緒論、第一章(材料的電子結構與物理性能)

1、陳玉安陳玉安材料科學與工程學院材料科學與工程學院重要提示重要提示一、關于課程一、關于課程1 1、本課程是材料科學與工程專業(yè)的專業(yè)主干課；、本課程是材料科學與工程專業(yè)的專業(yè)主干課；2 2、本課程的先修課程是材料科學基礎、材料物理；、本課程的先修課程是材料科學基礎、材料物理；3 3、本課程理論教學、本課程理論教學5252學時，實驗（學時，實驗（4 4次）次）8 8學時。學時。二、關于紀律二、關于紀律1 1、曠課、曠課3 3次及以上，取消考試資格；次及以上，取消考試資格；2 2、缺實驗、缺實驗1 1次及以上，課程成績以次及以上，課程成績以0 0分計。分計。三、關于成績評定三、關于成績評定1 1、課程

2、成績由平時成績和考試成績組成；、課程成績由平時成績和考試成績組成；2 2、平時成績（含出勤、實驗報告），占、平時成績（含出勤、實驗報告），占20%20%，考試成績占，考試成績占80%80%。主要內容：主要內容：l功能材料的發(fā)展概況l功能材料的定義l功能材料的特點l功能材料的分類一、功能材料一、功能材料的發(fā)展概況的發(fā)展概況材料材料 材料按照性能特征和用途的分類：材料按照性能特征和用途的分類：具有較高力學性能并主要用來制造機械產品結構件的材料具有特殊物理、化學等性能并主要用來制造具有特定功能的元、器件和產品的材料結構材料結構材料Structural materials功能材料功能材料Functio

3、nal materials“力能力能”“功能功能”緒論2020世紀世紀5050年代，隨著微電子學技術的發(fā)展年代，隨著微電子學技術的發(fā)展半導體功能材料半導體功能材料6060年代，出現(xiàn)激光技術年代，出現(xiàn)激光技術光學材料光學材料7070年代，伴隨著光電子技術的誕生年代，伴隨著光電子技術的誕生光電子材料光電子材料8080年代，人工智能、能源科學受到普遍重視年代，人工智能、能源科學受到普遍重視智能材料、儲能材料智能材料、儲能材料新型能源材料（包括原子反應堆材料、太陽能材料、高效電池等）快新型能源材料（包括原子反應堆材料、太陽能材料、高效電池等）快速發(fā)展，生物醫(yī)學材料迅速掘起速發(fā)展，生物醫(yī)學材料迅速掘起形

4、成了較為完善的功能材料體系形成了較為完善的功能材料體系 功能材料的發(fā)展歷史：功能材料的發(fā)展歷史：緒論二、功能材料的定義二、功能材料的定義 具有優(yōu)良的電、磁、聲、光、熱、力學、化學和生物功能及其相互具有優(yōu)良的電、磁、聲、光、熱、力學、化學和生物功能及其相互轉換的功能，被用于非結構目的的一類材料。轉換的功能，被用于非結構目的的一類材料。三、功能材料的特點三、功能材料的特點結構材料結構材料常以材料形式為最終產品，評價的是材料本身的性能。常以材料形式為最終產品，評價的是材料本身的性能。功能材料功能材料評價的元件形式的物理性能。評價的元件形式的物理性能。材料材料元、器件一體元、器件一體化化緒論四、功能材

5、料的分類四、功能材料的分類功能材料按功能體系的分類：功能材料按功能體系的分類：功能材料功能材料磁學功能材料磁學功能材料電學功能材料電學功能材料光學功能材料光學功能材料熱學功能材料熱學功能材料聲學和振動相關功能材料聲學和振動相關功能材料化學及能量功能材料化學及能量功能材料放射性相關功能材料放射性相關功能材料力學功能材料力學功能材料生物技術和生物醫(yī)學工程材料生物技術和生物醫(yī)學工程材料緒論主要內容：主要內容：l 原子的電子排列 l 固體的能帶理論與導電性 l 半導體l 材料的超導電性l 材料的介電性l 材料的磁性l 材料的光學性質重要的關系：重要的關系：電子結構電子結構物理性能物理性能電子結構和電子

6、運動狀態(tài)與固體材料導電性的關系。電子結構和電子運動狀態(tài)與固體材料導電性的關系。第一章材料的電子結構與物理性能金屬材料：金屬材料：導帶未被電子填滿，原子核對導帶電子的束縛弱，導帶電導帶未被電子填滿，原子核對導帶電子的束縛弱，導帶電子容易成為自由電子，因此具有良好的導電性；子容易成為自由電子，因此具有良好的導電性；絕緣體材料：絕緣體材料：導帶沒有填充電子，價帶與導帶之間存在很寬的禁帶，導帶沒有填充電子，價帶與導帶之間存在很寬的禁帶，價帶電子很難被激發(fā)至導帶而成為自由電子，因此不具有導電性；價帶電子很難被激發(fā)至導帶而成為自由電子，因此不具有導電性；半導體材料：半導體材料：導帶沒有填充電子，但價帶與導

7、帶之間的禁帶較窄，價導帶沒有填充電子，但價帶與導帶之間的禁帶較窄，價帶電子一旦被激發(fā)至導帶則成為自由電子，因此具有一定的導電性。帶電子一旦被激發(fā)至導帶則成為自由電子，因此具有一定的導電性。研究電子結構，加深對物理性能的理解，建立研究電子結構，加深對物理性能的理解，建立“電子結構電子結構物理性能物理性能”的關系。的關系。一、原子的微觀結構一、原子的微觀結構 1.1.主量子數(shù)主量子數(shù) n (n =1、2、3、4) 主量子數(shù)確定核外電子離原子核的遠近和能級的高低。主量子數(shù)確定核外電子離原子核的遠近和能級的高低。 2.2.次量子數(shù)次量子數(shù) l (l = 0、1、2、3) 次量子數(shù)反映的是電子軌道的形狀

8、。次量子數(shù)反映的是電子軌道的形狀。 在由主量子數(shù)n確定的同一主殼層上的電子的能量有差異，可分成若干個能量水平不同的亞殼層，其數(shù)目隨主量子數(shù)而定，習慣上以s、p、d、f 表示 。 3.3.磁量子數(shù)磁量子數(shù)m (m = 0、1、2、3) 磁量子數(shù)表示電子云在空間的伸展方向，它確定軌道的空間取向。磁量子數(shù)表示電子云在空間的伸展方向，它確定軌道的空間取向。 4.4.自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)ms (ms = +1/2、-1/2) 自旋量子數(shù)表示在每個狀態(tài)下可以存在自旋方向相反的兩個電子。自旋量子數(shù)表示在每個狀態(tài)下可以存在自旋方向相反的兩個電子。第一節(jié)原子的電子排列第一節(jié)原子的電子排列 第一章材料的電子結構與

9、物理性能1.1 1.1 原子的電子排列原子的電子排列 各電子殼層及亞殼層的電子狀態(tài)各電子殼層及亞殼層的電子狀態(tài)主量子數(shù)主量子數(shù)殼層序號殼層序號次量子數(shù)次量子數(shù)亞殼層狀態(tài)亞殼層狀態(tài)量子數(shù)規(guī)定量子數(shù)規(guī)定的狀態(tài)數(shù)目的狀態(tài)數(shù)目考慮自旋量子數(shù)考慮自旋量子數(shù)后的狀態(tài)數(shù)目后的狀態(tài)數(shù)目殼層殼層總電子數(shù)總電子數(shù)(2n2)11s122（212）22s2p13268（222）33s3p3d135261018（232）44s4p4d4f135726101432（242）第一章材料的電子結構與物理性能1.1 1.1 原子的電子排列原子的電子排列 二、原子核外電子的分布二、原子核外電子的分布 三個基本原理：三個基本原理：

10、l 泡利不相容原理泡利不相容原理 在一個原子中不可能存在四個量子數(shù)完全相同（即運動狀態(tài)完全相同）在一個原子中不可能存在四個量子數(shù)完全相同（即運動狀態(tài)完全相同）的兩個電子?；蛘?，在同一個原子中，最多只能有兩個電子處在同樣能的兩個電子?；蛘?，在同一個原子中，最多只能有兩個電子處在同樣能量狀態(tài)的軌道中，而且這兩個電子的自旋方向必定相反。量狀態(tài)的軌道中，而且這兩個電子的自旋方向必定相反。l 最低能量原理最低能量原理 電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。l 最多軌道規(guī)則（洪特規(guī)則）最多軌道規(guī)則（洪特規(guī)則） 相同能量的軌道（也稱等

11、價軌道）上分布的電子將盡可能分占不同的相同能量的軌道（也稱等價軌道）上分布的電子將盡可能分占不同的軌道，而且自旋方向相同。軌道，而且自旋方向相同。 作為洪特規(guī)則的特例，對于角量子數(shù)相同的軌道，當電子層結構為全充滿、半充滿或全空的狀態(tài)是比較穩(wěn)定的。即： 全充滿: p 6或d 10或f 14 ；半充滿: p 3或d 5或f 7 ； 全空: p 0或d 0或f 0 。第一章材料的電子結構與物理性能1.1 1.1 原子的電子排列原子的電子排列 sspspdspdfspdfspdfspd能能量量主量子數(shù)主量子數(shù)n1234567電子能量水平隨主量子數(shù)和次量子數(shù)的變化情況電子能量水平隨主量子數(shù)和次量子數(shù)的變

12、化情況第一章材料的電子結構與物理性能1.1 1.1 原子的電子排列原子的電子排列 第二節(jié)固體的能帶理論與導電性第二節(jié)固體的能帶理論與導電性 一、能帶的形成一、能帶的形成 基本原理：基本原理： 對于單個原子：對于單個原子：u 單個原子的電子處在不同的分立能級或軌道上。單個原子的電子處在不同的分立能級或軌道上。 例如，一個原子有一個2s 能級，3個2p 能級，5個3d 能級。u 不同能級之間的電子能量各不相同。不同能級之間的電子能量各不相同。 電子的能量就是其所在能級的能量。u 單個原子的電子只能占據(jù)特定的軌道或能級，單個原子的電子只能占據(jù)特定的軌道或能級， 在每個能級上可容許有兩個自旋方向相反的

13、電子。 u 各能級之間存在著能隙。各能級之間存在著能隙。 能隙是電子能量的“真空”地帶。第一章材料的電子結構與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導電性固體的能帶理論與導電性3s2p2s1s2N電子電子6N電子電子2N電子電子2N電子電子能帶的形成能帶的形成1原子原子2原子原子N原子原子第一章材料的電子結構與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導電性固體的能帶理論與導電性 對于晶體（由大量原子組成）：對于晶體（由大量原子組成）：u 各個原子的能級因電子云的重疊產生分裂現(xiàn)象。各個原子的能級因電子云的重疊產生分裂現(xiàn)象。 在由N個原子組成的晶體中，每個原子的一個能級將分裂成N個，每個能級上的電子數(shù)不

14、變。 u 能級分裂后，其最高和最低能級之間的能量差只有幾十個能級分裂后，其最高和最低能級之間的能量差只有幾十個eV。 例如，當實際晶體即使小到體積只有1mm3，所包含的原子數(shù)也有N=1019左右，當分裂成的1019個能級只分布在幾十個eV的范圍內時，每一能級的間隔就非常的小。 u 電子的能量或能級幾乎就是連續(xù)變化的，于是形成了能帶。電子的能量或能級幾乎就是連續(xù)變化的，于是形成了能帶。u 能帶之間也存在著一些無電子能級的能量區(qū)域，稱為禁帶或能隙。能帶之間也存在著一些無電子能級的能量區(qū)域，稱為禁帶或能隙。 禁帶也是電子能量的“真空”地帶。第一章材料的電子結構與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導

15、電性固體的能帶理論與導電性重要概念：重要概念：滿帶：滿帶：被電子填滿的能帶。被電子填滿的能帶?？諑В嚎諑В簺]有被電子填充的能帶。沒有被電子填充的能帶。價帶：價帶：被價電子占據(jù)的能量最高的能帶。被價電子占據(jù)的能量最高的能帶。導帶：導帶：價帶以上的空帶。價帶以上的空帶。金屬導電機理：金屬導電機理： 價帶上的電子躍遷到導帶上成為自由電子，自由電子在電場作用價帶上的電子躍遷到導帶上成為自由電子，自由電子在電場作用下作定向運動形成電流。下作定向運動形成電流。二、金屬的能帶結構與導電性二、金屬的能帶結構與導電性l 金屬的能帶結構金屬的能帶結構第一章材料的電子結構與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導電性

16、固體的能帶理論與導電性各種金屬的能帶結構各種金屬的能帶結構3p02p63s22s21s2(b)堿土金屬堿土金屬Mg3s和和3p能帶重疊，形成擴展能帶能帶重疊，形成擴展能帶4s23d63p63s22p62s21s2(c)過渡金屬過渡金屬Fe4s和和3d能帶重疊，形成擴展能帶能帶重疊，形成擴展能帶3s12p62s21s2(a)堿金屬堿金屬Na導帶導帶價帶價帶第一章材料的電子結構與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導電性固體的能帶理論與導電性l 電荷載流子電荷載流子 定義：定義：載帶電荷運動的粒子稱為電荷載流子。載帶電荷運動的粒子稱為電荷載流子。 基本類型：基本類型： 電子和陰離子電子和陰離子負電

17、荷載流子，也稱為負型載流子。 陽離子陽離子正電荷載流子，也稱為正型載流子。如Pb2+。 空穴空穴正電荷載流子。在半導體中尤為重要。 電導率和載流子：電導率和載流子： 載流子遷移率：載流子遷移率：在外加電場作用下，載流子在原子尺度的結構中移在外加電場作用下，載流子在原子尺度的結構中移動的難易程度，即：動的難易程度，即： 電導率：電導率：由載流子濃度由載流子濃度n、每個載流子所帶電荷、每個載流子所帶電荷q、載流子遷移率、載流子遷移率 決定，即：決定，即： nq1 第一章材料的電子結構與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導電性固體的能帶理論與導電性l 金屬的電阻率與溫度的關系金屬的電阻率與溫度的關

18、系一般而言，金屬的電阻率與溫度的關系是線性的，且具有正的溫度一般而言，金屬的電阻率與溫度的關系是線性的，且具有正的溫度系數(shù)，即隨著溫度上升，電阻率增加。系數(shù)，即隨著溫度上升，電阻率增加。 原理：原理：由于晶體熱擾動的強度隨溫度的上升而成比例地增加，減少了晶體的規(guī)則性而使電子的平均自由程減小，從而減小了金屬中電子的遷移率，使電阻率增大。 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)yT與溫度與溫度T和電阻率和電阻率 的關系：的關系：)1 (T0TTy 第一章材料的電子結構與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導電性固體的能帶理論與導電性三、費米能級三、費米能級 l 費米分布函數(shù)費米分布函數(shù) f（E）1e1)(T/

19、)(kEEfEff（E）的物理意義：）的物理意義：代表在一定溫度下電子占有能量為E的狀態(tài)的幾率。Ef ：費米能 l 費米能的意義費米能的意義（1）Ef 以下基本上是被電子填滿的，以下基本上是被電子填滿的，Ef 以上的能級基本上是空的。以上的能級基本上是空的。（2）由于熱運動，電子可具有大于）由于熱運動，電子可具有大于Ef 的能量而躍遷到導帶中，但只集的能量而躍遷到導帶中，但只集中在導帶的底部。同樣理由，價帶中的空穴也多集中在價帶的頂部。中在導帶的底部。同樣理由，價帶中的空穴也多集中在價帶的頂部。（3）對于一般金屬，）對于一般金屬，Ef 處于價帶和導帶的分界處。對于半導體，處于價帶和導帶的分界處

20、。對于半導體，Ef 位位于禁帶中央。于禁帶中央。第一章材料的電子結構與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導電性固體的能帶理論與導電性金剛石（金剛石（C）、硅（）、硅（Si）和鍺（）和鍺（Ge）的能帶結構）的能帶結構CSi GeEspr空的導帶空的導帶滿的價帶滿的價帶四、半導體和絕緣體的能帶結構與導電性四、半導體和絕緣體的能帶結構與導電性 第一章材料的電子結構與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導電性固體的能帶理論與導電性導體、半導體和絕緣體的能帶結構導體、半導體和絕緣體的能帶結構（ Ev代表價帶的最高能量，代表價帶的最高能量， Ec代表導帶的最低能量，代表導帶的最低能量，Ef是費米能）是費

21、米能）價價帶帶導帶導帶EgEfEcEv價價帶帶導帶導帶EcEv價價帶帶導帶導帶Ev半導體半導體導體導體絕緣體絕緣體Eg第一章材料的電子結構與物理性能1.21.2固體的能帶理論與導電性固體的能帶理論與導電性例例：估計金剛石、硅、鍺、灰錫四種元估計金剛石、硅、鍺、灰錫四種元素的電子在室溫（素的電子在室溫（2727 C C）下進入導帶的）下進入導帶的幾率。幾率。 已知：已知：C、Si、Ge、Sn的禁帶寬度分別為：的禁帶寬度分別為： 5.4eV、1.1 eV、0.67 eV、0.08 eV，玻耳茲曼常數(shù)：玻耳茲曼常數(shù)：k=1.380510-23J/K。第一章材料的電子結構與物理性能1.21.2固體的能

22、帶理論與導電性固體的能帶理論與導電性第三節(jié)半導體第三節(jié)半導體半導體導電特性的兩個顯著的特點：半導體導電特性的兩個顯著的特點：l 半導體的電導率對材料的純度的依賴性極為敏感。半導體的電導率對材料的純度的依賴性極為敏感。 例如，百萬分之一的硼含量就能使純硅的電導率成萬倍增加。如果所含雜質的類型不同，導電類型也不同（如電子電導或空穴電導）。 l 電阻率受外界條件（如熱、光等）的影響很大。電阻率受外界條件（如熱、光等）的影響很大。溫度升高或受光照射時均可使電阻率迅速下降。一些特殊的半導體在電場或磁場的作用下，電阻率也會發(fā)生變化。第一章材料的電子結構與物理性能1.3 1.3 半導體半導體價帶價帶導帶導帶

23、Egh 價帶電子受光輻射躍遷到導帶，在價帶上留下空穴價帶電子受光輻射躍遷到導帶，在價帶上留下空穴一、本征半導體一、本征半導體本征半導體是不含有任何雜質的半導體，它表示半導體本身固有本征半導體是不含有任何雜質的半導體，它表示半導體本身固有的特性。的特性。 本征半導體的特點：本征半導體的特點：l電導是導帶中的電子導電和價帶中的空穴導電共同作用的結果。電導是導帶中的電子導電和價帶中的空穴導電共同作用的結果。l導帶電子和價帶空穴的濃度相等。導帶電子和價帶空穴的濃度相等。 第一章材料的電子結構與物理性能1.3 1.3 半導體半導體半導體材料的能隙與電子運動性半導體材料的能隙與電子運動性材料材料能隙能隙/

24、eV電子運動速率電子運動速率孔運動速率孔運動速率/ cm2(Vs)-1/ cm2(Vs)-1C(金剛石金剛石)SiGeSn5.41.1070.670.081800190038002500140050018502400兩個規(guī)律：兩個規(guī)律： 沿周期表下移，即依沿周期表下移，即依C(C(金剛石金剛石) )、SiSi、GeGe、SnSn的順序，能隙依次減??；的順序，能隙依次減??； 在給定的半導體中，電子遷移率大于同一半導體中空穴的遷移率。在給定的半導體中，電子遷移率大于同一半導體中空穴的遷移率。 第第點在討論與點在討論與p p型半導體相對照的型半導體相對照的n n型半導體時尤其重要。型半導體時尤其重要

25、。 l 本征半導體的電荷遷移率本征半導體的電荷遷移率)(henq第一章材料的電子結構與物理性能1.3 1.3 半導體半導體l 本征半導體的電導率與溫度的關系本征半導體的電導率與溫度的關系 當溫度升高，價帶中電子熱運動加劇，使電子能夠獲得更高的能量，當溫度升高，價帶中電子熱運動加劇，使電子能夠獲得更高的能量，從而使躍遷到導帶的電子數(shù)增加，電荷載流子數(shù)隨之增加，最終使電導率從而使躍遷到導帶的電子數(shù)增加，電荷載流子數(shù)隨之增加，最終使電導率增大。增大。本征半導體的電導率：本征半導體的電導率：結論：結論： 本征半導體的電導率受溫度影響很大，隨溫度的升高呈指數(shù)增長。 通過測定半導體材料的電導率和溫度的關系

26、可以求出其禁帶寬度Eg。 kTEge2/0第一章材料的電子結構與物理性能1.3 1.3 半導體半導體例：例：有某種半導體，實驗測出其在有某種半導體，實驗測出其在20 C下的電導率為下的電導率為250 -1m-1，100 C時為時為1100 -1m-1，問能隙，問能隙Eg有多大？有多大？已知：已知：玻耳茲曼常數(shù)：玻耳茲曼常數(shù)：k1.380510-23J/K，電子電荷：電子電荷：q1.602110-19C。第一章材料的電子結構與物理性能1.3 1.3 半導體半導體二、摻雜半導體二、摻雜半導體 本征半導體的電導率隨溫度而變，不易控制，難以做成器件使用。本征半導體的電導率隨溫度而變，不易控制，難以做成

27、器件使用。 在本征半導體中摻入一定的雜質元素（如周期表中的在本征半導體中摻入一定的雜質元素（如周期表中的VA、IIIA的元的元素），使其變成摻雜半導體，可以改變能帶中的電子濃度或空穴濃度。素），使其變成摻雜半導體，可以改變能帶中的電子濃度或空穴濃度。 摻雜半導體的特點：摻雜半導體的特點：l 導帶電子或價帶空穴可以獨立改變，即電子濃度和空穴濃度可以不導帶電子或價帶空穴可以獨立改變，即電子濃度和空穴濃度可以不相等。相等。l 摻雜后將導致導帶電子濃度增加或價帶空穴濃度增加，前者摻雜形摻雜后將導致導帶電子濃度增加或價帶空穴濃度增加，前者摻雜形成的半導體稱為成的半導體稱為n n型半導體，后者摻雜形成的半

28、導體稱為型半導體，后者摻雜形成的半導體稱為p p型半導體。型半導體。l 隨著摻雜半導體中摻雜雜質元素和數(shù)量的不同，費米能級不再位于隨著摻雜半導體中摻雜雜質元素和數(shù)量的不同，費米能級不再位于禁帶中央，或者向上方移動（如禁帶中央，或者向上方移動（如n n型），或者向下方移動（如型），或者向下方移動（如p p型）。型）。第一章材料的電子結構與物理性能1.3 1.3 半導體半導體l n型半導體型半導體 基本定義：基本定義： 當在純凈的硅當在純凈的硅(或鍺或鍺)中摻雜施主雜質時，半導體則主要依靠施主提供中摻雜施主雜質時，半導體則主要依靠施主提供的電子導電，此即的電子導電，此即n型半導體。型半導體。 特點

29、：特點：l 施主雜質提供的額外電子不能位于價帶中，而只能位于靠近禁帶的施主雜質提供的額外電子不能位于價帶中，而只能位于靠近禁帶的頂部（或靠近導帶的底部）。頂部（或靠近導帶的底部）。l 額外電子與原子結合不夠緊密，能量較高，只需外界施以較小的能額外電子與原子結合不夠緊密，能量較高，只需外界施以較小的能量就可以進入導帶。量就可以進入導帶。l 額外電子進入導帶需要克服的能壘為額外電子進入導帶需要克服的能壘為E Ed d ，通常稱為施主能級。它比，通常稱為施主能級。它比較接近導帶底的能量。較接近導帶底的能量。l 控制控制n n型半導體電導率的是型半導體電導率的是E Ed d 而非是而非是E Eg g

30、。第一章材料的電子結構與物理性能1.3 1.3 半導體半導體價帶價帶導帶導帶n型半導體中施主能級型半導體中施主能級Ed的位置的位置施主能級施主能級Ed禁帶禁帶第一章材料的電子結構與物理性能1.3 1.3 半導體半導體 載流子的濃度：載流子的濃度：式中：第一項為施主雜質的電子濃度，第二項為無雜質純半導體的電子和空穴濃度，n0d 和n0均大致為常數(shù)。 施主耗盡：施主耗盡： 在在n n型半導體中，當溫度升高時，有越來越多的施主雜質電子能克服型半導體中，當溫度升高時，有越來越多的施主雜質電子能克服E Ed d進入導帶，最后直到所有雜質電子全部進入導帶，即出現(xiàn)施主耗盡。進入導帶，最后直到所有雜質電子全部

31、進入導帶，即出現(xiàn)施主耗盡。 施主耗盡出現(xiàn)時，施主耗盡出現(xiàn)時，n n型半導體的電導率將不再發(fā)生變化。型半導體的電導率將不再發(fā)生變化。n總總ne（施主）（施主）ne（本征）（本征）nh（本征）（本征） n總kTEkTEgdnnn2/0/d0e2e總 第一章材料的電子結構與物理性能1.3 1.3 半導體半導體電電導導率率溫度溫度 約為常數(shù)約為常數(shù)本征本征耗盡耗盡摻雜摻雜n型半導體電導率隨溫度的變化型半導體電導率隨溫度的變化通常半導體材料選擇在施主耗盡即顯示平臺溫度范圍內工作。通常半導體材料選擇在施主耗盡即顯示平臺溫度范圍內工作。第一章材料的電子結構與物理性能1.3 1.3 半導體半導體l p型半導體

32、型半導體 基本定義：基本定義： 當在純凈的硅當在純凈的硅(或鍺或鍺)中摻雜受主雜質時，半導體則主要依靠受主提供中摻雜受主雜質時，半導體則主要依靠受主提供的空穴導電，此即的空穴導電，此即p型半導體。型半導體。 特點：特點：l 受主雜質提供的空穴不能位于價帶中，而只能是靠近禁帶底部（或受主雜質提供的空穴不能位于價帶中，而只能是靠近禁帶底部（或靠近價帶的頂部）?？拷鼉r帶的頂部）。l 受主雜質接受一個電子并產生空穴所需克服的勢壘只稍高于價帶，受主雜質接受一個電子并產生空穴所需克服的勢壘只稍高于價帶，以受主能級以受主能級E Ea a表示。表示。 l 控制控制p p型半導體電導率的是型半導體電導率的是E

33、Ea a 而非是而非是E Eg g 。 載流子的濃度：載流子的濃度：kTEkTEgannn2/0/a0總e2e第一章材料的電子結構與物理性能1.3 1.3 半導體半導體價帶價帶導帶導帶p型半導體中受主能級型半導體中受主能級Ea的位置的位置受主能級受主能級Ea禁帶禁帶第一章材料的電子結構與物理性能1.3 1.3 半導體半導體第四節(jié)材料的超導電性第四節(jié)材料的超導電性 一、超導現(xiàn)象與超導電性一、超導現(xiàn)象與超導電性在一定的溫度下，材料突然失去電阻的現(xiàn)象稱為超導電性。在一定的溫度下，材料突然失去電阻的現(xiàn)象稱為超導電性。正常導體正常導體T(K)R（ ）Tc4.2Hg的電阻與溫度的關系的電阻與溫度的關系第一

34、章材料的電子結構與物理性能1.4 1.4 材料的超導電性材料的超導電性 二、超導電性的基本特征二、超導電性的基本特征l 零電阻效應（零電阻效應（R0） 材料在某一溫度下突然失去電阻的現(xiàn)象，稱為零電阻效應。材料在某一溫度下突然失去電阻的現(xiàn)象，稱為零電阻效應。l 邁斯納效應（邁斯納效應（B0） 處于超導態(tài)的物體完全排斥磁場，即磁力線不能進入超導體內部，這處于超導態(tài)的物體完全排斥磁場，即磁力線不能進入超導體內部，這一特征叫完全抗磁性或邁斯納效應。一特征叫完全抗磁性或邁斯納效應。邁斯納效應（超導球排斥磁通）邁斯納效應（超導球排斥磁通）第一章材料的電子結構與物理性能1.4 1.4 材料的超導電性材料的超

35、導電性 三、超導體的臨界參數(shù)三、超導體的臨界參數(shù)l 臨界溫度臨界溫度T Tc c 臨界溫度即超導轉變溫度。臨界溫度即超導轉變溫度。 當當T T T Tc c時：超導體呈正常態(tài)；時：超導體呈正常態(tài)； 當當T T T Tc c時，超導體由正常態(tài)轉變?yōu)槌瑢B(tài)。時，超導體由正常態(tài)轉變?yōu)槌瑢B(tài)。l 臨界磁場臨界磁場H Hc c 當溫度低于當溫度低于T Tc c時，強磁場也會破壞超導態(tài)，即有磁力線穿入超導體內，時，強磁場也會破壞超導態(tài)，即有磁力線穿入超導體內，材料就從超導態(tài)轉變?yōu)檎B(tài)。材料就從超導態(tài)轉變?yōu)檎B(tài)。 將可以破壞超導態(tài)的最小磁場，稱為臨界磁場。將可以破壞超導態(tài)的最小磁場，稱為臨界磁場。l 臨

36、界電流臨界電流I Ic c（臨界電流密度（臨界電流密度J Jc c） 通過超導體的電流也會破壞超導態(tài)，當電流超過某一臨界值時，超導通過超導體的電流也會破壞超導態(tài)，當電流超過某一臨界值時，超導體就出現(xiàn)電阻。體就出現(xiàn)電阻。 將產生臨界磁場的電流，即超導態(tài)允許流動的最大電流，稱為臨界電將產生臨界磁場的電流，即超導態(tài)允許流動的最大電流，稱為臨界電流。流。 第一章材料的電子結構與物理性能1.4 1.4 材料的超導電性材料的超導電性 超導部分超導部分正常導體部分正常導體部分磁通磁通磁場磁場電流電流超導態(tài)與正常態(tài)的混合狀態(tài)超導態(tài)與正常態(tài)的混合狀態(tài)兩類超導體：兩類超導體：l 第一類超導體：第一類超導體：當當H

37、 H H Hc c時，呈超導性；時，呈超導性；當當H H H Hc c時，呈正常態(tài)。時，呈正常態(tài)。l 第二類超導體：第二類超導體：有兩個臨界磁場：下臨界磁場有兩個臨界磁場：下臨界磁場和上臨界磁場（分別用和上臨界磁場（分別用H Hc1c1和和H Hc2c2表示）。表示）。T T T Tc c時：時：當當H H H Hc1c1時，與第一類超導體時，與第一類超導體相同，表現(xiàn)出完全抗磁性；相同，表現(xiàn)出完全抗磁性；當當H Hc1c1H H H Hc2c2時，第二類超時，第二類超導體處于超導態(tài)與正常態(tài)的混合導體處于超導態(tài)與正常態(tài)的混合狀態(tài)；狀態(tài)；當當H H H Hc2c2時，超導部分消失，時，超導部分消失

38、，導體轉為正常態(tài)。導體轉為正常態(tài)。通常，第二類超導體的Hc1較小，Hc2 則比Hc1高一個數(shù)量級，并且，大部分第二類超導體的Hc2比第一類超導體的Hc要高得多。第一章材料的電子結構與物理性能1.4 1.4 材料的超導電性材料的超導電性 l 三個臨界參數(shù)的關系三個臨界參數(shù)的關系 超導體的三個臨界參數(shù)具有超導體的三個臨界參數(shù)具有相互關聯(lián)性，要使超導體處于相互關聯(lián)性，要使超導體處于超導狀態(tài)，必須使這三個臨界超導狀態(tài)，必須使這三個臨界參數(shù)都滿足規(guī)定的條件，任何參數(shù)都滿足規(guī)定的條件，任何一個條件遭到破壞，超導狀態(tài)一個條件遭到破壞，超導狀態(tài)隨即消失。三者的關系可用右隨即消失。三者的關系可用右圖所示曲面來表

39、示。在臨界面圖所示曲面來表示。在臨界面以下的狀態(tài)為超導態(tài)，其余均以下的狀態(tài)為超導態(tài)，其余均為正常態(tài)。為正常態(tài)。 從實用性來看，希望三個臨從實用性來看，希望三個臨界參數(shù)越大越好。界參數(shù)越大越好。JTHHcJcTcT-H-J臨界面臨界面超導體三個臨界參數(shù)之間的關系超導體三個臨界參數(shù)之間的關系第一章材料的電子結構與物理性能1.4 1.4 材料的超導電性材料的超導電性 四、超導電性的微觀機制四、超導電性的微觀機制l 電子電子-聲子相互作用聲子相互作用 聲子：聲子：晶格振動的能量子。晶格振動的能量子。在T0 K時，晶格點陣上的離子在其平衡位置附近振動，并相互耦合在一起。任何局部的擾動或激發(fā)，都會通過格波

40、的傳遞，導致晶格點陣集體振動。這種集體振動，可以看成由若干個互相獨立、頻率各異的簡正振動疊加而成。每一個簡正振動的能量量子，稱為聲子。 聲子的行為：聲子的行為：聲子也具有粒子的性質，會與電子發(fā)生相互作用，聲子也具有粒子的性質，會與電子發(fā)生相互作用，這種作用，即電子與晶格點陣的相互作用稱為電子這種作用，即電子與晶格點陣的相互作用稱為電子- -聲子相互作用。聲子相互作用。當一個電子通過相互作用，把能量、動量轉移給晶格點陣，從而激起它的某個簡正頻率的擾動，叫做產生一個聲子。相反，通過相互作用，使振動的晶格點陣獲得能量、動量，同時又減弱某個簡正頻率的擾動，叫做吸收一個聲子。電子電子- -聲子相互作用可

41、以直接改變電子的運動狀態(tài)。聲子相互作用可以直接改變電子的運動狀態(tài)。第一章材料的電子結構與物理性能1.4 1.4 材料的超導電性材料的超導電性 l 超導能隙超導能隙 金屬處于超導態(tài)時的電子能譜金屬處于超導態(tài)時的電子能譜具有顯著的特點：具有顯著的特點： 在費米能級在費米能級Ef 附近，存在一個附近，存在一個能量間隔（能量間隔（2 ） ，稱作超導能隙。，稱作超導能隙。 當T0 K時，能量處于能隙下邊緣以下的狀態(tài)全被占據(jù)，能隙上邊緣以上的狀態(tài)全部空著。能量在費米能級附近的電子全部配成庫柏對，這將使超導態(tài)處于能量最低的狀態(tài)，即超導基態(tài)。超導基態(tài)相應的系統(tǒng)能量小于系統(tǒng)處于正常態(tài)時的能量。2 正常態(tài)正常態(tài)0

42、K下的正常態(tài)和超導態(tài)電子能譜下的正常態(tài)和超導態(tài)電子能譜超導態(tài)超導態(tài)空態(tài)空態(tài)滿態(tài)滿態(tài)Ef第一章材料的電子結構與物理性能1.4 1.4 材料的超導電性材料的超導電性 l 庫柏電子對庫柏電子對 當兩個電子間存在凈的吸引作用時，在費米面附近就存在一個動量大當兩個電子間存在凈的吸引作用時，在費米面附近就存在一個動量大小相等、方向相反且自旋相反的兩電子束縛態(tài)，它的能量比兩個獨立的小相等、方向相反且自旋相反的兩電子束縛態(tài)，它的能量比兩個獨立的電子總能量低，這種束縛態(tài)電子對稱為庫柏對。電子總能量低，這種束縛態(tài)電子對稱為庫柏對。q1q2電子與正離子相互作用電子與正離子相互作用形成庫柏電子對形成庫柏電子對 庫柏電

43、子對的形成過程：庫柏電子對的形成過程： 處于超導態(tài)的超導體內，若某一個自處于超導態(tài)的超導體內，若某一個自由電子由電子q1在正離子附近運動時，會吸引正在正離子附近運動時，會吸引正離子而使這個區(qū)域的局部正電荷密度增離子而使這個區(qū)域的局部正電荷密度增加，當另一個電子加，當另一個電子q2在這個正電荷密度增在這個正電荷密度增加了的場中運動時，就會受到這個場的加了的場中運動時，就會受到這個場的吸引作用，這個作用相當于吸引作用，這個作用相當于q1對對q2產生吸產生吸引力，即電子引力，即電子q1吸引電子吸引電子q2。若這個吸引。若這個吸引力大于力大于q1和和q2之間的庫侖斥力，這兩個電之間的庫侖斥力，這兩個電

44、子就可以結合成為一個電子對。子就可以結合成為一個電子對。第一章材料的電子結構與物理性能1.4 1.4 材料的超導電性材料的超導電性 l BCSBCS超導微觀理論超導微觀理論 BCSBCS理論的核心點：理論的核心點： 庫柏電子對導致能隙的存在；庫柏電子對導致能隙的存在； 元素或合金的超導轉變溫度與費米面附近電子能態(tài)密度與電子元素或合金的超導轉變溫度與費米面附近電子能態(tài)密度與電子- -聲聲子相互作用能有關。子相互作用能有關。 一種金屬如果在室溫下具有較高的電阻率，冷卻時就有更大可能成為超導體。BCSBCS理論對超導電性的解釋：理論對超導電性的解釋： 電子同晶格相互作用導致在常溫下形成電阻，但在低溫

45、下，則是產電子同晶格相互作用導致在常溫下形成電阻，但在低溫下，則是產生庫柏電子對的原因。溫度越低，所產生的庫柏電子對越多。生庫柏電子對的原因。溫度越低，所產生的庫柏電子對越多。 庫柏對不能互相獨立地運動，只能以關聯(lián)的形式作集體運動。庫柏對不能互相獨立地運動，只能以關聯(lián)的形式作集體運動。 在臨界溫度下，庫柏對具有與晶格相同的振動頻率，因而導致庫柏在臨界溫度下，庫柏對具有與晶格相同的振動頻率，因而導致庫柏對集體地同步穿過振動的晶格，使電子對與晶格之間碰撞的時間間隔以對集體地同步穿過振動的晶格，使電子對與晶格之間碰撞的時間間隔以及與之相關的電導率無限增大，從而呈現(xiàn)電阻消失現(xiàn)象。及與之相關的電導率無限

46、增大，從而呈現(xiàn)電阻消失現(xiàn)象。 第一章材料的電子結構與物理性能1.4 1.4 材料的超導電性材料的超導電性 五、超導隧道效應五、超導隧道效應 （約瑟夫森效應）（約瑟夫森效應） 兩超導體中間的絕緣層能讓超導電流通過的現(xiàn)象，稱為超導隧道效應。兩超導體中間的絕緣層能讓超導電流通過的現(xiàn)象，稱為超導隧道效應。 延伸：延伸：兩塊超導體中間夾一層金屬可形成約瑟夫森結； 超導體中間為真空，兩者靠得很近可行形成約瑟夫森結； 兩塊超導體構成點接觸可行形成約瑟夫森結； 兩塊超導體構成微橋接觸可行形成約瑟夫森結。S1S2nm級厚度的介電勢壘級厚度的介電勢壘I約瑟夫森結示意圖約瑟夫森結示意圖 構成約瑟夫森結的關鍵：構成約

47、瑟夫森結的關鍵： 兩塊超導體間呈弱連接。兩塊超導體間呈弱連接。第一章材料的電子結構與物理性能1.4 1.4 材料的超導電性材料的超導電性 隧道結隧道結超導膜超導膜基片基片表面氧化的超導膜表面氧化的超導膜超導膜超導膜基片基片橋區(qū)橋區(qū)具有尖端的具有尖端的超導細針超導細針超導體超導體a)b)c)幾種常見的約瑟夫森結幾種常見的約瑟夫森結a) a) 隧道結隧道結b) b) 超導微橋超導微橋c) c) 點接觸結點接觸結第一章材料的電子結構與物理性能1.4 1.4 材料的超導電性材料的超導電性 第五節(jié)材料的介電性第五節(jié)材料的介電性 一、電介質的極化一、電介質的極化l 極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象 材料按對外電場響應方式

48、的不同的分類：材料按對外電場響應方式的不同的分類：導電材料導電材料電荷以長程遷移即傳導的方式對外電場作出響應。電荷以長程遷移即傳導的方式對外電場作出響應。電介質電介質(介電材料介電材料)電荷以感應的方式對外電場作出響應，電荷以感應的方式對外電場作出響應，即沿電場方向產生電偶極矩或電偶極矩的改變。即沿電場方向產生電偶極矩或電偶極矩的改變。極化第一章材料的電子結構與物理性能1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 非極性電介質非極性電介質由非極性分子組成，在無外加電場時分子的正負電荷重心由非極性分子組成，在無外加電場時分子的正負電荷重心互相重合，不具有電偶極矩，只是在外加電場作用下正負電互相重合，

49、不具有電偶極矩，只是在外加電場作用下正負電荷出現(xiàn)相對位移，才出現(xiàn)電偶極矩。荷出現(xiàn)相對位移，才出現(xiàn)電偶極矩。極性電介質極性電介質 由極性分子組成，即使在無外電場時每個分子的正負電荷由極性分子組成，即使在無外電場時每個分子的正負電荷重心也不互相重合，具有固有電偶極矩。重心也不互相重合，具有固有電偶極矩。電解質的分類：電解質的分類：第一章材料的電子結構與物理性能1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 l 極化機制極化機制 電介質極化的三種主要基本過程：電介質極化的三種主要基本過程：電子極化電子極化由材料中原子核外電子云畸變產生。由材料中原子核外電子云畸變產生。離子極化離子極化由材料的分子中正、負離

50、子相對位移造成。由材料的分子中正、負離子相對位移造成。又稱原子極化。又稱原子極化。轉向極化轉向極化由材料分子的固有電矩在外電場作用下轉動而導致。由材料分子的固有電矩在外電場作用下轉動而導致。又稱分子極化、取向極化。又稱分子極化、取向極化。第一章材料的電子結構與物理性能1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 +-電子電子原子核原子核E=0+-E 0-+-E 0-+-+正離子正離子負離子負離子E=0+-+-+-+-+-+-E=0偶極子偶極子+-+-+-+-+-+-E 0c)b)a)固體中的極化機制固體中的極化機制 a）電子型）電子型電子云中心與正電荷中心不重合電子云中心與正電荷中心不重合b）離子

51、型）離子型正離子與負離子相對位置發(fā)生移動正離子與負離子相對位置發(fā)生移動c）分子型）分子型永久性的偶極子沿外電場進行取向永久性的偶極子沿外電場進行取向l 極化強度極化強度 電介質中一個中性分子的電偶極矩：電介質中一個中性分子的電偶極矩： lqpq q 分子中正電荷的總量； 正負電荷重心之間的位矢，由負電荷重心指向正電荷重心。電介質的極化強度：電介質的極化強度：極化強度的物理意義：極化強度的物理意義：電介質單位體積內電偶極矩的矢量和。電介質單位體積內電偶極矩的矢量和。 lVpP/(C/m2)第一章材料的電子結構與物理性能1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 二、介電常數(shù)與電容二、介電常數(shù)與電容

52、l 介電常數(shù)介電常數(shù) 現(xiàn)象：現(xiàn)象： 由于極化的結果，電介質的表面形成了符號相反的感應電荷，它將一由于極化的結果，電介質的表面形成了符號相反的感應電荷，它將一個與外電場方向相反的電場，使外電場受到削弱。個與外電場方向相反的電場，使外電場受到削弱。顯然，介質的極化能力越強，其形成的反向電場越大。顯然，介質的極化能力越強，其形成的反向電場越大。 介電常數(shù)：介電常數(shù)：反映電介質極化能力的物理量。反映電介質極化能力的物理量。 電介質的介電常數(shù)；D 介質中的電位移。D值的大小與極板上自由電荷的密度有關；E 介質中的電場強度。為外加電場與束縛電荷形成的合電場。ED第一章材料的電子結構與物理性能1.5 1.5

53、 材料的介電性材料的介電性 l 電容電容 最簡單的電容器的構造：最簡單的電容器的構造： +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+VQQP間隙中的介電材料間隙中的介電材料（被極化）（被極化）l+-+VQQ極板面積極板面積A間隙中電介質間隙中電介質為空氣或真空為空氣或真空平板電容器的構造平板電容器的構造a）電介質為空氣或真空）電介質為空氣或真空b）電介質為比空氣或真空易于極化的材料）電介質為比空氣或真空易于極化的材料a)b)第一章材料的電子結構與物理性能1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 電容器的電容值：電容器的電容值： 儲存于一塊極板上的電量儲存于一塊極板上的電量Q Q 正比于所加的

54、電壓正比于所加的電壓V V，即：，即：Q = C V。 比例常數(shù)比例常數(shù)C 定義為電容，其單位是法拉第，定義為電容，其單位是法拉第，F(xiàn)。 電容C與所加電壓的大小無關，而決定于電容器的幾何尺寸。如果每個極板的面積為A(m2)，而兩極板間的距離為l（m），則有：C = A / l 介電常數(shù)介電常數(shù) 兩極板之間為真空，則稱真空介電常數(shù)0。 r r 相對介電常數(shù)相對介電常數(shù) r = / 0（無因次） r r表征了電介質貯存電能能力的大小。表征了電介質貯存電能能力的大小。 介電常數(shù)介電常數(shù) 與極化強度與極化強度P之間的關系：之間的關系： = 0 + P / E 第一章材料的電子結構與物理性能1.5 1.

55、5 材料的介電性材料的介電性 材料的相對介電常數(shù)材料的相對介電常數(shù)材料材料 r材料材料 r空氣（或真空）空氣（或真空）1.0鎂橄欖石（鎂橄欖石（2 MgOSiO2）6.2水水80.4堇青石（堇青石（2 MgO2Al2O355SiO2）4.55.4陶瓷陶瓷聚合物聚合物金剛石金剛石5.56.6酚醛樹脂酚醛樹脂5.0Al2O3（多晶體）（多晶體）9.0硅橡膠硅橡膠2.8SiO23.73.8環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂3.5 MgO9.6尼龍尼龍6, 64.0 NaCl5.9聚碳酸酯聚碳酸酯3.0 BaTiO33000聚苯乙烯聚苯乙烯2.5 云母云母5.48.7高密度聚乙烯高密度聚乙烯2.3派熱克斯玻璃派熱克斯玻

56、璃4.06.0聚四氟乙烯聚四氟乙烯2.0滑石（滑石（2SiO2MgO）5.57.5聚氯乙烯聚氯乙烯3.2第一章材料的電子結構與物理性能1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 電介質在交變電場作用下，以發(fā)熱的形式而耗散能量的現(xiàn)象稱為介電電介質在交變電場作用下，以發(fā)熱的形式而耗散能量的現(xiàn)象稱為介電損耗。損耗。產生介電損耗的原因：產生介電損耗的原因： 電介質中微量雜質而引起的漏導電流；電介質中微量雜質而引起的漏導電流； 極化取向與外加電場由于相位差而產生的極化電流損耗。極化取向與外加電場由于相位差而產生的極化電流損耗。 是主要原因。是主要原因。影響介電損耗的因素：影響介電損耗的因素： 介電損耗與所

57、加電場的頻率介電損耗與所加電場的頻率f、電場強度、電場強度E、材料的介電常數(shù)、材料的介電常數(shù) 和損耗和損耗因子因子tan 等有關。因此，電介質單位體積的功率損耗等有關。因此，電介質單位體積的功率損耗W：W = f E2tan （W/m2） 式中的tan為損失角正切，即損耗因子，反映電介質中分子磨擦的強度一個量，用以表征電介質介電損耗的大小。第一章材料的電子結構與物理性能1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 部分材料的介電損耗部分材料的介電損耗材料材料tan 材料材料tan 陶瓷陶瓷聚合物聚合物 Al2O30.00020.01 酚醛樹脂（電木）酚醛樹脂（電木）0.060.10 SiO20.0

58、0038 硅橡膠硅橡膠0.0010.025 BaTiO30.00010.02 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂0.0020.010 云母云母0.0016 尼龍尼龍6, 60.01 派熱克斯玻璃派熱克斯玻璃0.0060.025 聚碳酸酯聚碳酸酯0.0009 滑石（滑石（2SiO2MgO）0.00020.004 聚苯乙烯聚苯乙烯0.00010.0006 鎂橄欖石（鎂橄欖石（2 MgOSiO2）0.0004 高密度聚乙烯高密度聚乙烯0.0001 堇青石（堇青石（2 MgO2Al2O35SiO2）0.0040.012 聚四氟乙烯聚四氟乙烯0.0002 聚氯乙烯聚氯乙烯0.0070.020第一章材料的電子結構與物理性能

59、1.5 1.5 材料的介電性材料的介電性 在強電場中，當電場強度超過某一臨界值時，電介質就喪失其絕緣性在強電場中，當電場強度超過某一臨界值時，電介質就喪失其絕緣性能，這種現(xiàn)象稱為介電擊穿。能，這種現(xiàn)象稱為介電擊穿。 介電強度是一種介電材料在不發(fā)生介電擊穿或者放電的情況下所能承受的最大電場： E max = （V / d）max 式中的E max為介電強度或擊穿強度（MVm-1），下標max代表發(fā)生擊穿的起始值。 電介質的介電擊穿大約可分為特征擊穿、熱擊穿、電機械擊穿和放電電介質的介電擊穿大約可分為特征擊穿、熱擊穿、電機械擊穿和放電擊穿等幾類。擊穿等幾類。第一章材料的電子結構與物理性能1.5 1

60、.5 材料的介電性材料的介電性 部分材料的介電強度部分材料的介電強度材料材料介電強度介電強度/106V/cm材料材料介電強度介電強度/106V/cm陶瓷陶瓷 派熱克斯玻璃派熱克斯玻璃 (0.003cm)5.8 Al2O3 (0.03 m)7.0 派熱克斯玻璃派熱克斯玻璃 (0.0005cm)6.5 Al2O3 (0.6 m)1.5 滑石滑石 (SiO2+MgO+Al2O3，0.63 cm)0.1 Al2O3 (0.63cm)0.18 鎂橄欖石鎂橄欖石 (2 MgOSiO2，0.63 cm)0.15 SiO2 (石英，石英，0.005cm)0.6聚合物聚合物 NaCl (0.002cm)2.0