材料物理性能-電學性能

1、材料物理性能電學性能第1頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四導電性電阻與材料性能和尺寸的關系電阻率電導率電阻溫度系數(shù)導體（純金屬10-810-7m， 合金10-710-5m ）半導體（10-3109m）絕緣體（109m） 第2頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四第3頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四元素周期表第4頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四第5頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四第6頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四第7頁，共65頁，2022年，5月2

2、0日，22點19分，星期四A族，堿金屬，外殼層價電子數(shù)為1，其價電子在外加電場作用下由價帶躍遷到導帶，形成電流。因此只有那些電子未填滿能帶的材料才有導電性。第8頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四A族，外殼層價電子數(shù)為1第9頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四貴金屬，d殼層填滿、與原子核有強交互作用，使s殼層電子與核作用大大減弱，其價電子在外加電場作用下進入導帶，導電性極好。第10頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四d殼層填滿，與原子和有強交互作用，使s殼層電子與核作用大大減弱，其價電子在外加電場作用下進入導帶，導電性極好。第1

3、1頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四A族，外殼層價電子數(shù)為2。Mg的3p能帶與3s能帶重疊，3s上的電子可躍遷到3p能帶上，也有較好的導電性。第12頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四A族，外殼層價電子數(shù)為2A族，外殼層價電子數(shù)為3第13頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四d殼層電子逐漸填滿過渡金屬。Fe原子形成晶體時4s能帶與3d能帶重疊。由于價電子核內層電子有強的交互作用，鐵的導電性稍差。第14頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四d殼層電子逐漸填滿過渡金屬第15頁，共65頁，2022年，5月20日，2

4、2點19分，星期四金屬的導電理論經典電子理論金屬晶體為正離子電子氣外加電場時，自由電子定向遷移，形成電流。自由電子與正離子機械碰撞產生電阻Eev第16頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四 電子在自由程終點獲得的定向遷移速度平均速度電流密度電阻率表達式散射系數(shù)a加速度t兩次碰撞時間間隔E電場強度m電子質量n單位體積自由電子數(shù)在量子理論中為n*，代表單位體積內實際參加導電的電子數(shù)e電子電荷v電子速度L電子平均自由程第17頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四影響導電性的因素溫度升高，離子熱振動加劇，原子無序度加大，使電子散射幾率加大，電阻率加大冷加工使晶格

5、畸變，使電子散射幾率加大，原子間距有所改變，電阻率加大壓力通常使電阻率降低熱處理通過晶格畸變、點缺陷、晶粒尺寸的變化影響電阻率D第18頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四合金的導電性連續(xù)固溶體，最大電阻率通常在50原子濃度處。主要是異類原子引起溶劑晶格畸變。溶質為過渡元素時，電阻率增大更為顯著。因為溶劑的部分價電子會進入過渡元素未填滿的d或f電子層，減少了有效電子數(shù)。用做電熱合金和電阻合金。第19頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四馬基申定律低濃度下固溶體電阻 溶劑電阻（晶格熱振動，電子散射），與溫度有關，絕對零度時為零。 殘余電阻（合金原子，空位、

6、間隙原子及位錯等），與溫度無關。 第20頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四低濃度下溶質原子引起的殘余電阻與溫度無關，固溶體的電阻溫度系數(shù)低于純金屬，而固溶體電阻率隨溫度變化的斜率與純金屬相同。高濃度下， 和 均隨溫度變化。含有過渡金屬元素時（如加入Mn），可能出現(xiàn) 錳銅精密電阻合金，具有低的電阻溫度系數(shù)。 第21頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四有序固溶體的導電性固溶體有序化使點陣規(guī)律性加強，減小電子散射，使導電性加強。冷加工破壞固溶體的有序度，增加電阻率。電阻測量法是研究有序固溶體的有效方法。第22頁，共65頁，2022年，5月20日，22點1

7、9分，星期四不均勻固溶體（K狀態(tài)）的電阻固溶體中存在溶劑原子的偏聚區(qū)成分波動或原子排列短程有序，故能強烈地散射電子，使電阻率增加。回火能促使偏聚區(qū)的形成。加熱到高溫或進行強烈的冷加工，使偏聚區(qū)消失，可降低電阻率。鋁銅合金。加熱到單相區(qū)固溶；淬火形成過飽和單相固溶體；加溫時效，析出GP區(qū)、，等?？捎秒娮璺治龇ㄑ芯夸X合金的時效過程。第23頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四第24頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四鋁合金在180時效5秒鐘，銅原子的偏聚第25頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四金屬化合物的導電性金屬化合物（如FeAl

8、3,NiAl3）的導電性通常比其組元的導電性低得多，主要是金屬鍵部分地為共價鍵或離子鍵所代替。電子化合物（如Cu3Zn8）主要是金屬鍵結合，導電性介于固溶體和金屬化合物之間。間隙相(如TiC)具有金屬鍵和的特性，導電性較好。第26頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四第27頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四多相合金的導電性當合金為退火態(tài)、無織構，且組成相的電導率相近時（電導率之比約0.751.75），雙相合金的導電性符合各項合金相加規(guī)律。p、q為體積百分數(shù)。c1、c2為質量百分數(shù)。第28頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四兩相片

9、狀組織導電方向導電方向 第29頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四導電性的測量電橋法（單電橋，雙電橋克服附加電阻）直流電位差計測量法（消除連線電阻和接觸電阻）半導體電阻的測量（四探針法）絕緣體電阻的測量（電容和沖擊檢流計測量法）第30頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四1、工作電流標準化（K到N）2、求待測電動勢（K到X）3、求待測電阻RxRx=R標Ux/U標特點：消除連線電阻和接觸電阻 第31頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四電阻分析的應用合金的時效合金的有序無序轉變固溶體的溶解度淬火鋼的回火第32頁，共65頁，2022年，

10、5月20日，22點19分，星期四Al-Cu合金時效步驟：1、加熱到單相區(qū)固溶2、淬水，得到過飽和固溶體3、在室溫或加熱時效：a. 析出GP區(qū)（與基體共格）b. 析出（與基體共格）c. 析出（與基體半共格）d. 析出CuAl2（與基體非共格），并聚集長大?；wCu含量減少，電阻下降。第33頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四鋁合金在180時效5秒鐘，銅原子的偏聚第34頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四25時效產生的GP區(qū)在215保溫時又溶回到基體中，形成均勻固溶體，電阻下降。第35頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四合金的有序無

11、序轉變（有序結構電阻率低）第36頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四測量方法：1、將不同成分的試樣加熱到略低于共晶（共析）轉變溫度t0，保溫足夠的時間，然后淬火得到過飽和固溶體。2、把淬火試樣加熱到低于t0的各個溫度保溫，使組織達到平衡。3、然后再淬火到室溫測量電阻率，作出-B曲線。4、找出轉折點對應的濃度，即為各溫度下B在A中的溶解度。第37頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四淬火鋼的回火1、110馬氏體分解，正方度下降，電阻率降低。含C量越高，馬氏體脫溶分解（電阻率下降）越急劇。2、230殘余奧氏體分解，基體C含量減少，電阻率下降。第38頁，共6

12、5頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四材料的疲勞過程缺陷密度增高、裂紋的形成，使試樣電阻增加。第39頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四半導體的電學性能半導體中電子的能量狀態(tài)能帶滿帶、禁帶和導帶本征半導體N型半導體P型半導體PN結的特性第40頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四 由于電子能否由價帶躍遷到空的導帶中，主要取決于能隙的大小。C、Si、Ge、Sn的能隙分別為5.4eV、1.1eV、0.67eV和0.08eV?？梢运愕檬覝兀?7）下上述元素中進入導帶的電子幾率分別為1.2x10-47、2.5x10-10、1.5x10-6和0.17

13、。故金剛石為絕緣體，錫可算作導體，而硅、鍺即為半導體。第41頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四本征半導體純凈的無結構缺陷半導體單晶，如單晶Si。半導體受到熱激發(fā)，滿帶中的部分價電子躍遷到空帶中，形成自由電子和空穴。兩者成對出現(xiàn)。無外電場作用，自由電子和空穴運動無規(guī)則，不產生電流。加外電場，電子逆電場方向運動，空穴順電場方向運動，形成電流。故自由電子和空穴統(tǒng)稱為載流子。第42頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四本征半導體的電學性能本征載流子（自由電子和空穴）濃度相等：遷移率單位場強下自由電子和空穴的平均漂移速度電流密度單位面積的電流電阻率和電導率 第

14、43頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四摻雜半導體N型半導體P型半導體第44頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四N型半導體 在本征半導體中摻入五價元素雜質（P、As、Sb等，形成多余價電子。該多余價電子能量狀態(tài)較高，在常溫下能進入導帶，使自由電子濃度極大提高。 五價元素稱為施主雜質（提供多余電子） N型半導體（電子型半導體）中，自由電子的濃度大，稱為多數(shù)載流子，簡稱多子。電流由自由電子產生。 本征激發(fā)產生的空穴被自由電子復合，故空穴的數(shù)量少，稱為少子。第45頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四N型半導體電導率隨溫度的變化隨溫度的

15、增加，越來越多的施主雜質電子能進入導帶，最后直到所有雜質電子全部進入導帶。當達到這一溫度時，稱為施主耗盡。此時電導率為常數(shù)（因為溫度太低，無本征電子及空穴的導電）。通常選擇在施主耗盡即平臺溫度的范圍內工作。第46頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四P型半導體 在本征半導體中摻入三價元素雜質（B、Al、Ga、In，形成高濃度空穴。在常溫下價帶中的價電子能進入三價元素的空穴，而在價帶在產生空穴。 三價元素稱為受主雜質（能接受價電子）。 P型半導體（空穴型半導體）中，空穴的濃度大，稱為多數(shù)載流子，簡稱多子。電流由空穴產生。 本征激發(fā)產生的自由電子被空穴復合，故自由電子的數(shù)量少，

16、稱為少子。第47頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四PN結的產生及特性 P區(qū)中空穴向N區(qū)擴散，在交接面的P區(qū)中只留下三價摻雜負離子。 N區(qū)中自由電子向P區(qū)擴散，在交接面的N區(qū)中只留下五價摻雜正離子。故在交接面形成空間電荷區(qū)。 空間電荷區(qū)形成由N指向P區(qū)的內電場和內建電位差，阻止空穴和自由電子的擴散，最終擴散和漂移達到動態(tài)平衡。 無外加電場，PN區(qū)內無電流。第48頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四PN結的單向導電性外加正向電壓， PN區(qū)內建電位差減小，空穴和自由電子的擴散和漂移的平衡被打破，擴散大于漂移，產生P指向N的正向電流。U越大，電流越大。外加

17、反向電壓， PN區(qū)內建電位差增大，擴散小于漂移，以致與停止。但產生N指向P的反向電流。由于是少子產生，故電流極小。上述機制形成了PN結的單向導電性。這是構成半導體二極管和三極管的基礎。第49頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四超導電性第50頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四超導體的特性1、完全導電性 有報導說用Nb0.75Zr0.25合金超導導線制成的超導螺線管，估計其超導電流衰減時間不小于10萬年。 超導體沒有電阻，因而是等電位的，其中沒有電場。第51頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四2、完全的抗磁性邁斯鈉效應 試樣表面產

18、生感應磁場，抵消外磁場。第52頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四評價超導材料的性能指標：1、臨界轉變溫度Tc2、臨界磁場強度Hc(T)兩類超導體第53頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四超導現(xiàn)象的物理本質超導態(tài)時，電子與晶格點陣相互作用，使電子克服靜電斥力而相互吸引，組成電子對庫柏電子對，通過晶格的阻力為零。超導態(tài)電子結成庫柏對時能量比正常態(tài)的兩個電子的能量低。溫度和磁場破壞庫柏對的穩(wěn)定性。溫度越低，超導體越穩(wěn)定。第54頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四熱電性賽貝克效應賽貝克效應（材料不同，組成閉合回路，兩接頭存在溫差）熱電

19、勢率 第55頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四溫差電位熱端高能電子向冷端擴散，結果熱端帶正電（缺少電子），冷端帶負電（有富余電子），由熱端指向冷端的溫差電場阻止了電子的進一步擴散，最終形成穩(wěn)定的溫差電位差。熱電偶回路的熱電勢由溫差電位差和接觸電位差構成E第56頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四熱電偶測溫鉑銠鉑，鎳鉻鎳鋁，銅康銅12對應的溫差（575）25600（測量端溫度）6001225第57頁，共65頁，2022年，5月20日，22點19分，星期四熱電子效應熱電子發(fā)射機理固體受熱（W等，加熱1000以上），內部自由電子動能足夠大，就會溢出固體表面形成熱電子發(fā)射。 應用方式 加熱，形成熱電子發(fā)射 電場下形成定向運動 聚焦、調制形成電子束 轟擊熒光屏形成光學