材料電學性能課件

1第四部分材料的電學性能1第四部分材料的電學性能2

材料的電學性能用處很多，我們一定要學會材料的導電機理、影響因素以及它們的測量方法并運用到實際生產(chǎn)中，讓我們的生活更加豐富多彩。2材料的電學性能用處很多，我們一定要學會材料的導電機理、3本章講授的內(nèi)容1.導電性能2.熱電性能3.半導體導電性的敏感效應4.介質(zhì)極化與介電常數(shù)5.電介質(zhì)的介質(zhì)損耗6.絕緣材料3本章講授的內(nèi)容1.導電性能4第一節(jié)導電性能本節(jié)教學內(nèi)容電阻與導電的基本概念導電機理△超導電性影響材料導電性的因素導電性的測量及應用4第一節(jié)導電性能本節(jié)教學內(nèi)容電阻與導電的基本概念51.1電阻與導電的基本概念1.1.1電阻率1.1.2電導率電阻率和電導率都與材料的尺寸無關(guān)，而只決定于它們的性質(zhì)，因此是物質(zhì)的本征參數(shù)，可用來作為表征材料導電性的尺度。51.1電阻與導電的基本概念1.1.1電阻率1.1.261.1.3根據(jù)材料導電性能好壞，可把材料分為：導體半導體絕緣體:ρ＜10-2Ω?m:10-2Ω?m＜

ρ＜1010Ω?m:ρ＞1010Ω?m不同材料的導電能力相差很大，這是由它們的結(jié)構(gòu)與導電本質(zhì)所決定的。61.1.3根據(jù)材料導電性能好壞，可把材料分為：導體半導體7一、導電材料白川英樹黑格麥克迪爾米德導電高分子材料7一、導電材料白川英樹黑格麥克迪爾米德導電高分子材料8二、絕緣材料導熱絕緣材料陶瓷系列插座電工絕緣膠帶

8二、絕緣材料導熱絕緣材料陶瓷系列插座電工絕緣膠帶

9三、半導體材料CPU(CentralProcessingUnit)

9三、半導體材料CPU(CentralProcessin101.2導電機理△1.2.1金屬及半導體的導電機理1.2.1.1經(jīng)典電子理論

1900年特魯?shù)拢≒.Drude）首先提出用金屬中自由電子的運動來解釋金屬導電性問題，以后洛倫茲進一步發(fā)展了特魯?shù)碌母拍睿⒘私饘俚慕?jīng)典電子理論。洛侖茲101.2導電機理△1.2.1金屬及半導體的導電機理1111.金屬導電的經(jīng)典電子理論的基本框架金屬中的正離子按一定的方式排列為晶格；從原子中分離出來的外層電子成為自由電子；在電場作用下，大量自由電子的定向漂移形成電流。自由電子的性質(zhì)與理想氣體中的分子相似，形成自由電子氣；在自由電子定向運動過程中，不斷與正離子碰撞，形成電阻。111.金屬導電的經(jīng)典電子理論的基本框架金屬中的正離子按一12++++++++++++++++++++++++++++++2.金屬中的離子與自由電子示意圖12++++++++++++++++++++++++++++133.金屬中的自由電子在電場中的運動大量自由電子的統(tǒng)計平均，就是以平均定向漂移速度逆著電場線漂移。當金屬中有電場時，每個自由電子都因受到電場力的作用而加速，即在無規(guī)則的熱運動上疊加一個定向運動。自由電子在運動過程中頻繁地與晶格碰撞，碰后電子向各個方向運動的幾率相等。因此可認為每個電子在相鄰兩次碰撞間做初速為零勻加速直線運動。133.金屬中的自由電子在電場中的運動大量自由電子的統(tǒng)計平144.從金屬的電子理論導出歐姆定律的微分形式設導體內(nèi)的恒定場強為，則電子的加速度為電子兩次碰撞的時間間隔為t

，上次碰撞后的初速度為，則統(tǒng)計平均后，初速度的平均值為零，則平均時間間隔等于平均自由程除以平均速率144.從金屬的電子理論導出歐姆定律的微分形式設導體內(nèi)的恒定15則平均漂移速度電流密度為其中，電導率為：

從金屬的經(jīng)典電子理論導出了歐姆定律的微分形式，而且得到了電導率的表達式。

從電導率表達式知：電導率與自由電子的數(shù)量成正比，與電子的平均自由程成正比。15則平均漂移速度電流密度為其中，電導率為：從金屬的經(jīng)典電165.金屬的經(jīng)典電子理論的缺陷

按照氣體動力學，電阻率應與熱力學溫度的平方根成正比，但實驗結(jié)果電阻率與熱力學溫度成正比。

金屬的經(jīng)典電子理論的主要缺陷是把適用于宏觀物體的牛頓定律應用到微觀的電子運動中，并且承認能量的連續(xù)性。

根據(jù)此理論，自由電子數(shù)量越多導電性應當越好，事實卻是二、三價金屬的價電子雖比一價金屬的多，但導電性反而比一價金屬的差。

這一理論不能解釋超導現(xiàn)象的產(chǎn)生。165.金屬的經(jīng)典電子理論的缺陷按照氣體動力學，電阻率應171.2.1.2量子自由電子理論

物理學家普朗克發(fā)現(xiàn)，能量的傳遞不是連續(xù)的，而是以一個一個的能量單位傳遞的。這種最小能量單位被稱作能量子（簡稱量子）。

在現(xiàn)代量子理論中，任何物質(zhì)都有波動性和粒子性。而且位置和速度都不可能同時被準確的測量，只能用概率來描述。量子論認為：正離子形成的電場是均勻的；價電子具有不同的能級。

“量子理論”之父

1918年獲諾貝爾獎。171.2.1.2量子自由電子理論物理學家普朗克18運動著的電子作為物質(zhì)波，其頻率和波長與電子的運動速度或動量之間有如下關(guān)系：一價金屬中自由電子的動能：E=mv2/2為常數(shù)稱為波數(shù)頻率表征金屬中自由電子可能具有的能量狀態(tài)的參數(shù)18運動著的電子作為物質(zhì)波，其頻率和波長與電子的運動速度或動191.沒加電場時E-K關(guān)系曲線曲線對稱分布：沿正、反方向運動的電子數(shù)量相同，沒有電流產(chǎn)生。從粒子的觀點看，曲線表示自由電子的能量與速度（動量）之間的關(guān)系。從波動的觀點看，曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關(guān)系。價電子具有不同的能量狀態(tài)191.沒加電場時E-K關(guān)系曲線曲線對稱分布：沿正、反方向運202.電場對E-K關(guān)系曲線的影響外電場使向著其正向運動的電子能量降低，反向運動的電子能量升高。由于能量變化，使部分能量較高的電子轉(zhuǎn)向電場正向運動的能級，從而使正反向運動的電子數(shù)不等，使金屬導電。也就是說，不是所有的電子都參與導電，而是只有處于較高能級的電子參與導電。202.電場對E-K關(guān)系曲線的影響外電場使向著其正向運動的電213.量子自由電子理論電阻的產(chǎn)生實際金屬內(nèi)部還存在著缺陷和雜質(zhì)，產(chǎn)生的靜態(tài)點陣畸變和熱振動引起的動態(tài)點陣畸變，對電子波造成散射而形成電阻。而對于一個純的理想的完整晶體，0K時，電子波的傳播不受阻礙，形成無阻傳播，電阻為零，導致所謂的超導現(xiàn)象。離子在晶格點附近不斷的熱振動，偏離了晶格格點，這種偏離引起晶格對電子的散射，稱為晶格散射。213.量子自由電子理論電阻的產(chǎn)生實際金屬內(nèi)部還存在著缺陷和224.量子自由電子理論導出的電導率224.量子自由電子理論導出的電導率23根據(jù)能量按自由度均分原理，晶格振動時的平均勢能與絕對溫度成正比，即有：容易想象溫度越高，x2越大振幅愈大，振動愈激烈，因而對周期場擾動愈甚，電子愈容易被散射，故有：散射幾率p與x2成正比，可得出：R∝ρ∝p∝x2∝T。即電阻R與絕對溫度T成正比。這樣就解決了經(jīng)典電子理論長期得不到定量解釋的困難。23根據(jù)能量按自由度均分原理，晶格振動時的平均勢能與絕對溫度245.量子自由電子理論的局限性此理論雖然較好地解釋了金屬導電的本質(zhì)，但它假定金屬中的離子所產(chǎn)生的勢場是均勻的，與實際情況有一定的差距。245.量子自由電子理論的局限性此理論雖然較好地解釋了金屬251.2.1.3能帶理論△單個原子的能級是分立的，當固體中N個原子緊密排列時，外層電子就不再僅受原來所屬原子的作用，還要受到其他原子的作用,這使原來同一大小的能級彼此數(shù)值上就有小的差異。原子結(jié)合成晶體時，原子最外層的價電子受束縛最弱，它同時受到原來所屬原子和其他原子的共同作用，已很難區(qū)分究竟屬于哪個原子，實際上是被晶體中所有原子所共有，稱為共有化。原子間距減小時，孤立原子的每個能級將演化成由密集能級組成的準連續(xù)能帶。251.2.1.3能帶理論△單個原子的能級是分立的，26金屬晶格中原子很密集，能組成許多分子軌道，而且相鄰的分子軌道間的能量差別很小。上述分子軌道所形成的能帶，也可以看成是緊密堆積的金屬原子的電子能級發(fā)生的重疊，這種能帶是屬于整個金屬晶體的。每個能帶可包括許多相近的能級，因而每個能帶會包括相當大的能量范圍。26金屬晶格中原子很密集，能組成許多分子軌道，而且相鄰的分子27同自由電子理論一樣，也認為金屬中的價電子是公有化和能量是量子化的，所不同的是，它認為金屬中由離子所造成的勢場不是均勻的，而是呈周期性變化的，能帶理論就是研究金屬中的價電子在周期勢場作用下的能量分布問題的。

電子在周期勢場中運動，隨著位置的變化，它的能量也呈周期變化，即接近正離子時勢能降低，離開時勢能增高。這樣價電子在金屬中的運動就不能看成是完全自由的。27同自由電子理論一樣，也認為金屬中的價電子是公有化和能量是28由于周期場的影響，使得價電子在金屬中以不同能量狀態(tài)分布的能帶發(fā)生分裂，也就是說，有些能態(tài)是電子不能取值的。2.能帶結(jié)構(gòu)和導電機理28由于周期場的影響，使得價電子在金屬中以不同能量狀態(tài)分布的29由右圖可以看到：當-K1<K<K1時，曲線按拋物線規(guī)律連續(xù)變化；當K=K1時，只要波數(shù)稍微增大，能量便從A跳到B，存在能隙；同樣，當K=K2時，也存在能隙。圖10-3周期場中電子運動的

E-K曲線及能帶由于周期場的影響，從而形成電子能夠占據(jù)的能量區(qū)域稱為允帶；不允許電子占據(jù)的能量區(qū)域稱為禁帶。允帶與禁帶相互交替，形成了材料的能帶結(jié)構(gòu)。禁帶寬窄取決于周期勢場的變化幅度，變化越大，則禁帶越寬。29由右圖可以看到：圖10-3周期場中電子運動的由于周期303.能帶理論的術(shù)語滿帶：允帶中所有的能級均被電子占據(jù)。

允帶:允許電子能量存在的能量范圍。

禁帶：禁止電子能量存在的能量范圍，即滿帶頂和導帶底之間的能量間隔叫做禁帶。

導帶：由未充滿電子的能級所形成的高能量能帶,即具有空能級的允帶。

導帶中的電子是自由的，在外電場作用下參與導電。303.能帶理論的術(shù)語滿帶：允帶中所有的能級均被電子占據(jù)。31圖10-44.導體、半導體與絕緣體的區(qū)別31圖10-44.導體、半導體與絕緣體的區(qū)別32（1）導體讓我們考慮一種具有圖10-5所示能帶結(jié)構(gòu)的金屬，這種能帶結(jié)構(gòu)可能相當于鈉(Z=11)的能級。1s2s2p3s鈉(1s22s22p63s1)晶體能帶滿帶

半滿帶空帶3p圖10-5導體內(nèi)的能帶與1s、2s和2p原子能級對應的能帶是完全填滿了，但3s能帶(每個能級只容納最多兩個電子)僅有一半被填充。在外界電場的作用下，價帶內(nèi)的最上面的電子在不違反不相容原理的情況下獲得一些額外的少許能量而到能帶內(nèi)附近許多空的狀態(tài)去，和無序的熱激發(fā)明顯不同的是受電場激發(fā)的電子在與電場相反的方向上獲得動量，結(jié)果在晶體內(nèi)產(chǎn)生一種集體運動，從而構(gòu)成電流。32（1）導體讓我們考慮一種具有圖10-5所示能帶結(jié)構(gòu)的金屬33實際上由于最高能帶可能發(fā)生重疊，對大多數(shù)金屬或?qū)w而言最上層的能帶相重疊是很普通的情形。因此，我們得出結(jié)論：具有如圖10-5所示那樣能帶結(jié)構(gòu)的物質(zhì)應為良導體，換句話說，良導體(也稱金屬)是那些最高能帶未被完全填滿或者允帶間沒有禁帶的固體。33實際上由于最高能帶可能發(fā)生重疊，對大多數(shù)金屬或?qū)w而言最34現(xiàn)在考慮這樣一種物質(zhì)，該物質(zhì)中的最高能帶即價帶是滿的，而且不與下一個全空的能帶重疊(見圖10-6）。由于價帶的所有狀態(tài)都被占有，電子的能量被”凍結(jié)”，即電子不可能改變它們在能帶中的狀態(tài)而違背不相容原理。激發(fā)一個電子的唯一可能性是把它轉(zhuǎn)移到空的導帶中；但這可能需要幾個電子伏特的能量，因此，一個外加的電場就無法使價帶中的電子加速，因而不能產(chǎn)生凈電流。所以這種物質(zhì)稱為絕緣體。1s2s2p3s價

帶(滿)導

帶(空)3p絕緣體能帶能

隙

較

大圖10-6絕緣體（2）絕緣體34現(xiàn)在考慮這樣一種物質(zhì)，該物質(zhì)中的最高能帶即價帶是滿的，而35以上同樣的能帶圖也適用于硅和鍺，但是在原子的平衡間距下價帶與導帶之間的能隙要小得多(在硅中為1.1eV，在鍺中為0.7eV)，于是要將價帶中最上面的電子激發(fā)到導帶內(nèi)時就容易得多了。圖10-7中示出這種情況。圖10-7半導體內(nèi)的能帶（3）半導體35以上同樣的能帶圖也適用于硅和鍺，但是在原子的平衡間距下價36一、本征半導體1、本征半導體的結(jié)構(gòu)特點GeSi（1）硅、鍺原子的結(jié)構(gòu)+4本征半導體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。36一、本征半導體1、本征半導體的結(jié)構(gòu)特點GeSi（1）硅、37在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相鄰的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)（1）硅、鍺原子的結(jié)構(gòu)37在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都38共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子（2）硅、鍺原子的共價鍵結(jié)構(gòu)38共價鍵共+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子（2）39共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4（2）硅、鍺原子的共價鍵結(jié)構(gòu)39共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常40在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。（1）載流子、自由電子和空穴2、本征半導體的導電機理40在絕對0度（T=0K）和沒在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價41+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子可以認為空穴是一種帶正電荷的粒子?？昭ㄟ\動的實質(zhì)是共有電子依次填補空位的運動。

（1）載流子、自由電子和空穴41+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子可以認為空穴是一種帶42電子和空穴在外電場的作用下都將作定向運動，這種作定向運動電子和空穴（載流子）參與導電，形成本征半導體中的電流。本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。（2）導電情況

+4+4+4+442電子和空穴在外電場的作用下都將作定向運動，這種作定向運動43當溫度升高時，有更多的電子能夠跳到下一個能帶去。這有兩個結(jié)果：在上面的導帶中少數(shù)電子所起的作用和它們在金屬中所起的作用相同；而價帶中留下的空態(tài)即空穴起著類似的作用，不過它們好象是正的電子，因此，它們有來自導帶中的激發(fā)電子和來自價帶中的空穴的導電性；溫度升高時，由于有更多的電子被激發(fā)到導帶，所以電導率隨溫度而迅速增加。例如，在硅中，當溫度從250K增加到450K時，激發(fā)電子的數(shù)目增加106倍。因此，半導體是這樣一些絕緣體，它們的價帶和導帶之間的能隙約為1eV或更小，因而比較容易用加熱方法把電子從價帶中激發(fā)到導帶中。43當溫度升高時，有更多的電子能夠跳到下一個能帶去。這有兩個44（3）本征半導體的能帶結(jié)構(gòu)在外電場作用下，價帶中的電子可以逆電場方向運動到這些空位上來，而本身留下新的空位?？瘴豁橂妶龇较蜻\動，所以稱此種導電為空穴導電?？昭ê孟褚粋€帶正電的電荷，因此空穴導電也是屬于電子電導的一種形式。圖10-8本征半導體的能帶結(jié)構(gòu)44（3）本征半導體的能帶結(jié)構(gòu)在外電場作用下，價帶中的電子可45①電子和空穴總是成對出現(xiàn)的------本征激發(fā)。電子和空穴也可以復合而消失。②本征半導體在外電場的作用下，形成兩種電流------空穴電流和電子電流，外電路的總電流等于兩種電流的代數(shù)和。③電子--空穴對的數(shù)目對溫度、光照十分敏感。④本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。（4）結(jié)論

溫度越高，載流子的濃度越高——本征半導體的導電能力越強。溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。45①電子和空穴總是成對出現(xiàn)的------本征激發(fā)。（4）結(jié)46二、雜質(zhì)半導體實際上，晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，半導體的許多特性是由所含的雜質(zhì)和缺陷決定的。在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P型半導體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（空穴半導體）。N型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（電子半導體）。在硅單晶中摻入十萬分之一的硼原子，可使硅的導電能力增加一千倍。46二、雜質(zhì)半導體實際上，晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，半導體的471、N型半導體磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。+4+4+5+4多余電子磷原子在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代.471、N型半導體磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相48（1）由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。（2）本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。因為摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。N型半導體中的載流子包括：++++++++++++++++++++++++N型半導體模型48（1）由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。（2）本49如果我們把若干施主原子磷或砷原子加進硅或鍺中，則每有一個雜質(zhì)原子，就有一個額外電子。這些額外的電子(它們不能被容納在原來結(jié)晶體的價帶中)占有恰在導帶下方的某些分立的能級（施主能級），離導帶只差0.05ev,大約為硅的禁帶寬度的5%，因此它比滿帶中的電子容易激發(fā)的多(圖10-9a)。

圖10-9半導體中的能帶結(jié)構(gòu)

(a)施主，或n型N型半導體的能帶結(jié)構(gòu)49如果我們把若干施主原子磷或砷原子加進硅或鍺中，則每有一個50（1）在本征半導體中摻入三價元素的原子（受主雜質(zhì)）而形成的半導體。（2）每一個三價元素的原子提供一個空穴作為載流子。+4+4+3+4空穴硼原子（3）P型半導體中空穴是多子，電子是少子。2、P型半導體（4）P型半導體的模型

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－50（1）在本征半導體中摻入三價元素的原子（受主雜質(zhì)）而形成51如果我們把若干受主雜質(zhì)原子硼或鋁加進硅或鍺中，這兩種原子都只貢獻3個電子。在這種情況下，雜質(zhì)引進空的分立能級（空穴能級或受主能級）。這些能級的位置很靠近價帶頂，只差0.045ev，價帶中的電子激發(fā)到空穴能級上比越過整個禁帶（1.1ev）到導帶容易得多(圖10-9b)。價帶(滿)導帶(空)能隙較小雜質(zhì)能級++++

圖10-9半導體中的能帶結(jié)構(gòu)

(b)受主，或p型P型半導體的能帶結(jié)構(gòu)51如果我們把若干受主雜質(zhì)原子硼或鋁加進硅或鍺中，這兩種原子52因此，容易把價帶中一些具有較高能量的電子激發(fā)到雜質(zhì)能級上。這個過程在價帶中產(chǎn)生空態(tài)即空穴。如前面所述，這些電子起著正電子的作用。這種雜質(zhì)原子叫做受主，這種半導體叫做p型半導體。為了使半導體的電導率產(chǎn)生大的變化，對于每一百萬個半導體原子，大約有一個雜質(zhì)原子就足夠了。半導體在工業(yè)上廣泛地用于制作整流器、調(diào)制器、探測器、光電管、晶體管和大規(guī)模集成電路等等。52因此，容易把價帶中一些具有較高能量的電子激發(fā)到雜質(zhì)能級上53（1）雜質(zhì)半導體就整體來說還是呈電中性的。（2）雜質(zhì)半導體中的少數(shù)載流子雖然濃度不高，但對溫度、光照十分敏感。3.雜質(zhì)半導體說明（3）雜質(zhì)半導體中的少數(shù)載流子濃度比相同溫度下的本征半導體中載流子濃度小得多。53（1）雜質(zhì)半導體就整體來說還是呈電中性的。3.雜質(zhì)半導體54＊PTC熱敏陶瓷簡介我院“863”項目：“高性能PTC熱敏陶瓷的制備”研究的就是通過摻雜引入施主離子使得陶瓷具有半導體效應。PTC熱敏陶瓷的主要特性是其在居里溫度附近，阻值發(fā)生幾個數(shù)量級（103-108）的突發(fā)性變化且熱敏陶瓷的介電常數(shù)在居里溫度附近發(fā)生相應的突變，即迅速增大，在居里點以上又迅速減小，恢復常態(tài)值。54＊PTC熱敏陶瓷簡介我院“863”項目：“高性能PTC熱55只有晶粒充分半導化，晶界具有適當?shù)慕^緣性的BaTiO3陶瓷才具有顯著的PTC效應。N型半導體BaTiO3的半導化通過添加微量的稀土元素，在其禁帶間形成雜質(zhì)能級，實現(xiàn)半導化：55只有晶粒充分半導化，晶界具有適當?shù)慕^緣性的BaTiO3陶561、漂移電流載流子在電場作用下有規(guī)則的運動-------漂移運動形成的電流-------漂移電流2、

擴散電流載流子由于濃度的不均勻而從濃度大的地方向濃度小的地方擴散所形成的電流。四、漂移電流與擴散電流

561、漂移電流四、漂移電流與擴散電流571.2.2無機非金屬導電機理材料的導電性是由于物質(zhì)內(nèi)部存在的帶電粒子的移動引起的。這些帶電粒子可以是正、負離子，也可以是電子或空穴，統(tǒng)稱為載流子。載流子在外加電場作用下沿電場方向運動，就形成電流。可見，材料導電性的好壞，與物質(zhì)所含的載流子數(shù)目及其運動速度有關(guān)。

載流子是電子或電子空位的電導稱為電子式電導。載流子是離子或離子空位的稱為離子式電導。571.2.2無機非金屬導電機理材料的導電性是由于物質(zhì)內(nèi)部58點陣節(jié)點位置上若缺少離子，就形成“空位”，離子空位容易接納臨近來的離子，而空位本身就移到鄰近位置上，在電場作用下，空位做定向運動引起電流。實際上空位移動是離子“接力式”的運動，而不是某一離子連續(xù)不斷的運動，電子空穴的導電情況也是類似。58點陣節(jié)點位置上若缺少離子，就形成“空位”，離子空位容易接591.2.2.1離子晶體的導電機理

離子電導的微觀機構(gòu)為載流子—離子的擴散。圖10-10間隙離子的勢壘間隙離子處于間隙位置時，受周圍離子的作用，處于一定的平衡位置（稱此為半穩(wěn)定位置）。如果他要從一個間隙位置躍入相鄰原子的間隙位置，需克服一個高度U0的勢壘。完成一次躍遷，又處于新的平衡位置（間隙位置）上。這種擴散過程就構(gòu)成了宏觀的離子“遷移”。591.2.2.1離子晶體的導電機理離子電導的微觀機構(gòu)601.晶體的離子電導可分為兩大類：（1）源于晶體點陣中基本離子的運動，稱為離子固有電導或本征電導。這種離子自身隨著熱振動的加劇而離開晶格振點，形成熱缺陷。熱缺陷弗侖克爾缺陷肖特基缺陷能量大的離子離開平衡位置擠到晶格點的間隙中形成間隙原子，原來位置形成空位。正常格點上的原子獲得能量離開平衡位置遷移到晶體表面，在晶體內(nèi)正常格點上留下空位。601.晶體的離子電導可分為兩大類：（1）源于晶體點陣中61熱缺陷的濃度隨溫度的升高而增大，因此本征電導率與溫度的關(guān)系為：As取決于可遷移的離子數(shù)，即離子從一個空位到另一個空位的距離以及有效的空位數(shù)目；Es與可遷移的離子從一個空位跳到另一個空位的難易程度有關(guān)，通常稱為離子激活能。一般情況下本征離子電導率可以簡化為：61熱缺陷的濃度隨溫度的升高而增大，因此本征電導率與溫度的關(guān)62（2）雜質(zhì)電導此類電導是結(jié)合力較弱的離子運動造成的，這些離子主要是雜質(zhì)離子，故稱為雜質(zhì)電導。置換雜質(zhì)原子間隙雜質(zhì)原子因雜質(zhì)離子的存在，不僅增加電流載體數(shù)量，而且使點陣發(fā)生畸變，雜質(zhì)離子離解活化能變小。62（2）雜質(zhì)電導此類電導是結(jié)合力較弱的離子運動造成的，這些63低溫下，離子晶體的電導主要由雜質(zhì)載流子濃度決定。由雜質(zhì)引起的電導率可用下式表示：63低溫下，離子晶體的電導主要由雜質(zhì)載流子濃度決定。由雜質(zhì)引642.如果只有一種載流子，電導率可用單項式表示：寫成對數(shù)形式為：以lnσ和1/T為坐標，可繪得一直線，從直線斜率B可求出活化能：642.如果只有一種載流子，電導率可用單項式表示：寫成對數(shù)65對于堿鹵晶體，電導率大多滿足二項公式：式中第一項由本征缺陷決定，第二項由雜質(zhì)決定。如果物質(zhì)存在多種載流子，其總電導率可表示為：65對于堿鹵晶體，電導率大多滿足二項公式：式中第一項由本征缺66例題66例題6767681.2.2.2玻璃的導電機理在含有堿金屬離子的玻璃中，基本上表現(xiàn)為離子電導。玻璃體的結(jié)構(gòu)比晶體疏松，成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，堿金屬離子在二氧化硅網(wǎng)絡中從一個間隙跳到另一個間隙，堿金屬離子能夠穿過大于其原子大小的距離而遷移，造成電流流動，與離子晶體中的間隙離子導電類似。681.2.2.2玻璃的導電機理在含有堿金屬離子的玻璃中，69玻璃的組成對玻璃的電阻影響很大，影響方式也很復雜。硼鉀鋰玻璃電導率與鋰、鉀含量的關(guān)系雙堿效應：當玻璃中堿金屬離子總濃度較大時，堿金屬離子總濃度相同的情況下，含兩種堿金屬離子的玻璃電導率要小。當兩種堿金屬濃度比例適當時，電導率可以降到很低。1.雙堿效應69玻璃的組成對玻璃的電阻影響很大，影響方式也很復雜。硼鉀鋰70以K2O、Li2O為例說明雙堿效應的原因：RK+>RLi+，在外電場的作用下，堿金屬離子移動時，Li+離子留下的空位比K+留下的空位小，K+只能通過本身的空位；Li+進入大體積空位，產(chǎn)生應力，不穩(wěn)定，只能進入同種離子空位較為穩(wěn)定；大離子不能進入小空位，使通路堵塞，妨礙小離子的運動；相互干擾的結(jié)果使電導率大大下降。70以K2O、Li2O為例說明雙堿效應的原因：71玻璃中SiO2被其它氧化物置換的效應2.壓堿效應：含堿玻璃中加入二價金屬氧化物，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導率降低。相應的陽離子半徑越大，這種效應越強。原因：二價離子與玻璃中氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，堵塞遷移通道，使堿金屬離子移動困難，電導率降低。71玻璃中SiO2被其它氧化物置換的效應2.壓堿效應：含堿723.多晶多相材料的電導相組成：晶粒、晶界、玻璃相、氣孔、相組成的導電性：玻璃相、微晶相（缺陷多）電導率較高。氣孔電導率小，但是如果氣孔形成通道，環(huán)境中的水份、雜質(zhì)易進入，對電導有影響。723.多晶多相材料的電導相組成：731.3超導體1911年荷蘭物理學家KamerlinghOnnes發(fā)現(xiàn)了汞冷卻到4K（液氦溫度）時具有零電阻。這種在一定的低溫條件下材料突然失去電阻的現(xiàn)象稱為超導電性。超導體是等電位的，超導體內(nèi)沒有電場（只有電流而沒有電阻）。兩個基本特征，三個性能指標731.3超導體1911年荷蘭物理學家Kamerlingh741.3.1超導體的發(fā)展歷程超導體的發(fā)展主要在提高臨界溫度，已知有28種元素的單質(zhì)可呈現(xiàn)超導態(tài)，其中鈮的臨界溫度最高（9.13K),后來人們發(fā)現(xiàn)許多合金可呈超導態(tài)，其中1977年發(fā)現(xiàn)的Nb3Ge,Tc高達23K，是其中最高Tc者。741.3.1超導體的發(fā)展歷程超導體的發(fā)展主要在提高臨界溫751986年4月IBM公司瑞士蘇黎世研究實驗室的J.G.Bednorz和K.A.Mueller發(fā)現(xiàn)鑭鋇銅的復合氧化物在30K顯示超導性，激起超導熱。1987年2月，美國休斯頓大學的美籍華人朱經(jīng)武研制成功YBa3Cu3O7,其轉(zhuǎn)變溫度在90K，進入了液氮溫度區(qū)，1988年研制出了轉(zhuǎn)變溫度為125K的新型超導材料Tl2Ca2Ba2Cu3O10.甚至還有達到140K報道。751986年4月IBM公司瑞士蘇黎世研究實驗室的J.G.B761933年，Meissner發(fā)現(xiàn)超導態(tài)跟零電阻現(xiàn)象共存的超導體的全抗磁現(xiàn)象。若取一磁鐵放在超導體上方，磁鐵將神奇地懸浮其上方，這便是磁懸浮現(xiàn)象。761933年，Meissner發(fā)現(xiàn)超導態(tài)跟零電阻現(xiàn)象共存的771.3.2超導體的兩個基本特征1.完全導電性2.完全抗磁性（邁斯納效應）處于超導狀態(tài)的金屬，內(nèi)部磁感應強度始終為零。原來處于正常態(tài)的樣品變成超導體時，也會把原來的體內(nèi)磁場完全排出去。771.3.2超導體的兩個基本特征1.完全導電性處于超導狀781.3.3超導體的3個指標超導材料有三個關(guān)鍵的臨界值，即臨界溫度Tc、臨界電流密度Jc和臨界磁場Hc，這三個臨界值越高，超導體的實用價值越大。1.臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc：超導體溫度低于Tc時，便出現(xiàn)了完全導電和邁斯納效應。超導體的臨界溫度越高越好，越有利于應用。781.3.3超導體的3個指標超導材料有三個關(guān)鍵的臨界值，79

2.臨界磁場Hc：當T＜Tc時，將超導體放入磁場，如果磁場強度高于臨界磁場強度，則磁力線穿入超導體，超導體被破壞而成為正常態(tài)，Hc隨溫度降低而增加。超導體的這個關(guān)系是拋物線：

臨界磁場就是能破壞超導態(tài)的最小磁場，它與超導材料的性質(zhì)有關(guān)。792.臨界磁場Hc：當T＜Tc時，將超導體放入磁場，803.臨界電流密度Jc：如果輸入電流所產(chǎn)生的磁場與外磁場之和超過Hc，則超導態(tài)被破壞，這時輸入的電流為臨界電流Ic，相應的電流密度稱為臨界電流密度Jc。803.臨界電流密度Jc：如果輸入電流所產(chǎn)生的磁場與外磁場之8181828283點陣畸變造成的殘留電阻83點陣畸變造成的殘留電阻84大多數(shù)金屬在熔化成液態(tài)時，其電阻率會突然增大約1-2倍。這是由于原子長程排列被破壞，從而加強了對電子的散射所引起的。但如金屬銻、鉍、鎵等固態(tài)時為層狀結(jié)構(gòu)，主要為共價鍵型晶體結(jié)構(gòu)，在熔化時共價鍵被破壞，轉(zhuǎn)為以金屬鍵結(jié)合為主，導電電子數(shù)增加，故使電阻率下降。84大多數(shù)金屬在熔化成液態(tài)時，其電阻率會突然增大約1-2倍。85由于冷塑性變形使晶體點陣畸變和晶體缺陷增加，特別是空位濃度的增加，造成點陣電場的不均勻性而加劇對電磁波散射，從而造成電阻率加大。拉應力使金屬原子間距增大，點陣動畸變增大，電阻率上升。反之下降。85由于冷塑性變形使晶體點陣畸變和晶體缺陷增加，特別是空位濃86

再結(jié)晶退火可以消除形變時造成的點陣畸變和晶體缺陷，從而使電阻恢復到變形前的水平。

淬火可以保留高溫時造成的點陣畸變和晶體缺陷，從而使金屬電阻率升高。86再結(jié)晶退火可以消除形變時造成的點陣畸變87其中：ξ為百分之一溶質(zhì)量比的附加電阻率。87其中：ξ為百分之一溶質(zhì)量比的附加電阻率。88馬基申定律指出，合金電阻有兩部分組成：1.溶劑的電阻，它隨著溫度升高而增大；2.溶質(zhì)引起的附加電阻，它與溫度無關(guān)，只與溶質(zhì)原子的濃度有關(guān)。88馬基申定律指出，合金電阻有兩部分組成：1.溶劑的電阻，它898990RXR1R2R4G90RXR1R2R4G919192929393949495959696979798第二節(jié)熱電效應98第二節(jié)熱電效應99991001001011011022.3.1對帕爾帖效應的物理解釋是：電荷載體在導體中運動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。

1022.3.1對帕爾帖效應的物理解釋是：1032.3.2帕爾帖熱的測量先從一個方向通入電流，測的熱量QJ+Qp（放熱）。然后再從另外一個方向通入電流，測的熱量為QJ-Qp（吸熱），二者只差就是2Qp，則可得出帕爾帖熱。1032.3.2帕爾帖熱的測量先從一個方向通入電流，測的熱104對于P型半導體和N型半導體組成的電偶104對于P型半導體和N型半導體組成的電偶1051051061909年開始研究熱點轉(zhuǎn)換效率，目前熱點材料已經(jīng)廣泛的應用于加熱、制冷和發(fā)電等機制中。1061909年開始研究熱點轉(zhuǎn)換效率，目前熱點材料已經(jīng)廣泛的107第三節(jié)、半導體導電的敏感效應

半導體的導電性受到環(huán)境的影響很大，產(chǎn)生了一些半導體敏感效應。熱敏效應光敏效應壓敏效應磁敏效應霍爾效應磁阻效應107第三節(jié)、半導體導電的敏感效應

半導體的導電性受到環(huán)境的108熱敏變色油墨PTC熱敏電阻熱敏溫度計溫度補償器108熱敏變色油墨PTC熱敏電阻熱敏溫度計溫度補償器109

紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門戶，航標燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機自動曝光裝置，光電計數(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：

紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。

109

紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦110避雷器壓敏電阻壓敏效應壓力敏感電壓敏感110避雷器壓敏電阻壓敏效應壓力敏感電壓敏感111如果磁場方向與導體中電流方向垂直，則在與磁場和電流二者垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳效應?；舳抛栊?如果在電流垂直的方向施加磁場會使電流密度降低，電阻增大。111如果磁場方向與導體中電流方向垂霍耳效應磁阻效應+如果112霍爾傳感器如果把霍爾元件集成的開關(guān)按預定位置有規(guī)律地布置在物體上，當裝在運動物體上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號列可以傳感出該運動物體的位移。若測出單位時間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運動速度。

電子眼112霍爾傳感器如果把霍爾元件集成的開關(guān)按預定位置有規(guī)律地布113其他敏感效應氣敏電阻；光磁效應；熱磁效應；熱電效應113其他敏感效應氣敏電阻；光磁效應；熱磁效應；熱電效應114第四節(jié)、介質(zhì)極化與介電性能介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應電荷的現(xiàn)象，稱為介質(zhì)的極化。這種材料叫電介質(zhì)。等量異號電荷相距一段距離，這個系統(tǒng)就稱為電偶極子，電荷和位移的乘積稱為這個系統(tǒng)的電偶極矩。10.4.1極化的概念114第四節(jié)、介質(zhì)極化與介電性能介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應電荷115非極性粒子正負電荷中心重合，在外電場的作用下形成電偶極子。極性粒子本身具有一定的電偶極矩，在外電場的作用下定向排列。電介質(zhì)粒子分為極性和非極性兩類115非極性粒子正負電荷中心重合，在外電場的作用下形成電偶極116真空－++++－－－E－++++－－－－++－－++－+－+－+－+－+－+－+－+－自由電荷+－偶極子束縛電荷(1)具有一系列偶極子和束縛電荷的極化現(xiàn)象10.4.1.1極化現(xiàn)象及其物理量116真空－++++－－－E－++++－－－－++－－+++117偶極子的產(chǎn)生有兩種基本形式：第一種：彈性的、瞬間完成的、不消耗能量的極化。包括：電子位移極化、離子位移極化。

2極化機制第二種：該極化與熱運動有關(guān)，其完成需要一定的時間,且是非彈性的，需要消耗一定的能量。

包括：松弛極化、取向極化、空間電荷極化117偶極子的產(chǎn)生有兩種基本形式：2極化機制第二種：該極化118118119119120（3）松弛極化松弛質(zhì)點：材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子。松弛極化：松弛質(zhì)點由于熱運動使之分布混亂，電場力使之按電場規(guī)律分布，在一定溫度下發(fā)生極化松弛極化的特點：比位移極化移動較大距離，移動時需克服一定的勢壘，極化建立時間長，需吸收一定的能量（10-2－10-9S

），是一種非可逆過程。120（3）松弛極化松弛質(zhì)點：材料中存在著弱聯(lián)系的電子、121電子松弛極化：材料中弱束縛電子在晶格熱振動下，吸收一定能量由低級局部能級躍遷到較高能級處于激發(fā)態(tài)；處于激發(fā)態(tài)的電子連續(xù)地由一個陰離子結(jié)點移到另一個陰離子結(jié)點；電場使移動具有方向性；極化建立時間為10-2－10-9s。電場頻率高于109Hz時，電子松弛極化就不存在。121電子松弛極化：122在玻璃態(tài)材料、結(jié)構(gòu)松散的離子晶體或晶體中的雜質(zhì)或缺陷區(qū)域，離子自身能量較高，易于活化遷移，稱為弱聯(lián)系離子，此遷移為不可逆過程。極化建立時間為10-2~10-5s。當頻率在106Hz以上時離子松弛極化對電極化強度就無貢獻。離子松弛極化率與溫度成反比，故溫度越高，熱運動對質(zhì)點的規(guī)則運動阻礙增