金属导电性理论

1、金属导电性理论第1页，共14页，2022年，5月20日，22点4分，星期三金属导电性的物理本质研究的三个理 论阶段 （1）经典自由电子理论（2）量子自由电子理论（3）能带理论第2页，共14页，2022年，5月20日，22点4分，星期三1.经典电子理论 经典电子理论认为：正离子形成的电场是均匀的，自由电子运动的规律遵循经典力学气体分子的运动规律。 在没有外电场作用时，金属中的自由电子沿各方向运动的几率相同，不产生电流；施加外电场后，自由电子获得附加速度，沿外电场方向发生定向的移动，形成电流。自由电子在定向移动的过程不断与正离子发生碰撞，使电子移动受阻，因而产生电阻。第3页，共14页，2022年，

2、5月20日，22点4分，星期三+金属中的离子与自由电子示意图第4页，共14页，2022年，5月20日，22点4分，星期三 量子自由电子理论的主要内容：金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子不被原子所束缚，可以在整个金属中自由地运动。 它与经典电子理论的根本区别是自由电子的运动必须服从量子力学的规律。第5页，共14页，2022年，5月20日，22点4分，星期三第6页，共14页，2022年，5月20日，22点4分，星期三 3. 固体能带理论 孤立原子的外层电子处于能级分立的轨道上。但当原子彼此靠近时，外层电子就不再仅受原来所属原子的作用，还要受到其他原子的作用，原子间距减小时，电子云重叠，能级发生

3、分裂，孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的准连续能带。若晶体由N个原子（或原胞）组成，则每个能带包括N个能级，其中每个能级可被两个自旋相反的电子所占有，故每个能带最多可容纳2N个电子（见泡利不相容原理）。第7页，共14页，2022年，5月20日，22点4分，星期三 把电子可以具有的能级所组成的能带称为允带。能带与能带间的不连续区域称为禁带，禁带与允带相互交替。具有空能级允带中的电子是自由的，在外电场的作用下参与导电，所以这样的允带称为导带。允带中所有的能级都被电子占满，这种能带称为满带。没有电子的能带，称为空带（见图）。满带中的电子对于导电是没有贡献的，只有在导带中的电子（称为自由电子）

4、才对导电有贡献，这些电子来自原子结构中外层轨道上的价电子。第8页，共14页，2022年，5月20日，22点4分，星期三 导体、半导体、绝缘体的能带中电子分布的情况各具有明显的特征，导体中存在未满带(由于电子未充满或能带重叠)。绝缘体的特征是价电子所处的能带都是满带，且满带与相邻的空带之间存在一个较宽的禁带。半导体的能带与绝缘体的相似，但半导体的禁带要狭窄得多(一般在1eV左右)。第9页，共14页，2022年，5月20日，22点4分，星期三导体、半导体、绝缘体的区别。（a）导 体 （b)半导体 (c)绝缘体图1.1.1 导体、半导体和绝缘体的能带模型示意图第10页，共14页，2022年，5月20日，22点4分，星期三4.影响金属导电的因素（1）温度 温度对金属电阻的影响是由于温度引起离子晶格热振动造成对电子波的散射，温度升高会使离子振动加剧、热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大，而使电阻率随温度的升高而增加。第11页，共14页，2022年，5月20日，22点4分，星期三第12页，共14页，2022年，5月20日，22点4分，星期三（5）热处理对金属电阻的影响 金属冷加工变形后，若再进行退火，则可使电阻降低，尤其当温度接近再结晶温度时，电阻可恢复到接近冷加工前的水平。但当退火温度高过再结晶温度时电阻反而又增大了。这是再结晶后新晶