材料的电学性能.ppt

第二章材料的电学性能 导电性晶体的能带金属和合金的导电性导电性的测量和应用半导体的电学性能绝缘体的电学性能超导电性热电性压电性磁电性 导电性 电阻与材料性能和尺寸的关系电阻率电导率电阻温度系数导体 纯金属10 8 10 7 m 合金10 7 10 5 m 半导体 10 3 109 m 绝缘体 109 m 元素周期表 a族 碱金属 外壳层价电子数为1 其价电子在外加电场作用下由价带跃迁到导带 形成电流 因此只有那些电子未填满能带的材料才有导电性 a族 外壳层价电子数为1 贵金属 d壳层填满 与原子核有强交互作用 使s壳层电子与核作用大大减弱 其价电子在外加电场作用下进入导带 导电性极好 d壳层填满 与原子和有强交互作用 使s壳层电子与核作用大大减弱 其价电子在外加电场作用下进入导带 导电性极好 a族 外壳层价电子数为2 mg的3p能带与3s能带重叠 3s上的电子可跃迁到3p能带上 也有较好的导电性 a族 外壳层价电子数为2 a族 外壳层价电子数为3 d壳层电子逐渐填满 过渡金属 fe原子形成晶体时4s能带与3d能带重叠 由于价电子核内层电子有强的交互作用 铁的导电性稍差 d壳层电子逐渐填满 过渡金属 金属的导电理论 经典电子理论金属晶体为正离子 电子气外加电场时 自由电子定向迁移 形成电流 自由电子与正离子机械碰撞产生电阻 e e v 电子在自由程终点获得的定向迁移速度平均速度电流密度电阻率表达式散射系数 a 加速度t 两次碰撞时间间隔e 电场强度m 电子质量n 单位体积自由电子数在量子理论中为n 代表单位体积内实际参加导电的电子数e 电子电荷v 电子速度l 电子平均自由程 影响导电性的因素 温度升高 离子热振动加剧 原子无序度加大 使电子散射几率加大 电阻率加大冷加工使晶格畸变 使电子散射几率加大 原子间距有所改变 电阻率加大压力通常使电阻率降低热处理 通过晶格畸变 点缺陷 晶粒尺寸的变化影响电阻率 d 合金的导电性 连续固溶体 最大电阻率通常在50 原子浓度处 主要是异类原子引起溶剂晶格畸变 溶质为过渡元素时 电阻率增大更为显著 因为溶剂的部分价电子会进入过渡元素未填满的d或f电子层 减少了有效电子数 用做电热合金和电阻合金 马基申定律 低浓度下固溶体电阻溶剂电阻 晶格热振动 电子散射 与温度有关 绝对零度时为零 残余电阻 合金原子 空位 间隙原子及位错等 与温度无关 低浓度下溶质原子引起的残余电阻与温度无关 固溶体的电阻温度系数低于纯金属 而固溶体电阻率随温度变化的斜率与纯金属相同 高浓度下 和均随温度变化 含有过渡金属元素时 如加入mn 可能出现锰铜精密电阻合金 具有低的电阻温度系数 有序固溶体的导电性 固溶体有序化使点阵规律性加强 减小电子散射 使导电性加强 冷加工破坏固溶体的有序度 增加电阻率 电阻测量法是研究有序固溶体的有效方法 不均匀固溶体 k状态 的电阻 固溶体中存在溶剂原子的偏聚区 成分波动或原子排列短程有序 故能强烈地散射电子 使电阻率增加 回火能促使偏聚区的形成 加热到高温或进行强烈的冷加工 使偏聚区消失 可降低电阻率 铝铜合金 加热到单相区固溶 淬火形成过饱和单相固溶体 加温时效 析出gp区 等 可用电阻分析法研究铝合金的时效过程 铝合金在180 时效5秒钟 铜原子的偏聚 金属化合物的导电性 金属化合物 如feal3 nial3 的导电性通常比其组元的导电性低得多 主要是金属键部分地为共价键或离子键所代替 电子化合物 如cu3zn8 主要是金属键结合 导电性介于固溶体和金属化合物之间 间隙相 如tic 具有金属键和的特性 导电性较好 多相合金的导电性 当合金为退火态 无织构 且组成相的电导率相近时 电导率之比约0 75 1 75 双相合金的导电性符合各项合金相加规律 p q为体积百分数 c1 c2为质量百分数 两相片状组织 导电方向 导电方向 导电性的测量 电桥法 单电桥 双电桥 克服附加电阻 直流电位差计测量法 消除连线电阻和接触电阻 半导体电阻的测量 四探针法 绝缘体电阻的测量 电容和冲击检流计测量法 1 工作电流标准化 k到n 2 求待测电动势 k到x 3 求待测电阻rxrx r标ux u标特点 消除连线电阻和接触电阻 电阻分析的应用 合金的时效合金的有序 无序转变固溶体的溶解度淬火钢的回火 al cu合金时效步骤 1 加热到 单相区固溶2 淬水 得到过饱和 固溶体3 在室温或加热时效 a 析出gp区 与基体共格 b 析出 与基体共格 c 析出 与基体半共格 d 析出cual2 与基体非共格 并聚集长大 基体cu含量减少 电阻下降 铝合金在180 时效5秒钟 铜原子的偏聚 25 时效产生的gp区在215 保温时又溶回到基体中 形成均匀固溶体 电阻下降 合金的有序 无序转变 有序结构电阻率低 测量方法 1 将不同成分的试样加热到略低于共晶 共析 转变温度t0 保温足够的时间 然后淬火得到过饱和固溶体 2 把淬火试样加热到低于t0的各个温度保温 使组织达到平衡 3 然后再淬火到室温测量电阻率 作出 b 曲线 4 找出转折点对应的浓度 即为各温度下b在a中的溶解度 淬火钢的回火1 110 马氏体分解 正方度下降 电阻率降低 含c量越高 马氏体脱溶分解 电阻率下降 越急剧 2 230 残余奥氏体分解 基体c含量减少 电阻率下降 材料的疲劳过程缺陷密度增高 裂纹的形成 使试样电阻增加 半导体的电学性能 半导体中电子的能量状态 能带满带 禁带和导带本征半导体n型半导体p型半导体pn结的特性 由于电子能否由价带跃迁到空的导带中 主要取决于能隙的大小 c si ge sn的能隙分别为5 4ev 1 1ev 0 67ev和0 08ev 可以算得室温 27 下上述元素中进入导带的电子几率分别为1 2x10 47 2 5x10 10 1 5x10 6和0 17 故金刚石为绝缘体 锡可算作导体 而硅 锗即为半导体 本征半导体 纯净的无结构缺陷半导体单晶 如单晶si 半导体受到热激发 满带中的部分价电子跃迁到空带中 形成自由电子和空穴 两者成对出现 无外电场作用 自由电子和空穴运动无规则 不产生电流 加外电场 电子逆电场方向运动 空穴顺电场方向运动 形成电流 故自由电子和空穴统称为载流子 本征半导体的电学性能 本征载流子 自由电子和空穴 浓度相等 迁移率 单位场强下自由电子和空穴的平均漂移速度电流密度 单位面积的电流电阻率和电导率 掺杂半导体 n型半导体p型半导体 n型半导体在本征半导体中掺入五价元素杂质 p as sb等 形成多余价电子 该多余价电子能量状态较高 在常温下能进入导带 使自由电子浓度极大提高 五价元素称为施主杂质 提供多余电子 n型半导体 电子型半导体 中 自由电子的浓度大 称为多数载流子 简称多子 电流由自由电子产生 本征激发产生的空穴被自由电子复合 故空穴的数量少 称为少子 n型半导体电导率随温度的变化 随温度的增加 越来越多的施主杂质电子能进入导带 最后直到所有杂质电子全部进入导带 当达到这一温度时 称为施主耗尽 此时电导率为常数 因为温度太低 无本征电子及空穴的导电 通常选择在施主耗尽即平台温度的范围内工作 p型半导体在本征半导体中掺入三价元素杂质 b al ga in 形成高浓度空穴 在常温下价带中的价电子能进入三价元素的空穴 而在价带在产生空穴 三价元素称为受主杂质 能接受价电子 p型半导体 空穴型半导体 中 空穴的浓度大 称为多数载流子 简称多子 电流由空穴产生 本征激发产生的自由电子被空穴复合 故自由电子的数量少 称为少子 pn结的产生及特性 p区中空穴向n区扩散 在交接面的p区中只留下三价掺杂负离子 n区中自由电子向p区扩散 在交接面的n区中只留下五价掺杂正离子 故在交接面形成空间电荷区 空间电荷区形成由n指向p区的内电场和内建电位差 阻止空穴和自由电子的扩散 最终扩散和漂移达到动态平衡 无外加电场 pn区内无电流 pn结的单向导电性外加正向电压 pn区内建电位差减小 空穴和自由电子的扩散和漂移的平衡被打破 扩散大于漂移 产生p指向n的正向电流 u越大 电流越大 外加反向电压 pn区内建电位差增大 扩散小于漂移 以致与停止 但产生n指向p的反向电流 由于是少子产生 故电流极小 上述机制形成了pn结的单向导电性 这是构成半导体二极管和三极管的基础 超导电性 超导体的特性1 完全导电性有报导说用nb0 75zr0 25合金超导导线制成的超导螺线管 估计其超导电流衰减时间不小于10万年 超导体没有电阻 因而是等电位的 其中没有电场 2 完全的抗磁性 迈斯钠效应试样表面产生感应磁场 抵消外磁场 评价超导材料的性能指标 1 临界转变温度tc2 临界磁场强度hc t 两类超导体 超导现象的物理本质超导态时 电子与晶格点阵相互作用 使电子克服静电斥力而相互吸引 组成电子对 库柏电子对 通过晶格的阻力为零 超导态电子结成库柏对时能量比正常态的两个电子的能量低 温度和磁场破坏库柏对的稳定性 温度越低 超导体越稳定 热电性 赛贝克效应 赛贝克效应 材料不同 组成闭合回路 两接头存在温差 热电势率 温差电位热端高能电子向冷端扩散 结果热端带正电 缺少电子 冷端带负电 有富余电子 由热端指向冷端的温差电场阻止了电子的进一步扩散 最终形成稳定的温差电位差 热电偶回路的热电势由温差电位差和接触电位差构成 e 热电偶测温铂铑 铂 镍铬 镍铝 铜 康铜 12对应的温差 575 25 600 测量端温度 600 1 2 25 热电子效应 热电子发射机理固体受热 w等 加热1000 以上 内部自由电子动能足够大 就会溢出固体表面形成热电子发射 应用方式加热 形成热电子发射电场下形成定向运动聚焦 调制形成电子束轰击荧光屏形成光学图象用于显像管 示波器 电子显微镜等 阴极 阳极 压电性 电偶极矩p 矢量 与电荷间距d及电荷量q的关系p qd压电性的本质是晶体受力变形 导致正负电荷中心分离 晶体对外显示电偶极矩 表面出现束缚电荷 纵向压电效应 横向压电效应正压电效应 力电荷逆压电效应 电荷力应用 超声发生器 加速度传感器 点火器等 q q p d p p p qd 纵