FH14-材料電學(xué)性能1

FH14-材料電學(xué)性能1第一頁，共35頁。第14章材料的電學(xué)性能14.1導(dǎo)電性能14.2熱電性能14.3半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)14.4介質(zhì)極化與介電性能14.5絕緣材料的抗電強度第二部分材料的物理性能第二頁，共35頁。14.1導(dǎo)電性能電子填充的性質(zhì)及能帶結(jié)構(gòu)；電阻對材料的組織結(jié)構(gòu)變化十分敏感。I=U/RR=ρL/sρ：電阻率（Ω·m）ρ≤10-2Ω·m→→導(dǎo)體ρ>1010Ω·m→→絕緣體

10-2~1010Ω·m→→半導(dǎo)體物質(zhì)導(dǎo)電性差異顯著---結(jié)構(gòu)：第三頁，共35頁。14.1.1導(dǎo)電機理①經(jīng)典自由電子理論一、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理②量子自由電子理論③能帶理論解釋：導(dǎo)電機理：電流的產(chǎn)生；電阻的產(chǎn)生。第四頁，共35頁。1、經(jīng)典電子理論：正離子：價電子：電阻的產(chǎn)生：自由電子與正離子碰撞。形成均勻的電場。完全自由地分布、運動,類似經(jīng)典力學(xué)氣體分子運動。一、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理導(dǎo)電機理：外電場作用下，自由電子定向運動。第五頁，共35頁。存在問題：①n越大，σ↑，但2/3價金屬的導(dǎo)電性比一價差。②據(jù)氣體動力學(xué)，電阻率ρ應(yīng)該正比于T1/2，但實際上ρ∝T。③不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象（認為0K時自由電子能量為0）。υ：電子平均運動的速度，

n：單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)，l：電子兩次碰撞的平均距離（自由程）電導(dǎo)率σ：t:相鄰電子2次碰撞的時間間隔。第六頁，共35頁。ⅠⅡⅢb

ⅣbⅤb

ⅥbⅦbⅧbⅠbⅡbⅢⅣⅤⅥⅦ0HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcRfⅠA族：高σ。周期系中各元素ρ的變化規(guī)律：ⅡA族，ⅢA族：σ降低。ⅠB→σ↑↑↑最高σ

。Ag>Cu>Au>Al>Mg>Ca>Na第七頁，共35頁。2、量子力學(xué)自由電子理論內(nèi)層電子：處于單個原子時的能量狀態(tài)。正離子：價電子：均勻的電場。自由運動，服從量子力學(xué)規(guī)律，具有量子化能級，電子波（波函數(shù)）。K：波數(shù)頻率，表征自由電子具有的能量狀態(tài)的參數(shù)。薛定諤,電子波運動：第八頁，共35頁。一價金屬自由電子的動能E：不同能級下只存在一對正反方向運動的一對電子。費米（Fermi）能級Ef：0k時電子具有的最高能級；不同金屬有不同的固定值。電子由低到高填滿能級。在0k，自由電子仍具有能量。（經(jīng)典電子理論認為0k時電子能量為0）。第九頁，共35頁。EnricoFermi（1901-1954）生于意大利羅馬，美國物理學(xué)家。兼具杰出的理論家和天才試驗家?！爸凶游锢韺W(xué)之父”。1934年用中子轟擊原子核產(chǎn)生人工放射現(xiàn)象，“慢中子”更易引起核反應(yīng)。1938年諾貝爾物理獎。1941年底，費米在哥倫比亞大學(xué)主持建造世界上第一座原子反應(yīng)堆。1fm=10-15m第十頁，共35頁。無外電場E→電子分布對稱，無電流加外場E，電子沿+E方向被加速。絕大多數(shù)電子仍對稱，不參與導(dǎo)電。只有接近Ef的少量電子激發(fā)到空能級上參與導(dǎo)電（正向運動E↓）E+-導(dǎo)電機理E+-第十一頁，共35頁。電阻的形成：電子波在傳播過程中被點陣離子散射后相互干涉→→→電阻。超導(dǎo)現(xiàn)象：溫度0k，純理想完整晶體→散射為0，電子波無阻傳播，→→R=0缺陷、雜質(zhì)、熱振動→→點陣畸變→→

散射電子波→→電阻

R↑第十二頁，共35頁。nef

：靠近Ef頂部的少數(shù)自由電子，單位體積內(nèi)參與導(dǎo)電的有效電子數(shù)。不同材料nef不同，一價金屬的nef比二、三價金屬多，導(dǎo)電性好。電導(dǎo)率：t：兩次反射之間的平均時間；p：單位時間內(nèi)散射的次數(shù)，散射幾率。量子自由電子理論較好地解釋了金屬導(dǎo)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，與實際情況有一定差異。第十三頁，共35頁。3、能帶理論禁帶：允帶：滿帶空帶（導(dǎo)帶）正離子：價電子：電場不均勻，呈周期性變化，周期勢場。自由運動，量子化能級，在周期勢場的作用下發(fā)生能帶分裂；第十四頁，共35頁。能帶填充：在外電場作用下電子易從一個能級轉(zhuǎn)到另一能級上去。電子n型空穴P型第十五頁，共35頁。1價：價電子只填滿s能帶的一半，S與P重疊區(qū)寬，電子在S或P中容易躍遷，加速程度大，導(dǎo)電性好。2價：價電子填滿S，少量電子進入P區(qū)，導(dǎo)電性良好。（s→p）3價：2N個電子填滿S，N個電子填充一部分P帶。導(dǎo)電性好于2價（p→p）。第十六頁，共35頁。二、無機非金屬導(dǎo)電機理：陶瓷、玻璃、高分子材料帶電粒子的定向運動：載流子定向運動：金屬：無機非：電子式電導(dǎo)離子離子空穴離子式電導(dǎo)電子電子空穴自由電子第十七頁，共35頁。1、離子晶體導(dǎo)電機理：NaCl，AgBr,MgO離子與離子空位電導(dǎo)：離子處于間隙位置，留下空位。2、玻璃導(dǎo)電機理：本征離子電導(dǎo)：點陣離子的熱運動。雜質(zhì)離子電導(dǎo)：低溫-SiO2-網(wǎng)絡(luò)→→絕緣某些離子在結(jié)構(gòu)中的可動性。Na+→鈉玻璃半導(dǎo)體玻璃：電子導(dǎo)電。第十八頁，共35頁。14.1.2超導(dǎo)電性1911年，Onnes，水銀，T=4.2K,R=0T＜Tc→→R=0，超導(dǎo)體是等電位的，無電場（內(nèi)）1、性能特點：①完全導(dǎo)電性；②完全抗磁性：第十九頁，共35頁。TheNobelPrizeinPhysics1913"forhisinvestigationsonthepropertiesofmatteratlowtemperatureswhichled,interalia,totheproductionofliquidhelium"HeikeKamerlingh-Onnes(1853-1926)第二十頁，共35頁。2、性能指標：①T＜Tc(臨界轉(zhuǎn)變溫度)②臨界磁場Hc：T＜Tc時，H＞Hc時磁力線破壞超導(dǎo)體。③臨界電流密度Jc：保持超導(dǎo)態(tài)的最大輸入電流。第二十一頁，共35頁。3、理論模型：超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)：最著名：BCS理論（Bardeen-Cooper-Schriffer）電子e1的運動使周圍正離子被吸引而向其靠攏，該區(qū)域正電荷密度增加→→吸引臨近的電子e2，克服靜電斥力，使e1,e2結(jié)成電子對——Cooper電子對。第二十二頁，共35頁。JohnBardeen(1908-1991)LeonNeilCooper(1930-)andJohnRobertSchrieffer(1931-)TheNobelPrizeinPhysics1972"fortheirjointlydevelopedtheoryofsuperconductivity,usuallycalledtheBCS-theory"第二十三頁，共35頁。第二十四頁，共35頁。①電子對間通過晶格點陣振動的格波相互作用，而不是正常態(tài)的靜電斥力。②Cooper電子對的總能量相等，電子間的吸引力最大，最穩(wěn)定。③一個Cooper電子對的能量比它的2個單獨正常態(tài)的電子能量低2△，T=0K時，能隙2△最大。④超導(dǎo)態(tài)，電子對在運動中的總能量保持不變。晶格散射e1電子使能量改變時，e2能量產(chǎn)生相反的等量變化?！娮铻?.第二十五頁，共35頁。14.1.3影響材料導(dǎo)電性的因素

溫度、成分、結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)及缺陷濃度和遷移率。（一）金屬材料1、溫度：Τ↑→→ρ↑；Τ對nef/υ幾乎無影響（Ef及其分布f受T的影響很?。╇x子振動加劇，原子無序度↑，周期勢場漲落↑，ι↓，t減少，散射幾率P增加→R↑.

第二十六頁，共35頁。①T>ΘD,ρ=ρ0(1+α△T),α：電阻溫度系數(shù)，4×10-3/℃②T<ΘD，ρ∝T5③T<2K,ρ∝T2。T→0,ρ→0散射：電子間的相互作用。實際上ρ=ρ′（殘留電阻，點陣畸變/缺陷引起）MatthiessenRule:ρ’為與雜質(zhì)、晶格缺陷(點/線/面缺陷)有關(guān)的電阻率;ρt為與溫度有關(guān)的電阻率。ρ=ρ’+ρt第二十七頁，共35頁。2、冷塑變：點陣畸變，晶體缺陷/空位↑→散射↑→ρ↑；回復(fù)，再結(jié)晶→R↓；拉應(yīng)力→原子間距↑，畸變↑→ρ↑壓應(yīng)力→ρ↓（電子結(jié)構(gòu)，Ef、能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化）極限壓力下，金剛石/S/P/Si/Ge等變?yōu)閷?dǎo)體。第二十八頁，共35頁。3、合金化：①固溶體：A、總規(guī)律：晶格畸變，散射↑，ρ↑組元間化學(xué)作用→nef↓有序化：點陣規(guī)律性加強，電子波散射↓→ρ↓②金屬化合物：離子鍵，共價鍵形成→ρ↑③多相合金：ρ對組織結(jié)構(gòu)敏感（組成相的導(dǎo)電性，相對量，形狀、大小、分布）第二十九頁，共35頁。14.1.4電阻測量及應(yīng)用1.單電橋法：誤差較大（附加電阻大）適用1～10Ω試樣。2、雙電橋法：高靈敏度栓流計，可測小電阻10-6～1Ω。絲、棒狀，尺寸精度高，真空保護氣氛中防氧化。第三十頁，共35頁。3、電位差計法：待測回路無電流通過，完全消除附加電阻的影響，精確度比雙電橋法更高（0