电子材料1第一讲概论、导电材料

1、课程概论本课程为本专业高年级专业课，它紧密地把基础理论与生产实本课程为本专业高年级专业课，它紧密地把基础理论与生产实践溶于一体。学生学习本课程后，更深入掌握固体物理、电介践溶于一体。学生学习本课程后，更深入掌握固体物理、电介质物理、磁性物理的基础知识，具备从事电子材料生产、研究、质物理、磁性物理的基础知识，具备从事电子材料生产、研究、应用和开发的基本能力。电子材料的重点是阐明各类电子材料应用和开发的基本能力。电子材料的重点是阐明各类电子材料晶体结构、电磁特性及影响因素、基本工艺，为研制电子材料晶体结构、电磁特性及影响因素、基本工艺，为研制电子材料奠定理论与实践奠定理论与实践. . 课程性质和任

2、务教材和参考资料课程内容成绩考核第一章 电子材料概论第二章 导电材料1、导电材料的定义、导电材料的定义导电材料是指电流容易通过的材料，常用作电极、电刷、电线等。 作为导电材料，希望其电阻率尽可能小（10-6m）。2、导电材料的性质、导电材料的性质电阻与电阻率式中，R为导体的电阻，L为导体的长度，A为横截面面积，为材料的电阻率。单位为m（或cm），指1 m3（或1 cm3）材料的电阻，仅与导电材料有关。ALR/(2-1)/1材料电阻率的倒数为电导率：(2-2)欧姆定律：（2）电阻温度系数)(1111TTRRTTT式中，RT1为在基准温度T1的电阻，T1为在基准温度T1的电阻温度系数。(2-3)3

3、、金属的导电理论、金属的导电理论（1）经典电子理论）经典电子理论 在经典电子理论中，把金属设想成是由原子或离子组成的一种有规则的三维排列，自由电子可以在金属中来回运动。自由电子 在无外加电场时，自由电子在金属阳离子之间不停地无规则运动，各向同性。施加外电场 E 后，电子除本身的热运动外，沿电场反方向做定向运动。如果每单位体积中有n个电子，它们以速度VE平行于导体运动，电流密度则为：EnqVj （2-4）电子在两次碰撞之间的平均时间称为弛豫时间，用表示，电子的加速度为: a = qE/me（2-5）则eEmqEV（2-6）代入（2-4）得Emnqje2（2-7）则emnq2（2-8）由电子平均热

4、运动速度v和平均自由程可得弛豫时间为：v（2-9）于是vmnqe21（2-10） 根据经典电子理论可以解释金属导电的很多问题，但还有许多问题不能解决，比如电导率的数值及其对温度的依赖关系不能得出正确的结果。 量子力学认为，电子的能量是不连续的，它服从泡利不相容原理，其运动速度是按费米-狄拉克统计规律分布的。若用费米速度VF 代替经典理论中的平均速度，则式（2-7）可写为：FFefvmqne*2（2-11）式中 nef 表示单位体积内实际参加传导过程的电子数，me* 称为电子的有效质量，它是考虑了晶体点阵对电场作用的结果。理想金属晶体中，原子的排列是完全等距的，电子在其中运动的问题可以用量子力学

5、的薛定谔方程加以解决，这个方程的解说明，由原子形成的势场完全是周期的，则电子有一个无限长的平均自由程，其电阻率为零。在实际晶体中，固体中存在缺陷，这些缺陷破坏了晶体点阵所形成的周期性势场，充当了电子散射中心，并决定电子的平均自由程和电导率。固体缺陷主要有：化学杂质、空穴、填隙原子、位错、晶界和裂纹等物理缺陷。4、影响导体电阻率的主要因素（1）电阻率）电阻率与温度的关系与温度的关系若以0和T分别表示金属在0和T () 温度下的电阻率，则)1 (0TT(2-12)式中是电阻温度系数，由上式：TT00(2-13)温度越高，金属的电阻率越大。（2）电阻率）电阻率与缺陷的关系与缺陷的关系空位、间隙原子以

6、及它们的组合、位错等晶体缺陷使金属电阻率增加。金属内部的空位引起的附加电阻率：kTEAe/(2-14)式中，E为空位形成能，A为常数，T为温度。大量的实验结果表明，点缺陷所引起的剩余电阻率的变化远比线缺陷的影响大。（3）电阻率）电阻率与杂质的关系与杂质的关系马西森定律（Matthiessen Rule）金属总的电阻包括金属的基本电阻和杂质（溶质）浓度引起的电阻， T（2-15）式中， 是与杂质浓度、点缺陷、位错等有关的电阻率， (T)为金属与温度有关的电阻率。高温时， (T)占主导低温时， 占主导把在极低温度（一般为4.2K）下测得的金属电阻率称为金属剩余电阻率。可作为衡量金属纯度的重要指标。

7、溶质原子及杂质对电阻的影响与以下三个因素有关：与加入的溶质原子或杂质浓度，以及它们与基体金属的价电子差数有关。溶质原子或杂质与基体金属的原子半径之差越大，则晶格畸变越大，电阻的增加就越大。与溶质原子或杂质在基体金属中所处的状态有关。当形成两相混合物时，其电阻随高电阻金属的含量增多而按比例增加；形成固溶体时，由于点阵交杂，使晶格的点阵规律受到较大的破坏，电阻率增大。（4）电阻率）电阻率与压力的关系与压力的关系 在巨大的流体静压条件下，金属原子间距缩小，内部缺陷形态、电子结构和能带结构等都将发生变化，会显著影响金属的导电性能。在流体静压下，金属的电阻率可用下式计算：)1(0PP(2-16)式中，0

8、表示在真空条件下的电阻率，P表示压力， 是压力系数。按压力对金属导电性的影响，可将金属分为两种，即正常金属和反常金属。正常金属：随压力增大，金属的电阻率下降。如铁、钴、镍、钯、铂、铱、铜、银、金、锆等。反常金属：随压力增大，金属的电阻率增大。如碱金属和稀土金属等。（5）电阻率）电阻率与冷加工的关系与冷加工的关系弹性变形对金属材料的电阻影响很小塑性变形晶格畸变，晶体中可能出现空位、置换原子，位错及晶界弯曲等引起电子散射增加金属的电阻率增大5、金属的热电效应ABT0T将两种不同的金属两端互相紧密地连接在一起回路中会产生电势形成热电流金属的热电效应（塞贝克效应）当 T T0称为两种材料的接触电势单一

9、导体的温差电势两种材料的接触电势（珀尔电势）不同的金属，其自由电子密度是不相同的。当两种金属接触在一起时，在结点处就要发生电子扩散，电子浓度大的金属中的自由电子就会向电子浓度小的金属中扩散。这时，电子浓度大的金属因失去电子而具有正电位，反之，电子浓度小的金属由于接收扩散来的多余电子而带负电。这种扩散一直持续到动态平衡为止，从而得到一个稳定的接触电势。接触电势的大小除与两种材料的性质有关，还与接触点的温度有关。温度越高，电子的扩散运动越激烈，达到动态平衡时的接触电势也就越高。（2-17） BAABnnqkTTUln式中，nA、nB分别为材料A、B的自由电子浓度。（2）单一导体的温差电势（汤姆逊电

10、势）同一导体，若两端温度不同，TT0，则在两端会产生温差电势UA(T, T0)。导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散。高温段失去电子，带正电，而低温端则得到电子而带负电。dTTTUTTAA00,（2-18）式中，A为汤姆逊系数。（3）热电偶通常把前面图中所示的由两种不同导体所构成的回路称为热电偶， A、B两导体则称为热电极。根据热电效应，可选用热电偶电势大的两种金属组成热电偶，用来测量温度和作温度控制用，具有测量温度范围宽、灵敏度和准确度高等优点。具有高电导率的导电金属。1、铜及铜合金纯铜又称紫铜，外观呈淡紫红色，是导电材料中最主要的金属，具有良好的导电性、耐腐蚀性，塑性加工

11、性能好，便于进行各种冷热加工。铜中所含杂质对电导率的影响甚大，即使微量也会导致电导率的显著下降。最大缺点是硬度低、耐磨性差。杂质对铜导电性的影响铝的资源丰富，价格比铜低，因此除对导体尺寸及机械性能等有特殊要求的场合，应优先采用铝作导体材料。主要缺点，不易焊接。铝合金：铝硅合金、铝镁合金、铝镁硅合金2、铝及铝合金3、其他纯金属导电材料银（Ag）金（Au）铂（Pt）汞（Hg）铅（Pb）锡（Sn）镍（Ni）锌（Zn）钨（W）钼（Mo）钛（Ti）铬锆铜缝焊轮铬锆铜缝焊轮铍镍铜（稀土铜）铍镍铜（稀土铜）铬锆铜棒铬锆铜棒冷挤压电极头冷挤压电极头电极材料电极材料铍铜线材铍铜线材铍铜铍铜各种电极头各种电极头,电极帽等电极帽等钨铜钨铜2.3 高电阻材料 高电阻材料是指电阻率较高的一类导电材料，主要用来制作标准电阻器、变阻器、电热器及一些敏感电阻器件。电阻合金材料锰铜电阻合金康铜电阻合金镍铬系电阻合金贵金属电阻合金电接触材料：可变电阻器、电位器、开关插头座、继电器等电子元件。焊接材料：将两个以上相互分离的金属结合起来，不仅实现机械上的接合，更重要的是完成电的连接。熔体材料：要求材料有确定的熔断温度，熔断器。电碳材料：非金属高电阻导电材料，主要包括石墨等结晶形碳和炭黑等无定形碳。导电高聚物和导电胶粘剂：基体