第二章材料的电性能

1、第二章 材料的电性能主要内容主要内容v电子类载流子导电v离子类载流子导电v半导体v超导体本章关键词：载流子迁移学习本章的关键就在于学习本章的关键就在于描述材料的载流子迁移描述材料的载流子迁移2.1 2.1 引言引言材料中电流的两大任务：输送能量（电源线）材料中电流的两大任务：输送能量（电源线） 传递信息（网线、电话线等）传递信息（网线、电话线等） 相同的相同的220V220V、50HZ50HZ的电流进入不同的电器，有不同的反映的电流进入不同的电器，有不同的反映电视如何将输入其中的电能和电磁波信号转换为图像和声音？电视如何将输入其中的电能和电磁波信号转换为图像和声音？电脑如何将鼠标、键盘等外部输

2、入转换为显示器的显示？电脑如何将鼠标、键盘等外部输入转换为显示器的显示？不同导电性能的材料发挥着重要作用：不同导电性能的材料发挥着重要作用：信息转换和能量转换信息转换和能量转换这是所用电器的理论基础这是所用电器的理论基础对材料电性能的研究是人类对材料电性能的研究是人类电气时代电气时代的发展基础的发展基础爱迪生制造电灯的目的是什么？爱迪生制造电灯的目的是什么？ （将电能转换为光能）（将电能转换为光能）寻找合适的灯丝材料是核心问题：高温下不软化、转换效率高寻找合适的灯丝材料是核心问题：高温下不软化、转换效率高研究不同材料的电性能仍然是科学研究的重要任务研究不同材料的电性能仍然是科学研究的重要任务1

3、 1、材料的导电性能是材料的重要物理性能之一、材料的导电性能是材料的重要物理性能之一例如：导体合金、精密电阻合金、电热合金、触点合金例如：导体合金、精密电阻合金、电热合金、触点合金2 2、表征材料电性能的物理参量、表征材料电性能的物理参量（对照人的特征：性别、身高、体重）（对照人的特征：性别、身高、体重）电性能各不相同，如何解释，如何描述？电性能各不相同，如何解释，如何描述？载流子（分类标准）载流子（分类标准） 种类：电子、空穴、正负离子种类：电子、空穴、正负离子电导率（导电能力）电导率（导电能力）电阻、电阻率率、电阻、电阻率率、 相对电阻率（对电流的阻隔能力）相对电阻率（对电流的阻隔能力）剩

4、余电阻率：极低温度约剩余电阻率：极低温度约4.2K4.2K测得（衡量金属纯度）测得（衡量金属纯度）3 3、元素固态按电性能分类：金属导体、半导体、绝缘体、元素固态按电性能分类：金属导体、半导体、绝缘体EJ 1 SLR2.2 2.2 电子类载流子导电电子类载流子导电2.2.12.2.1金属导电机制金属导电机制金属电导率（电子结构的反映）金属电导率（电子结构的反映）对金属导电的认识不断深入的过程中的成果对金属导电的认识不断深入的过程中的成果FFefVmlen*2 FFmVlne2 Vmlne2 经典经典量子自由电子学说量子自由电子学说能带理论能带理论形式及其相似，但其中物理参数意义不同形式及其相似

5、，但其中物理参数意义不同能带理论的电导率公式，适用于金属、非金属，非常能带理论的电导率公式，适用于金属、非金属，非常接近事实，接近事实，数学对现象的描述接近成功数学对现象的描述接近成功2 2、金属产生电阻的原因（、金属产生电阻的原因（对比人穿过树林对比人穿过树林）（1 1）离子热运动引起的电子波非相干散射）离子热运动引起的电子波非相干散射（与温度有关）（与温度有关）（2 2）异类原子、位错、点缺陷引起的电子波散射）异类原子、位错、点缺陷引起的电子波散射（与温度无关）（与温度无关）3 3、马西森定律（、马西森定律（Mathiessen RuleMathiessen Rule） 对产生电阻的原因的

6、数学描述对产生电阻的原因的数学描述剩余电阻率是衡量金属纯度的标准剩余电阻率是衡量金属纯度的标准)(TL 散射系数散射系数T 电阻率电阻率 T 与温度无关与温度无关与温度成正比与温度成正比 马西森定律的关键是认识到金属的宏观电阻率至少马西森定律的关键是认识到金属的宏观电阻率至少是由两部分组成的，并从数学形式上分开描述是由两部分组成的，并从数学形式上分开描述马西森定律（马西森定律（Mathiessen RuleMathiessen Rule）的）的数学表达数学表达 TC)T(L为剩余电阻率，为剩余电阻率，C C为常数，为常数，T T为绝对温度为绝对温度2.2.2 2.2.2 电阻率与温度的关系电阻

7、率与温度的关系金属的马西森定律金属的马西森定律金属电阻率随温度的变化在不同的温度区间不同金属电阻率随温度的变化在不同的温度区间不同dTdTTT 1影响电阻率的因素影响电阻率的因素电阻温度系数电阻温度系数表明温度对电阻率表明温度对电阻率的影响程度，一般的影响程度，一般为为正值正值DTTaT3/2,DTTT ,5 DTTT ,2 D 德拜温度，是一德拜温度，是一个参考温度个参考温度 温度对于金属电阻率的影响表现为对温度对于金属电阻率的影响表现为对晶格原子热振动的加强，增强了散射，影晶格原子热振动的加强，增强了散射，影响了迁移，但并未增加载流子的数量响了迁移，但并未增加载流子的数量 过渡族金属电阻率

8、与温度关系经常出现反常，这是过渡族金属电阻率与温度关系经常出现反常，这是因为过渡族金属核外电子结构非常复杂的原因因为过渡族金属核外电子结构非常复杂的原因2)(sMC 接近居里点附近，金属合金电阻反常降低与接近居里点附近，金属合金电阻反常降低与其自发磁化强度平方成正比其自发磁化强度平方成正比应用：温度传感器，将温度变化转换为电信号应用：温度传感器，将温度变化转换为电信号2.2.3 2.2.3 电阻率与压力的关系电阻率与压力的关系)1(0PT 在压力作用下，金属原子间距变小，内部缺陷在压力作用下，金属原子间距变小，内部缺陷形态、电子结构、能带结构都发生变化，大多数电形态、电子结构、能带结构都发生变

9、化，大多数电阻率下降阻率下降 为电阻压力系数，为电阻压力系数，负值负值正常金属：随压力增大电阻率降低正常金属：随压力增大电阻率降低反常金属：随压力增大电阻率升高反常金属：随压力增大电阻率升高很大压力下，半导体和绝缘体变为导体，甚至超导体很大压力下，半导体和绝缘体变为导体，甚至超导体应用：压力传感器，将压力信号转换为电信号应用：压力传感器，将压力信号转换为电信号2.2.4 2.2.4 电阻率与缺陷的关系电阻率与缺陷的关系1 1、冷加工形成的缺陷、冷加工形成的缺陷 晶格畸变为主，较大的缺陷，增大电阻率，晶格畸变为主，较大的缺陷，增大电阻率，退火可消除退火可消除2 2、空位、间隙原子、位错、空位、间

10、隙原子、位错 应用：通过测量材料的电阻率变化，可以应用：通过测量材料的电阻率变化，可以了解材料内部的断裂损伤情况了解材料内部的断裂损伤情况 属于较小的缺陷，分布较均匀，一般是增属于较小的缺陷，分布较均匀，一般是增大材料的电阻率大材料的电阻率 应用：估计单晶体的晶格完整情况，控制材料的应用：估计单晶体的晶格完整情况，控制材料的电阻率电阻率 宇宙空间中存在高能粒子流，造成导弹、卫星的控制宇宙空间中存在高能粒子流，造成导弹、卫星的控制电路失效，因为材料电阻率被改变了。电路失效，因为材料电阻率被改变了。解决方法：在地面饱和辐照，改变材料的电阻率，然后制解决方法：在地面饱和辐照，改变材料的电阻率，然后制作电路作电路2.2.7 2.2.7 固溶体的电阻率固溶体的电阻率固溶体就是合金，可以认为是杂质较多的情况1 1、形成固溶体时的电阻率、形成固溶体时的电阻率2 2、有序合金的电阻率、有序合金的电阻率3 3、不均匀固溶体的电阻率、不均匀固溶体的电阻率K K状态形成：回火过程，电阻率上升，状态形成：回火过程，电阻率上升，K K状态形成状态形成不均匀固溶体，相内分解的结果不均匀固溶