材料物理性能-电学性能 (1)教材

1、第二章第二章 材料的电学性能材料的电学性能 导电性导电性 晶体的能带晶体的能带 金属和合金的导电性金属和合金的导电性 导电性的测量和应用导电性的测量和应用 半导体的电学性能半导体的电学性能 绝缘体的电学性能绝缘体的电学性能 超导电性超导电性 热电性热电性 压电性压电性 磁电性磁电性导电性导电性 电阻与材料性能和尺寸的关系电阻与材料性能和尺寸的关系 电阻率电阻率 电导率电导率 电阻温度系数电阻温度系数 导体（纯金属导体（纯金属10-810-7m， 合金合金10-710-5m ） 半导体（半导体（10-3109m） 绝缘体（绝缘体（109m） SLR 1)1 (0tt ttt00 ttdtd1 元

2、素周期表元素周期表A族，碱金属，外壳层价电子数为族，碱金属，外壳层价电子数为1，其价电子在外，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。有那些电子未填满能带的材料才有导电性。AA族，外壳层价电子数为族，外壳层价电子数为1 1贵金属，贵金属，d壳层填满、与原子核有强交互作用，使壳层填满、与原子核有强交互作用，使s壳层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。入导带，导电性极好。d壳层填满，与原子和有强交互作用，使壳层填满

3、，与原子和有强交互作用，使s壳层电子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。入导带，导电性极好。A族，外壳层价电子数为族，外壳层价电子数为2。Mg的的3p能带与能带与3s能带重叠，能带重叠，3s上的电子可跃迁到上的电子可跃迁到3p能带上，也有较好的导电性。能带上，也有较好的导电性。A族，外壳层价电子数为族，外壳层价电子数为2A族，外壳层价电子数为族，外壳层价电子数为3d壳层电子逐渐填满过渡金属。壳层电子逐渐填满过渡金属。Fe原子形成晶体时原子形成晶体时4s能带能带与与3d能带重叠。由于价电子核内层电子有强的交互作用，铁

4、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。的导电性稍差。d壳层电子逐渐填满过渡金属壳层电子逐渐填满过渡金属金属的导电理论金属的导电理论 经典电子理论经典电子理论 金属晶体为正离子电子金属晶体为正离子电子气气 外加电场时，自由电子定外加电场时，自由电子定向迁移，形成电流。自由向迁移，形成电流。自由电子与正离子机械碰撞产电子与正离子机械碰撞产生电阻生电阻EevtmEeatv tmEevv221 2222nevmLvnemJE电子在自由程终点获得的定向迁移速度电子在自由程终点获得的定向迁移速度平均速度平均速度电流密度电流密度电阻率表达式电阻率表达式散射系数散射系数vLmEnetm

5、EnevneJ2222L1a加速度加速度t两次碰撞时间间隔两次碰撞时间间隔E电场强度电场强度m电子质量电子质量n单位体积自由电子数单位体积自由电子数在量子理论中为在量子理论中为n*，代表，代表单位体积内实际参加导电单位体积内实际参加导电的电子数的电子数e电子电荷电子电荷v电子速度电子速度L电子平均自由程电子平均自由程影响导电性的因素影响导电性的因素 温度升高，离子热振动加剧，原子温度升高，离子热振动加剧，原子无序度加大，使电子散射几率加大，无序度加大，使电子散射几率加大，电阻率加大电阻率加大 冷加工使晶格畸变，使电子散射几冷加工使晶格畸变，使电子散射几率加大，原子间距有所改变，电阻率加大，原子

6、间距有所改变，电阻率加大率加大 压力通常使电阻率降低压力通常使电阻率降低 热处理通过晶格畸变、点缺陷、热处理通过晶格畸变、点缺陷、晶粒尺寸的变化影响电阻率晶粒尺寸的变化影响电阻率)1 (0ttDttdtd1合金的导电性合金的导电性连续固溶体，最大电阻连续固溶体，最大电阻率通常在率通常在50原子浓度原子浓度处。主要是异类原子引处。主要是异类原子引起溶剂晶格畸变。起溶剂晶格畸变。溶质为过渡元素时，电溶质为过渡元素时，电阻率增大更为显著。因阻率增大更为显著。因为溶剂的部分价电子会为溶剂的部分价电子会进入过渡元素未填满的进入过渡元素未填满的d或或f电子层，减少了有电子层，减少了有效电子数。用做电热合效

7、电子数。用做电热合金和电阻合金。金和电阻合金。马基申定律马基申定律 低浓度下固溶体电阻低浓度下固溶体电阻 溶剂电阻（晶格热振溶剂电阻（晶格热振动，电子散射），与温度动，电子散射），与温度有关，绝对零度时为零。有关，绝对零度时为零。 残余电阻（合金原子，残余电阻（合金原子，空位、间隙原子及位错空位、间隙原子及位错等），与温度无关。等），与温度无关。cTT)()()(T 低浓度下溶质原子引起的残余电阻与温度无关，固溶体的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。斜率与纯金属

8、相同。 高浓度下，高浓度下， 和和 均随温度变化。均随温度变化。 含有过渡金属元素时（如加入含有过渡金属元素时（如加入Mn），可能出现），可能出现 锰铜精密电阻合金，具有低的电阻温度系数。锰铜精密电阻合金，具有低的电阻温度系数。)(T ttttttdtddtddtd11)(1 tttdtd1 111dtddtddtdt0dtd)(T 有序固溶体的导电性有序固溶体的导电性 固溶体有序化使点阵规律固溶体有序化使点阵规律性加强，减小电子散射，性加强，减小电子散射，使导电性加强。使导电性加强。 冷加工破坏固溶体的有序冷加工破坏固溶体的有序度，增加电阻率。度，增加电阻率。 电阻测量法是研究有序固电阻测量

9、法是研究有序固溶体的有效方法。溶体的有效方法。不均匀固溶体（不均匀固溶体（K状态）的电阻状态）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。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。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。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，析出体；加温时效，析出GP区、区、

10、，等。等。 可用电阻分析法研究铝合金的时效过程。可用电阻分析法研究铝合金的时效过程。铝合金在铝合金在180时效时效5 5秒钟，铜原子的偏聚秒钟，铜原子的偏聚金属化合物的导电性金属化合物的导电性 金属化合物（如金属化合物（如FeAl3,NiAl3）的导电性通常比其）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。价键或离子键所代替。 电子化合物（如电子化合物（如Cu3Zn8）主要是金属键结合，导）主要是金属键结合，导电性介于固溶体和金属化合物之间。电性介于固溶体和金属化合物之间。 间隙相间隙相(如如TiC)具有金属键和的特性

11、，导电性较好。具有金属键和的特性，导电性较好。多相合金的导电性多相合金的导电性 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（电导率之比约导率之比约0.751.75），双相合金的导电性符合各项合），双相合金的导电性符合各项合金相加规律。金相加规律。 p、q为体积百分数。为体积百分数。 c1、c2为质量百分数。为质量百分数。121qpqp1212211cccc两相片状组织两相片状组织导电方向导电方向导电方向导电方向2211cc 2211cc导电性的测量导电性的测量 电桥法（单电桥，双电桥克服附加电阻）电桥法（单电桥，双电桥克服附加电阻） 直流电

12、位差计测量法（消除连线电阻和接触电阻）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）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）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（、工作电流标准化（K到到N）2、求待测电动势（、求待测电动势（K到到X）3、求待测电阻、求待测电阻RxRx=R标标Ux/U标标特点：消除连线电阻和接触特点：消除连线电阻和接触电阻电阻bNREI bKNxxRREIRE电阻分析的应用电阻分析的应用 合金的时效合金的时效 合金的有序无序转变合金的有序无序转变 固溶体的溶解度固溶体的溶解度 淬火钢的回火淬火钢

13、的回火Al-Cu合金时效步骤：合金时效步骤：1、加热到、加热到单相区固溶单相区固溶2、淬水，得到过饱和、淬水，得到过饱和固溶固溶体体3、在室温或加热时效：、在室温或加热时效：a. 析出析出GP区（与基体共格）区（与基体共格）b. 析出析出（与基体共格）（与基体共格）c. 析出析出（与基体半共格）（与基体半共格）d. 析出析出CuAl2（与基体非共格），（与基体非共格），并聚集长大。基体并聚集长大。基体Cu含量减少，电含量减少，电阻下降。阻下降。铝合金在铝合金在180时效时效5 5秒钟，铜原子的偏聚秒钟，铜原子的偏聚25时效产生的时效产生的GPGP区在区在215215保保温时又溶回到基体中，形成

14、均温时又溶回到基体中，形成均匀固溶体，电阻下降。匀固溶体，电阻下降。合金的有序无序转变合金的有序无序转变（有序结构电阻率低）（有序结构电阻率低）测量方法：测量方法：1、将不同成分的试样加热到略低、将不同成分的试样加热到略低于共晶（共析）转变温度于共晶（共析）转变温度t0，保温，保温足够的时间，然后淬火得到过饱和足够的时间，然后淬火得到过饱和固溶体。固溶体。2、把淬火试样加热到低于、把淬火试样加热到低于t0的各的各个温度保温，使组织达到平衡。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，、然后再淬火到室温测量电阻率，作出作出-B-B曲线。曲线。4 4、找出转折点对应的浓度，即为、找

15、出转折点对应的浓度，即为各温度下各温度下B B在在A A中的溶解度。中的溶解度。淬火钢的回火淬火钢的回火1 1、110110马氏体分解，正方度马氏体分解，正方度下降，电阻率降低。含下降，电阻率降低。含C C量越量越高，马氏体脱溶分解（电阻率高，马氏体脱溶分解（电阻率下降）越急剧。下降）越急剧。2 2、230230残余奥氏体分解，基残余奥氏体分解，基体体C C含量减少，电阻率下降。含量减少，电阻率下降。材料的疲劳过程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。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的电学性能 半导体中电子的能量状态能带半导体中电子的能量状态能

16、带 满带、禁带和导带满带、禁带和导带 本征半导体本征半导体 N型半导体型半导体 P型半导体型半导体 PN结的特性结的特性 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。的大小。C、Si、Ge、Sn的能隙分别为的能隙分别为5.4eV、1.1eV、0.67eV和和0.08eV。可以算得室温（。可以算得室温（27）下上述元素中进入）下上述元素中进入导带的电子几率分别为导带的电子几率分别为1.2x10-47、2.5x10-10、1.5x10-6和和0.17。故金刚石为绝缘体，锡可算作导体，而硅、锗即为半导体。故金刚石为绝缘体，锡可算作导体，

17、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。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。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。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半

18、导体的电学性能 本征载流子（自由电子和空穴）浓度相等：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流密度单位面积的电流 电阻率和电导率电阻率和电导率kTETKnngpi2exp2/31 nnv ppvpnipiniiqnqnqnj1kTEqngpni2exp)(10qnvj 掺杂半导体掺杂半导体 N型半导体型半导体 P型半导体型半导体N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价元素杂质（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。等，形成多余价电子。该多余价电子能量

19、状态较高，在常温下能进入导带，使自由电子浓度极大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。提高。 五价元素称为施主杂质（提供多余电子）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，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。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。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

20、进入导带，最后直到所有随温度的增加，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）。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。通常选择在施主耗尽即平台温度的范围内工作。P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入三价元素杂质（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。，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。在常温

21、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）。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。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。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结的产生及特性结的产生及特性 P区中空穴向区中空穴向N区扩散，在交接面的区扩散，在交接面的P区中只留下三价掺杂负离子。区中只留下三价掺杂负离子。 N区区中自由

22、电子向中自由电子向P区扩散，在交接面的区扩散，在交接面的N区中只留下五价掺杂正离子。故在交区中只留下五价掺杂正离子。故在交接面形成空间电荷区。接面形成空间电荷区。 空间电荷区形成由空间电荷区形成由N指向指向P区的内电场和内建电位差，阻止空穴和自由电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。子的扩散，最终扩散和漂移达到动态平衡。 无外加电场，无外加电场，PN区内无电流。区内无电流。PN结的单向导电性结的单向导电性外加正向电压，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

23、移，产生衡被打破，扩散大于漂移，产生P指向指向N的正向电流。的正向电流。U越大，电流越大。越大，电流越大。外加反向电压，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。但产区内建电位差增大，扩散小于漂移，以致与停止。但产生生N指向指向P的反向电流。由于是少子产生，故电流极小。的反向电流。由于是少子产生，故电流极小。上述机制形成了上述机制形成了PN结的单向导电性。这是构成半导体二极管和三极管的基结的单向导电性。这是构成半导体二极管和三极管的基础。础。超导电性超导电性超导体的特性超导体的特性1、完全导电性、完全导电性 有报导说用有报导说用Nb0.75Zr0.25合金超导导线制成的超

24、导螺线管，估计其超导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电流衰减时间不小于10万年。万年。 超导体没有电阻，因而是等电位的，其中没有电场。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、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。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：评价超导材料的性能指标：1、临界转变温度、临界转变温度Tc2、临界磁场强度、临界磁场强度Hc(T)两类超导体两类超导体21)0()(cccTTHTH超导现象的物理本质超导现象的物理本质超导态时，电子与晶格点阵相互作用，使电超导态时，电子与晶格点阵相互

25、作用，使电子克服静电斥力而相互吸引，组成电子对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。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个电子的能量低。温度和磁场破坏库柏对的稳定性。稳定性。温度越低，超导体越稳定。温度越低，超导体越稳定。热电性赛贝克效应热电性赛贝克效应 赛贝克效应（材料不同，组成闭合回路，两接头存在温差）赛贝克效应（材料不同，组成闭合回路，两接头存在温差） 热电势率热电势率dTd12 )(2112TT 温差电位温差电位热端高能电子向冷端扩散，结果热端带正

26、电（缺少电子），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止了电子的进一步扩散，最终形成稳定的温差电位差。),(),()()(21121221211212TTVTTVTVTV热电偶回路的热电势由热电偶回路的热电势由温差电位差和接触电位差构成温差电位差和接触电位差构成E热电偶测温热电偶测温铂铑铂，镍铬镍铝，铜康铜铂铑铂，镍铬镍铝，铜康铜12对应的温差（对应的温差（575）25600（测量端温度）（测量端温度）6001225)25,600()25,600()600(121212VVV热电子效应热电子效应热电子发射机理热电子发射机理固体受热（固体受热（W等，加热等，加热1000以上以上），），内部自由电子动能足够大，就会溢出固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。体表面形成热电子发射。 应用方式