試談材料的電性能.ppt

1、材料的電性能,Contents：,材料電性能的定義 導(dǎo)電體 絕緣體 半導(dǎo)體 超導(dǎo)體,1 材料電性能的定義,材料的電性能是指材料在外加電壓或電場(chǎng)作用下的行為及其所表現(xiàn)出來(lái)的各種物理現(xiàn)象。,材料的電性質(zhì)包括：導(dǎo)電性，介電性，超導(dǎo)性，熱電性，鐵電性，及壓電性等。,材料按電學(xué)性質(zhì)分類：,2 導(dǎo)電體,金子,鋁線,銅線,石墨,2.1 金屬的電阻率,表征材料電性質(zhì)的物理量有：電阻（R），電阻率（）以及電導(dǎo)率（）和其他性質(zhì)。,電阻R值與被測(cè)試樣的幾何形狀及尺寸有關(guān)：,R= L/A,式中:R-電阻（）；-電阻率，m； L-材料長(zhǎng)度，m；A-材料截面積，m2,電阻率是微觀水平上阻礙電流流動(dòng)的度量。電阻是材料形狀，

2、尺寸的函數(shù)，而電阻率同密度一樣，是材料固有的性質(zhì)，只與材料的結(jié)構(gòu)有關(guān)，與材料的尺寸無(wú)關(guān)。,電阻率是表征材料導(dǎo)電性的重要物理量。超導(dǎo)體，導(dǎo)體，半導(dǎo)體的絕緣體值的大小與范圍可分類如下: 超導(dǎo)體：0 m 導(dǎo)體：=10-810-5 m 半導(dǎo)體：=10-5 107 m 絕緣體：=107 1020 m,2.2 影響電阻率的因素,1、溫度的影響。金屬中，溫度越高，電阻率越高。 2、雜質(zhì)的影響。在純金屬中加入少量的合金元素將增加金屬對(duì)電子的散射作用，從而使金屬的電阻率增加。 3、冷塑性形變的影響。隨著冷塑性變形量的增加，晶體中位錯(cuò)增多，從而電阻率提高。,3 絕緣體,橡膠,塑料,陶瓷,玻璃,絕緣材料作為材料使用

3、可以分為絕緣材料和介電材料兩類。 絕緣材料的主要功能是實(shí)現(xiàn)電絕緣，如高壓絕緣電瓶所用的氧化鋁陶瓷就是一種絕緣材料。比較常見的介電材料是電容器介質(zhì)材料，壓電材料等。 絕緣材料和介電材料兩者在電子和電氣工程中都起到重要作用。,3.1介電性,靜電場(chǎng)中介質(zhì)的極化 （A）真空電容器；（B）介電電容器,當(dāng)電壓加到兩塊真空的平行板上時(shí)，板上的電荷Q0電壓成正比，Q0=C0U，比例系數(shù)C0就是電容。如果在平板電容的極板間充滿某種絕緣體（電介質(zhì)），則由于電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下發(fā)生極化而產(chǎn)生表面束縛電荷，在相同的電壓下使平板電容器極板上的感應(yīng)電荷增加了Q1，則Q0+Q1=CU，電容量增加了。電介質(zhì)引起電容量增加的比

4、例，稱為相對(duì)介電常數(shù)r，也稱電容率。,r=C/C0=(Q0+Q1)/Q0,板上的電荷在著眼于介電性質(zhì)時(shí)，絕緣體就稱為電介質(zhì)。介電性的一個(gè)重要標(biāo)志就是材料能夠產(chǎn)生極化現(xiàn)象。,3.2 壓電性，熱釋電性，和鐵電性,（1）壓電性,1880年，P.居里兄弟發(fā)現(xiàn)：當(dāng)對(duì)-石英晶體在某些特定方向上加力時(shí)，在與力的方向垂直的平面上出現(xiàn)了正負(fù)束縛電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。,壓電材料主要用于電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的傳感器中，例如拾振器，擴(kuò)音器，超聲波發(fā)生儀，和聲納探測(cè)儀等。,（2）熱釋電性,同壓電效應(yīng)類似，有些晶體可以因溫度變化而引起晶體表面電荷，這一現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。 熱釋電材料是壓電材料中的一類，它主要的特點(diǎn)

5、是因溫度的變化引起介質(zhì)極化。,（3）鐵電性,在具有熱釋電性的材料中有一部分晶體即使在無(wú)外電場(chǎng)的作用下也表現(xiàn)出很強(qiáng)的電偶極矩，這些電偶極矩在反向電場(chǎng)作用下可以重新取向，從而得到如圖所示的極化強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線（類似于磁性材料對(duì)磁場(chǎng)的關(guān)系，故稱之為電滯回線）。這類晶體稱為鐵電體。,如：BaTiO3,電介質(zhì)，壓電體，熱釋電體和鐵電體之間的關(guān)系可用下圖表示：,4 半導(dǎo)體,二極管,三極管,電子產(chǎn)品,光伏電池,4.1 半導(dǎo)體相關(guān)概念,半導(dǎo)體：材料的電阻率界于金屬與絕緣材料之間的材料。這種材料在某個(gè)溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增加電荷載流子的濃度，電阻率下降。,本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的半導(dǎo)體稱為本

6、征半導(dǎo)體,對(duì)摻入施主雜質(zhì)（如五價(jià)元素磷、砷 等）的半導(dǎo)體，導(dǎo)電載流子主要是導(dǎo)帶中的電子，屬電子型導(dǎo)電，稱N型半導(dǎo)體。摻入受主雜質(zhì)（三價(jià)元素硼、鋁 等）的半導(dǎo)體屬空穴型導(dǎo)電，稱P型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體在任何溫度下都能產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，故N型半導(dǎo)體中可存在少量導(dǎo)電空穴，P型半導(dǎo)體中可存在少量導(dǎo)電電子，它們均稱為少數(shù)載流子。,P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相互接觸時(shí)，其交界區(qū)域稱為PN結(jié) 。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，PN結(jié)的另一重要性質(zhì)是受到光照后能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱光生伏打效應(yīng)，可利用來(lái)制造光電池。,4.2 熱電效應(yīng),如果在一根半導(dǎo)體棒或者金屬的兩端保持溫度差，那就熱端的載流子將趨向于冷端運(yùn)動(dòng)。假設(shè)載流子是電子，那么當(dāng)

7、他們離開熱端而運(yùn)動(dòng)到冷端時(shí)，就使冷端變成負(fù)的，從而形成的電場(chǎng)立即使電子向熱流引起電子運(yùn)動(dòng)的相反方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)這兩種過程達(dá)到平衡時(shí)，則在棒兩端建立起電位差。,1821年塞貝克發(fā)現(xiàn)了熱能轉(zhuǎn)換為電能的塞貝克效應(yīng)。,5 超導(dǎo)體,（1）超導(dǎo)性,大多數(shù)高純金屬冷卻到0K附近時(shí)，電阻逐漸減小到一個(gè)表征該金屬的最小值。也有一些材料在很低的溫度下電阻突然從某個(gè)值降到零，再進(jìn)一步降溫時(shí)，電阻仍然保持為零，如圖。這種材性質(zhì)稱為超導(dǎo)性。, 零電阻效應(yīng)（完全導(dǎo)電性） 材料的電阻突然降到目前儀器水平所能檢測(cè)的極限值以下。使超導(dǎo)體的電阻變?yōu)榱愕臏囟确Q為零界溫度，以TC表示。, 麥斯納效應(yīng)（完全抗磁性） 當(dāng)溫度處于TC以下時(shí)，外加磁場(chǎng)完全被排除在超導(dǎo)體之外。這時(shí)，如果在其上放置一個(gè)磁體的話，磁體將被頂起一定的距離。,超導(dǎo)材料在特定條件下應(yīng)具備以下兩個(gè)特征：,自1911年荷蘭的H.K.Onnes首先發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)性以來(lái)，至今人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了成千上萬(wàn)種超導(dǎo)體，因此超導(dǎo)體的存在實(shí)際上是一種普遍現(xiàn)象，例如鉛、錫等金屬，一些合金和化合物具有超導(dǎo)性。不過這些超導(dǎo)材料的臨界溫度TC 都很低