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作用下的行為及其所表現(xiàn)出來的各種物理現(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-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外電場的作用下也表現(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)度與電場強(qiáng)度的關(guān)系曲線（類似于磁性材料對磁場的關(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)且無晶格缺陷的半導(dǎo)體稱為本

6、征半導(dǎo)體,對摻入施主雜質(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，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，稱光生伏打效應(yīng)，可利用來制造光電池。,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，至今人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了成千上萬種超導(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