的自發(fā)極化極強度Ps， 并且所有晶胞的自發(fā)電偶 極矩同向排列，使宏觀極 化強度P=Ps。介電體介電體32壓電體壓電體20熱電體熱電體10鐵電體鐵電體鐵電性的晶體分類：1、以鈦酸鋇為代表的位移型鐵電體位移型鐵電體（硬鐵

20、電體），它們在降溫過程中，從順電到鐵電的轉(zhuǎn)變，是由于晶體中正離子Ba2+和Ti4+的亞點陣和負離子O2-的亞點陣發(fā)生了相對位移。2、以磷酸二氫鉀為代表的有序有序- -無序型鐵電體無序型鐵電體（軟鐵電體），它們從順電到鐵電的轉(zhuǎn)變是氫鍵的“無序-有序”的過程。2.16 光電性光電性：光電性：某些物質(zhì)（金屬和半導體）受到光照后，某些物質(zhì)（金屬和半導體）受到光照后，引起引起物質(zhì)電性物質(zhì)電性發(fā)生變化。發(fā)生變化。原因：原因： 是光子與電子相互作用的結(jié)果是光子與電子相互作用的結(jié)果。光子主要是被吸收或改變頻率和方向；電子發(fā)生能量和狀態(tài)的變化，從束縛局域的狀態(tài)轉(zhuǎn)變到比較自由的狀態(tài)，因而導致物質(zhì)電性的變化。2.1

21、6.1 2.16.1 外光電效應外光電效應 固體受光照后從表面逸出電子的現(xiàn)象稱為外光電效應或光電發(fā)射效應，逸出的電子稱為光電子。2.16 光電性 近代物理已確認了光的波粒二象性，外光電效應是光的粒子性的表面。同時愛因斯坦建立了如下公式：2021mvh應用：光電倍增管。用于探測各種高能粒子。2.16.2 2.16.2 內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應 物體受光照后無電子發(fā)射，但其電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應。 1、光電導效應 半導體受光輻射時，電導率增加而變得易于導電。 半導體受光輻射時，導帶中的自由電子極少，近似空帶，而價電子全部束縛于滿的價帶中，故電導率很小。要打破電子的

22、這種分布格局，就必須輸入能量，以破壞原子間的價鍵，將電子從價帶提升到導帶-光電導效應。應用：（1）光敏電阻（2）紅外光電導探測器（3）高速光電開關（4）光電導攝像管（5）靜電復印機的有機光電導體等光探測器。2、光生伏特效應 半導體受光輻射時產(chǎn)生電動勢（電位差）的現(xiàn)象。 要在光照下產(chǎn)生電位差，需要一種將正負載流子在空間上分離的機制。因機制的不同可分為：丹倍效應；光磁電效應；PN結(jié)光生伏特效應等。（1）丹倍效應 由于光生非平衡載流子擴散速度的差異，所引起的光照方向的電場和電位差的現(xiàn)象，由丹倍于1931年提出，故稱為丹倍效應。 一束頻率足夠高的光照射到均勻半導體，在表面處附近產(chǎn)生大量電子-空穴對，由

23、于載流子濃度的差異，發(fā)生載流子擴散。由于電子和空穴的擴散速度不同，在光照一面有空穴聚集，在反面有電子聚集，形成內(nèi)電場。當擴散和漂移達到平衡時，兩面存在穩(wěn)定的電位差。（2）光磁電效應 當在垂直與光照的方向上再加一個磁場，則在半導體的兩側(cè)端面間將產(chǎn)生電位差，此現(xiàn)象稱為光磁電效應。（3）PN結(jié)光生伏特效應 當光照射在PN結(jié)上，在PN結(jié)上會產(chǎn)生電動勢（電位差），此現(xiàn)象稱為PN結(jié)光生伏特效應。擴散-漂移平衡，使得P區(qū)空穴聚集、N區(qū)電子聚集，兩區(qū)形成電位差。用于光電池2.17 磁電性 將運動的導體，通電的導體或半導體置于磁場中，產(chǎn)生電動勢（電位差）、電阻變化等，這類磁致電變的現(xiàn)象稱為磁電效應。2.17.1 2.17.1 霍爾效應霍爾效應 磁場對載流導體或半導體中的載流子有作用，致使產(chǎn)生橫向電位差的現(xiàn)象稱為霍爾效應霍爾效應。1. 1.普通金屬的霍爾效應普通金屬的霍爾效應aEVH