半導體電磁學

半導體電磁學第1頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月本節(jié)講授第三章

穩(wěn)恒電流§3.2歐姆定律焦耳定律主講：物理系教授孟振庭第2頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月該式稱為均勻電路的歐姆定律。一.均勻電路的歐姆定律所謂均勻電路，就是一段不含電源的穩(wěn)恒電路，比如給導體兩端加上恒定的電勢差UAB

，導體中相應(yīng)地就存在著穩(wěn)恒電流，電勢差越大，電流強度I就越大，導體中的電流強度I和導體兩端的電勢差之間的關(guān)系由實驗得出為式中R是常數(shù),稱為導體的電阻，在國際制單位中的單位為歐姆(用Ω表示)。實驗表明歐姆定律它不僅適用于金屬導體，而且對電解質(zhì)溶液也適用，但它對氣態(tài)導體(如日光燈中汞蒸汽)和其它一些導電器件(電子管、晶體管)則不成立。第3頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月二.電阻定律一般金屬導體電阻的大小與導體的材料和幾何形狀有關(guān)。實驗指出，對由一定材料制成的橫截面均勻的導體的電阻該式稱為電阻定律。式中l(wèi)是導體的長度，S是導體的截面積，比例系數(shù)ρ是導體的電阻率，單位是歐姆·米(Ω·m)，大小由材料性質(zhì)決定。電阻基準第4頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月電導的單位叫西門子（S）,式中電阻的倒數(shù)叫電導，用符號G表示，即G==＝γ叫電導率，它是電阻率的倒數(shù)。當導體的橫截面積不均勻或電阻率不均勻時，導體的電阻第5頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月當溫度發(fā)生變化時，導體的電阻率也要改變。實驗表明，在通常情況下大多數(shù)金屬導體的電阻率式中ρ0

是0℃時導體的電阻率，α稱為電阻溫度系數(shù)，其單位為1／℃，不同材料其值不同。由此可見，溫度越高，電阻率越大。

一般把電阻率小于10-6Ω·m的材料叫導體，電阻率大于106Ω·m的材料叫絕緣體，電阻率在10-6～106Ω·m之間的材料叫半導體，鍺和硅是最常見的半導體。三.半導體和超導體第6頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體材料有以下特點：①當溫度發(fā)生變化時，其導電性能會急劇變化，溫度升高，其電阻會急劇減小，(這與上述的金屬導體完全相反)并且變化不是線性的。②適當摻雜，其導電性能會急劇增加。③光照時其導電性能也會發(fā)生變化?；谝陨先c，半導體材料獲得了廣泛的應(yīng)用，由此制作的二極管、三極管、場效應(yīng)管以及集成電路等已成為電子線路最重要的元件。

第7頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月當溫度降到某一特定熱力學溫度Tc時，某些金屬、合金以及金屬化合物的電阻率會幾乎減小到零，這種現(xiàn)象叫超導現(xiàn)象。能產(chǎn)生超導電現(xiàn)象的材料叫超導體，超導體處于電阻率為零的狀態(tài)叫超導態(tài)。Tc叫做轉(zhuǎn)變溫度。到目前為止，通過對各種金屬的實驗測定，人們已發(fā)現(xiàn)在正常壓力下，有28種元素具有超導電性，其中鈮(Nb)的轉(zhuǎn)變溫度最高，Tc＝9.26K，鎢(W)的轉(zhuǎn)變溫度最低，Tc＝0.012K。另外有10多種金屬，在加壓和制成高度無序薄膜以后，也會變?yōu)槌瑢w。目前約有5000種合金和化合物具有超導現(xiàn)象，最高轉(zhuǎn)變溫度已達90K。第8頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月費利(File)等人用核磁共振方法測量超導電流產(chǎn)生的磁場來研究螺線管內(nèi)超導電流的衰減，他們得到的結(jié)論是超導電流的衰減時間不短于10萬年，這樣的電流真可稱為永久電流，可見超導體處于超導態(tài)時是一種完全導電的理想導體。1933年邁斯納用實驗還證明了，在超導狀態(tài)下，超導體內(nèi)部磁場消失，它是一個理想的抗磁體。超導研究是目前物理學上一個活躍的領(lǐng)域，其主要工作有以下幾個方面：①完善關(guān)于超導電性的理論解釋；②提高較變溫度Tc，這直接關(guān)系到超導體的應(yīng)用問題；③關(guān)于超導的應(yīng)用研究。在目前世界上競相開展的超導研究熱潮中，我國中科院物理所的研究工作一直走在世界的前列。第9頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月在通有電流強度I的導體中，沿電流線方向任取一個小圓柱體，通過的電流強度為dI，長度為dl，橫戴面積為dS，使圓柱體的軸線和它所在處的電場強度E的方向一致，面積dS垂直于E。沿電場方向圓柱體兩端的電勢為U和U＋dU，圓柱體電阻為R，電流密度矢量為j。則四.歐姆定律的微分形式而dI=jdS

所以EdS=γEdS即j=γE稱作歐姆定律的微分形式。第10頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月它表明導體中任意一點的電流密度與該點的電場強度成正比，且同方向。

歐姆定律的微分形式雖是在穩(wěn)恒電流情況下推出的，但對電流變化不很快的非穩(wěn)恒情況也適用，因此它比歐姆定律的積分式I=U/R

更為普遍。第11頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月五.電功及電熱定律電流通過一段電路時，電場力作的電功

A=qU=IUt電功率

P=A/t=IU其單位分別為焦爾(J)和瓦(W)。此二式是普遍適用的式子而不論何種用電器。在電場力作功過程中，電勢能轉(zhuǎn)變成其他形式的能，如純電阻電路將全部轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，電解池電路將轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能和少量內(nèi)能，電動機電路將轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能和少量內(nèi)能等等。電流通過電阻時產(chǎn)生的熱量由實驗得出為該式叫電熱定律，也叫焦耳定律，其電熱功率為

第12頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月電熱功率密度也稱作焦耳定律的微分形式，它像歐姆定律的微分形式一樣，是對任意一點都是成立的。例題1：長為l，內(nèi)外極半徑分別為rA和rB中間填滿電阻率為ρ介質(zhì)的圓柱形電容器，極間加以電壓U，試求介質(zhì)的漏電阻、電流密度和極間電場強度。解：設(shè)圓柱形電容器內(nèi)外極板間漏電流為I，由于漏電流是沿徑向從內(nèi)向外對稱分布的，因而在距圓柱軸線r處，總電流I所通過的截面積S＝2πrl，所以由歐姆定律可得該處電流密度第13頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月則而

所以漏電阻漏電流密度介質(zhì)中場強第