材料性能学第十章-材料的电学性能

电学性能包括：导电性、超导性、介电性、磁电性、热电性、压电性和光电性等。材料的导电性能是材料的重要物理性能之一。工程技术领域对材料电性能的要求，制备出具有特殊电学性能的合金材料。如：导体合金，精密电阻合金，电热合金，超导材料等。具体的如：电线，电炉，热电偶等。第十章材料的电学性能2一、导电材料白川英树黑格麦克迪尔米德导电高分子材料1977年，Heeger、MacDiarmid和白川英树发现当聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或I2蒸气氧化后，其电导率可提高几个数量级。通过改变催化剂的制备方法和取向，电导率可达105S·cm－1。（Cu为108S·cm－1

）。2000年诺贝尔化学奖。3二、绝缘材料导热绝缘材料陶瓷系列插座电工绝缘胶带

4三、半导体材料CPU(CentralProcessingUnit)

第十章材料的电学性能本章主要讨论材料的导电、介电机理，影响材料导电、介电性能的因素，以及导电、介电性能参数的测量和应用。还对材料的热电性能、半导体的导电敏感性、材料的绝缘性能等作简要介绍。第一节导电性能第一节导电性能一、电阻与导电的基本概念欧姆定律：当在材料的两端施加电压时，材料中有电流流过电阻与材料的性质有关，还与材料的长度及截面积有关电阻率只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸是无关，作为评定导电性的基本参数第一节导电性能一、电阻与导电的基本概念电导率：导体材料：ρ<10-2Ω.m,纯金属为10-8－10-7Ω.m

合金为：10-7－10-5Ω.m半导体材料：ρ=10-2-109Ω.m绝缘体材料：ρ＞1010Ω.m

各种材料在室温的电导率金属和合金(Ω-1.m-1)非金属（Ω-1.m-1）银铜，工业纯金铝,工业纯

Al-1.2%,Mn合金钠钨，

工业纯黄铜（70%Cu-30%Zn镍,工业纯纯铁,工业纯钛,工业纯不锈钢，301型镍铬合金

(80%Ni-20%Cr）6.3*1075.85*1074.25*1073.45*1072.96*1072.1*1071.77*1071.66*1071.46*1071.03*1070.24*1070.14*1070.093*107石墨SiC锗，纯硅，纯苯酚甲醛（电木）窗玻璃

氧化铝（Al2O3）云母甲基丙烯酸甲酯氧化铍（BeO）聚乙烯聚苯乙烯金刚石石英玻璃聚四氟乙烯105(平均)102.24.3*10-410-7-10-11<10-1010-10-10-1210-11-10-15〈10-1210-12-10-15〈10-14〈10-14〈10-14〈10-16〈10-16对材料导电性物理本质的认识是从金属开始的，首先提出了经典自由电子导电理论，后来随着量子力学的发展，又提出了量子自由电子理论和能带理论。第一节导电性能二、导电机理经典电子理论认为，在金属晶体中，离子构成了晶格点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，它们的运动遵循经典力学气体分子的运动规律，在没有外加电场作用时，金属中的自由电子沿各个方向运动的几率相同，因此不产生电流。第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理洛仑兹当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作加速运动，从而形成了电流。在自由电子定向运动过程中，要不断与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的原因。第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理从上式可以看到，金属的导电性取决于自由电子的数量、平均自由程和平均运动速度。自由电子数量越多导电性应当越好。但事实却是二、三价金属的价电子虽然比一价金属的多，但导电性反而比一价金属还差。此外，这一理论也不能解释超导现象的产生。第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理量子自由电子理论同样认为金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，且为整个金属所有，可以在整个金属中自由运动。但这一理论认为，金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理“量子理论”之父-普朗克1918年获诺贝尔奖。这一理论认为，电子具有波粒二象性。运动着的电子作为物质波，其频率和波长与电子的运动速度或动量之间有如下关系:第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理波数k=第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理一价金属中自由电子的动能E，K为波数频率，表征自由电子可能具有的能量状态参数从粒子的观点看，曲线表示自由电子的能量与速度(或动量)之间的关系；从波动的观点看，曲线表示电子的能量和波数之间的关系；电子的波数越大，则能量越高没有加外加电场时自由电子沿正、反方向运动着电子数量相同，没有电流产生。第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理在外加电场的作用下，从而使正反向运动的电子数不等，使金属导电，且只有处于较高能态的自由电子参与导电。量子力学证明，对于一个绝对纯的理想的完整晶体，0K时，电子波的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，导致所谓的超导现象。第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理实际金属内部存在着缺陷和杂质。缺陷和杂质产生的静态点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电磁波造成散射，这是金属产生电阻的原因。由此导出的电导率为：第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理nef为单位体积内参与导电的电子数，称为有效自由电子数，不同材料nef不同。一价金属的nef比二、三价金属多，因此它们的导电性较好。量子自由电子理论较好地解释了金属导电的本质，但它假定金属中的离子所产生的势场是均匀的，显然这与实际情况有一定差异。第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理能带理论：晶体中电子能级间的间隙很小，能级的分布可看成是准连续的，或称为能带。能带理论也认为金属中的价电子是公有化和能量是量子化的，所不同的是，它认为金属中由离子所造成的势场不是均匀的，而是呈周期变化的。

能带理论就是研究金属中的价电子在周期势场作用下的能量分布问题。第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理价电子在金属中的运动就不能看成是完全自由的，而是要受到周期场的作用，由于周期场的影响，使得价电子在金属中以不同能量状态分布的能带发生分裂，即有某些能态是电子不能取值的，如图所示：第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理能隙所对应的能带称为禁带，而将电子可以具有的能级所组成的能带称为允带，允带与禁带相互交替，形成了材料的能带结构。空能级是指允带中未被填满电子的能级，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。固体中若有N个原子，每个原子内的电子有相同的分立的能级，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在，从而只能分裂成N个非常靠近的能级，因为能量差甚小，可看成能量连续的区域，称为能带。1s2s2p3s钠(1s22s22p63s1)晶体能带满带

半满带空带3p图

导体内的能带第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理导体、绝缘体、半导体能带结构特点空带禁带满带允带第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理导体允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠，在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流。空带禁带满带允带第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理绝缘体

一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的余地，即使禁带上面的能带完全是空的，在外电场的作用下电子也很难跳过禁带，即不能产生电流。空带禁带满带允带第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理半导体半导体的能带结构与绝缘体相同，不同的是它的禁带比较窄；半导体的能带在外界（热、光辐射等）作用下，价带中的电子就有能量可能跃迁到导带中去。空带禁带满带允带第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理半导体在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。分为：空穴导电与电子导电本征导电：电子导电和空穴导电本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。GeSi硅、锗原子的结构+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子可以认为空穴是一种带正电荷的粒子。空穴运动的实质是共有电子依次填补空位的运动。

电子和空穴在外电场的作用下都将作定向运动，这种作定向运动电子和空穴（载流子）参与导电，形成本征半导体中的电流。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。+4+4+4+4当温度升高时，有更多的电子能够跳到下一个能带去。这有两个结果：在上面的导带中少数电子所起的作用和它们在金属中所起的作用相同；而价带中留下的空态即空穴起着类似的作用，不过它们好象是正的电子，因此，它们有来自导带中的激发电子和来自价带中的空穴的导电性；温度升高时，由于有更多的电子被激发到导带，所以电导率随温度而迅速增加。例如，在硅中，当温度从250K增加到450K时，激发电子的数目增加106倍。因此，半导体是这样一些绝缘体，它们的价带和导带之间的能隙约为1eV或更小，因而比较容易用加热方法把电子从价带中激发到导带中。第一节导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理半导体

杂质对半导体的导电性能影响很大。例如在单晶硅中掺人十万分之一的硼原子时，可使其导电能力增加一千倍。按杂质的性质不同，掺杂半导体可分为n型和P型两种，n型半导体的载流子主要是导带中的电子，而p型半导体的载流子主要是空穴。第一节导电性能二、导电机理2、无机非金属导电机理自由电子导电的能带理论可以解释金属和半导体材料的导电现象，却难以解释如陶瓷、玻璃及高分子材料等非金属材料的导电机理。金属材料导电的载流子是自由电子，而无机非金属材料导电的载流子可以是电子、电子空穴，或离子、离子空位。载流子是电子或电子空穴的电导称为电子式电导，载流子是离子或离子空位的称为离子式电导。第一节导电性能二、导电机理2、无机非金属导电机理(1)离子晶体的导电机理离子晶体中空位的迁移，涉及离子运动晶体的离子电导可以分为两类：第一类离子固有电导或本征电导（热缺陷）第二类杂质电导（杂质的数量和种类）低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定。存在的多种载流子时，材料的总电导率是各种电导率的总和。（1）源于晶体点阵中基本离子的运动，称为离子固有电导或本征电导。这种离子自身随着热振动的加剧而离开晶格振点，形成热缺陷。热缺陷弗仑克尔缺陷肖特基缺陷能量大的离子离开平衡位置挤到晶格点的间隙中形成间隙原子，原来位置形成空位。正常格点上的原子获得能量离开平衡位置迁移到晶体表面，在晶体内正常格点上留下空位。39（2）杂质电导此类电导是结合力较弱的离子运动造成的，这些离子主要是杂质离子，故称为杂质电导。置换杂质原子间隙杂质原子因杂质离子的存在，不仅增加电流载体数量，而且使点阵发生畸变，杂质离子离解活化能变小。40低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定。由杂质引起的电导率可用下式表示：41热缺陷的浓度随温度的升高而增大，因此本征电导率与温度的关系为：As取决于可迁移的离子数，即离子从一个空位到另一个空位的距离以及有效的空位数目；Es与可迁移的离子从一个空位跳到另一个空位的难易程度有关，通常称为离子激活能。一般情况下本征离子电导率可以简化为：第一节导电性能二、导电机理2、无机非金属导电机理（2）玻璃的导电机理离子在结构中的可动性所导致，如在钠玻璃中，钠离子在二氧化硅网络中从一个间隙跳到另一个间隙，造成电流流动。这与离子晶体中的间隙离子导电类似。玻璃的组成对玻璃的电阻影响很大，影响方式也很复杂。玻璃导电卡茂林-昂内斯1911年在实验中发现:在4.2K温度附近，水银的电阻突然下降到无法测量的程度，或者说电阻为零，这种在一定的低温条件下材料突然失去电阻的现象称为超导电性。超导体中有电流而没有电阻，说明超导体是等电位的，超导体内没有电场。材料由正常状态转变为超导状态的温度称为临界温度，并以Tc表示。第一节导电性能三、超导电性超导体的两个基本特征：一个基本特性是它的完全导电性另一基本特性是它的完全抗磁性（迈斯纳效应）屏蔽磁场和排除磁通第一节导电性能三、超导电性常导态超导态超导体的3个重要性能指标（1）临界转变温度Tc

正常状态转变为超导状态的温度临界转变温度越高越好，越有利于应用（2）临界磁场Hc

能破坏超导态的最小磁场

Hc值随温度降低而增加

(3)临界电流密度Jc

材料保持超导态状态的最大输入电流密度第一节导电性能三、超导电性超导理论模型：库柏电子对(BCS)

电子-声子相互作用所产生电子对，杂质原子和缺陷对电子对不能进行有效的散射。物理学家麦克米兰根据传统理论计算推断，超导体的转变温度不能超过40K（约-233℃），这个温度也被称为麦克米兰极限温度。第一节导电性能三、超导电性

1960年代开始研究氧化物超导体；

1986年，J．G．Bednore和K．A．Muller发现了Tc为35K的Ba-La-Cu系氧化物超导体，获得诺贝尔奖。

1987年2月我国科学家赵忠贤等人得到了Tc在液氮以上温度(63K-78K)的Y—Ba—Cu—O系超导体，属铜氧化物一个高温超导体家族，即所谓的123材料，目前已发现了超导温度达133K以上的此类超导氧化物。但这种材料易脆，属于金属陶瓷材料，其加工工艺严苛，综合成本相当高，影响了它的广泛应用；此外，关于这一家族的高温超导电性的机理一直也没有解决。

2008年2月18日，日本东京工业大学的细野秀雄教授与合作者在《美国化学会志》上发表了一篇两页的文章，指出氟掺杂镧氧铁砷(LaOFeAs)化合物在26K（－247.15℃）时具有超导电性。虽然26K距40K也还有一段距离，但它立刻引起了中国科学家的高度关注。第一节导电性能三、超导电性

2013年3月29日，赵忠贤、任治安通过氟掺杂的镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达更高的52K（-221.15℃）；4月初该研究组又发现无氟缺氧钐氧铁砷化合物在压力环境下合成超导临界温度可进一步提升至55K（-218.15℃），创造了世界铁基超导体临界温度的最高纪录。赵忠贤研究组利用高压合成技术高效地制备了一大批不同元素构成的铁基超导材料，转变温度很多都是50K以上的，创造了55K的铁基超导体转变温度纪录并制作了相图，这被国际物理学界公认为铁基高温超导家族基本确立的标志。因此赵忠贤研究组获得了2013年度国家自然科学一等奖。自2000年起，国家自然科学一等奖13年里有9次空缺，已经连续空缺3年，最近一次颁奖是在2009年。第一节导电性能三、超导电性如高温超导滤波器已被应用于手机和卫星通讯，明显改善了通讯信号和能量损耗；世界上各医院使用的磁共振成像仪器中的磁体基本上都是由超导材料制成的；使用的超导量子干涉器件装备在医疗设备上使用，大大加强了对人体心脑探测检查的精确度和灵敏度；世界上首个示范性超导变电站也已经在我国电网投入使用，它具备体积小、效率高、无污染等优点，是未来变电站发展的趋势；目前可以量产的高温超导线材的传输能力是传统铜电缆的10倍之多，可以自动抑制电网中的脉冲现象，并且具有体积小的特点，将成为城市电力的重要组成部分……。专家甚至预测，比高铁快近一倍的超导磁悬浮列车，比现有计算机快数十倍的超导计算机，还有基于超导技术的导弹防御和潜艇探测系统，都将在不远的未来走进我们的生活、生产和国防。第一节导电性能三、超导电性超导研究史上获得诺贝尔奖的十位物理学家影响材料导电性能的因素主要有温度、化学成分、晶体结构、杂质及缺陷的浓度及其迁移率等。但不同种类的材料导电机理各异，影响因素及其影响程度也不尽相同。由于金属材料是常用的导电材料，所以下面仅对影响金属材料导电性的主要因素进行分析。第一节导电性能四、影响材料导电性的因素

金属电阻率随温度升高而增大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，使电子运动的自由程减小，散射几率增加而导致电阻率增大。第一节导电性能四、影响材料导电性的因素1、温度的影响

在德拜温度以上，电子是完全自由的，完整的晶体中电子的散射取决于温度造成的点阵畸变，金属的电阻取决于离子的热振动。

纯金属的电阻率与温度关系第一节导电性能四、影响材料导电性的因素1、温度的影响当温度较低(低于德拜温度)时应考虑振动原子与导电电子之间的相互作用，电阻率与温度的关系当温度接近于0K时(T＜2K），电子的散射主要是电子与电子间的相互作用，点阵畸变造成残留电阻率。第一节导电性能四、影响材料导电性的因素1、温度的影响大多数金属在熔化成液态时，其电阻率会突然增大约1-2倍。这是由于原子长程排列被破坏，从而加强了对电子的散射所引起的。但也有些金属如锑、铋、镓等，他们在熔化时电阻率反而下降。主要是熔化时共价键被破坏，转为以金属键结合为主，故使电阻率下降。第一节导电性能四、影响材料导电性的因素1、温度的影响

冷塑性变形使金属的电阻率增大晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，特别是空位浓度的增加，点阵电场不均匀加剧对电磁波散射。*原子间距改变再结晶退火可使电阻率恢复到冷变形前的水平。拉应力造成原子间距增大，点阵畸变增加，电阻率上升，压应力相反。第一节导电性能四、影响材料导电性的因素2、冷塑性变形和应力的影响（1）固溶体的导电性

一般情况下，形成固溶体时合金的电导率降低，电阻率增高。主要原因是溶质原子的溶人引起溶剂点阵的畸变，增加了电子的散射，使电阻增大，同时由于组元间化学相互作用的加强使有效电子数减少，也会造成电阻率的增长。第一节导电性能四、影响材料导电性的因素3、合金化对导电性的影响(2)金属化合物的导电性金属化合物的导电能力都比较差原因：导电电子数减少(3)多相合金的电阻率与组成相的导电性及相对量、合金的组织形态有关第一节导电性能四、影响材料导电性的因素3、合金化对导电性的影响(1)双电桥法双电桥法是测量小电阻的常用方法，有较高的精度，电阻值在0.0001-0.001Ω范围内，精度可达0.2%-0.3%。(2)电位差计法测量小电阻有很高的精度，第一节导电性能五、导电性的测量及应用1、电阻测量方法(3)安培-伏特计法毫伏计的阻值越高，试样的阻值越小，误差越小。测量方便、快速，并可以连续进行测量和自动记录，它适用于快速测量小电阻的连续变化。(4)直流四端电极法中、高电导率的材料，消除电极非欧姆接触对测量结果的影响。第一节导电性能1、电阻测量方法五、导电性的测量及应用测量电阻率的变化来研究金属与合金的组织结构变化(1)测量固溶体的溶解度曲线第一节导电性能2、电阻分析的应用五、导电性的测量及应用(2)测定形状记忆合金中的相变温度

热电材料是一种通过固体内部载流子运动实现电能与热能之间相互转换的功能材料，也称为温差电材料。此种材料能够在足够的温差下产生电动势，达到以热生电的现象。在另一方面也能够在供给电流下产生吸热或放热的效应，进而达到以电生热或制冷的现象。第二节热电性能第二节热电性能一、热电效应1、Peltier（帕耳帖）效应2、Thomson（汤姆逊）效应3、Seebeck（塞贝克）效应是由电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，它包括三个相互关联的效应：第二节热电性能一、热电效应1、Peltier效应(电制冷现象)：1834年法国J.C.A.Peltier电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。这就是帕尔帖效应。QAB：帕耳帖热；I：回路中的电流；PAB：帕耳帖系数（与金属的本性和温度有关）QAB=PABIt帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。

第二节热电性能一、热电效应2、Thomson效应：1854年英国W.Thomson当一根金属导线两端温度不同时，若通以电流，则在导线中除产生焦尔热外，还要产生额外的吸放热现象.这种热电现象称为汤姆逊效应。电流方向与导线中热流方向一致时产生放热效应，反之产生吸热效应。吸收或放出的热量称为汤姆逊热QT。S

：Thomson系数第二节热电性能一、热电效应3、Seebeck效应(热生电现象)：1821年德国T.J.Seebeck当两种不同的金属A、B组成回路，且两接触点的温度不同时，在回路中产生电流。接触电势差：热电势：V：逸出电势N：有效电子密度第二节热电性能二影响热电势的因素1、金属本性的影响

不同金属由于其电子逸出功和自由电子密度不同，热电势也不相同。纯金属的热电势可按以下次序排列，其中任一后者的热电势相对于前者为负:Si、Sb、Fe、Mo、Cd、W、Au、Ag、Zn、Rh、Ir、Tl、Cs、Ta、Sn、Pb、Mg、Al、Hg、Pt、Na、Pd、K、Ni、Co、Bi。第二节热电性能1、金属本性的影响中间金属定律：如在两根不同的金属丝之间串联进另一种金属，只要串联金属两端的温度相同，则回路中产生的总热电势只与原有的两种金属的性质有关，而与申联入的中间金属无关。二、影响热电势的因素第二节热电性能将两种不同金属的一端焊在一起，作为热端，而将另一端分开，并保持恒温，这就构成了一支简单的热电偶。利用Seebeck效应将温差信号转换成电信号从而实现温度测量的材料。

1886年查德利（LeChatelier）用Pt-w(Rh)%10合金与纯Pt配对制成第一台实用的热电高温计。DvT0炉子热电偶ABT1T0镍铬-镍铝铁-康铜镍铬-康铜铜-康铜主要的热电偶材料二、影响热电势的因素管式热电偶安装状态

智能温度控制器

第二节热电性能2、温度的影响

热电势与两接点处的温差成正比热电势E与温度经验公式3、合金化的影响在形成固溶体时，目前研究不够明确，热电势与浓度关系呈悬链式变化，但过渡族元素往往不符合这种规律。

当合金的某一成分形成化合物时，其热电势会发生突变(增高或降低)；多相合金的热电势处于组成相的热电势之间。如两相的电导率相近，则热电势与体积浓度几乎呈直线关系。二、影响热电势的因素第二节热电性能4、含碳量对钢热电势的影响

钢的含碳量和其组织状态对热电势有显著影响。纯铁和钢组成热电偶时，其热电势铁为正钢为负，且钢中的含碳量越高热电势越负，铁与钢组成的热电偶的热电势就越大。二、影响热电势的因素第二节热电性能材料的热电势除可以利用作为测温用的热电偶外，还可用以进行材料科学研究。

热电势可以用电位差计测量。由于金属内部组织变化所引起热电势的变化很小，所以常采用示差测量法。三、热电势的测量与应用第二节热电性能热电势的测量可用于研究马氏体的回火转变。α-Fe中的含碳量越高电势越负。淬火态的马氏体中的含碳量最高热电势值最负。当对淬火钢回火时，碳从固溶体中析出，使热电势上升。热电势可直接反映马氏体中含碳量的变化，而且十分敏感。三、热电势的测量与应用从右图半导体的能带结构可以看出，下面是已被价电子占满的允带，中间为禁带，上面是空带。因此在外电场作用下不能导电，但是这是绝对零度时的情况。第三节半导体导电性的敏感效应空带禁带满带第三节半导体导电性的敏感效应当外界条件发生变化（温度升高和有光照射）时，满带中有少量电子有可能被激发到上面的空带中去，在外电场作用下，这些电子将参与导电，同时，满带中由于少了一些电子，在满带顶部附近出现了一些空的量子状态，满带变成了部分占满的能带，在外电场的作用下，仍留在满带中的电子也能够起导电作用。空带禁带满带第三节半导体导电性的敏感效应满带电子的这种导电作用等效于把这些空的量子状态看作带正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状态为空穴。所以在半导体中导带的电子和价带的空穴均参与导电，这是与金属导体的最大差别。因为半导体的禁带宽度比较小，数量级在1eV左右，在通常温度下已有不少电子被激发到导带中去，所以具有一定的导电能力。第三节半导体导电性的敏感效应半导体的导电，主要是由电子和空穴造成的。温度增加，使电子动能增大，造成晶体中自由电子和空穴数目增加，因而使电导率升高。通常情况下电导率与温度的关系为：B为与材料有关的常数，表示材料的电导活化能。一、热敏效应第三节半导体导电性的敏感效应还有一些半导体材料，在某些特定的温度附近电阻率变化显著。如“掺杂”BaTiO3(添加稀土金属氧化物)在其居里点附近，当发生相变时电阻率剧增103~106数量级.具有热敏特性的半导体可以制成各种热敏温度计、电路温度补偿器、无触点开关等。一、热敏效应第三节半导体导电性的敏感效应光的照射使某些半导体材料的电阻明显下降，这种用光的照射使电阻率下降的现象称为“光电导”。光电导是由于具有一定能量的光子照射到半导体时把能量传给它，在这种外来能量激发下，半导体材料产生大量的自由电子和空穴，促使电阻率急剧下降。二、光敏效应第三节半导体导电性的敏感效应

值得强调的是“光子”的能量必须大于半导体禁带宽度才能产生光电导。把光敏材料制成光敏电阻器，广泛应用于各种自动控制系统，如利用光敏电阻可以实现照明自动化等。二、光敏效应第三节半导体导电性的敏感效应1、电压敏感效应某些半导体材料对电压的变化十分敏感，例如半导体氧化锌陶瓷，通过它的电流和电压之间不成线性关系，即电阻随电压而变；用具有压敏特征的材料可以制成压敏电阻器。三、压敏效应压敏效应包括电压敏感和压力敏感效应第三节半导体导电性的敏感效应2、压力敏感效应对一般材料施加应力时，会产生相应的变形，从而使材料的电阻发生改变，但不改变材料的电阻率。对半导体材料施加应力时，除产生变形外，能带结构也要相应地发生变化，因而使材料的电阻率(或电导率)发生改变。这种由于应力的作用使电阻率发生改变的现象称做压力敏感效应。三、压敏效应第三节半导体导电性的敏感效应1、霍尔效应将通有电流的半导体放在均匀磁场中，则在垂直于电场和磁场的方向将产生一个电场，这个现象称为霍尔效应，霍尔电场与电流密度和磁感应强度成正比，即：四、磁敏效应半导体在电场和磁场中发生的效应主要包括霍尔效应和磁阻效应第三节半导体导电性的敏感效应2.磁阻效应半导体中，在与电流垂直的方向施加磁场后，使电流密度降低，即由于磁场的存在使半导体的电阻增大，这种现象称为磁阻效应。四、磁敏效应五、其他敏感效应除上述半导体的敏感效应之外，在半导体中还存在着气敏效应、光磁效应、热磁效应、热电效应等。介质在电场作用下产生感应电荷的现象称为介质的极化，这类材料称为电介质。第四节介质极化与介电性能一、极化的基本概念无极分子：无极分子在没有外电场时，分子正、负电荷中心重合。但在外电场作用下，分子正、负电荷中心产生位移，形成取向外电场方向的分子电偶极矩，使介质表面出现极化电荷（束缚电荷）。极化电荷产生的附加电场方向与外电场方向相反。静电场中的电介质有极分子：无外电场时，分子正、负电荷中心不重合，每

一个分子相当于一个电偶极子。单位电场强度下，介质粒子的电偶极矩μ的大小称为粒子的极化率，用α表示：

α表征材料的极化能力，只与材料的性质有关。

极性电介质分子存在固有电偶极矩；在外电场作用下，电偶极矩转向外电场方向；外电场越强，电极化的程度越高。一、极化的基本概念极化强度：表征介质在电场作用下极化程度。一、极化的基本概念线性极化介质的极化：由电子极化、离子极化和偶极子转向极化组成。基本形式：位移式极化和松弛极化。位移式极化是一种弹性的、瞬时完成的极化，极化过程不消耗能量，电子位移极化和离子位移极化属于这种类型。二、极化的基本形式电子位移极化：在外电场作用下原子外围电子云相对于原子核发生位移，电子极化率依赖于频率、与温度无关。离子位移极化：离子在电场作用下偏移平衡位置松弛极化与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间，属于非弹性极化，极化过程需要消耗一定的能量，电子松弛极化和离子松弛极化属于这种类型。二、极化的基本形式1、位移极化电子松弛极化由弱束缚电子引起的。晶格的热振动、晶格缺陷、杂质、化学成分的局部改变等因素，都能使电子能态发生变化，出现位于禁带中的局部能级，形成弱束缚电子。电子松弛极化过程伴随有能量的损耗，松弛极化建立的时间约为10-9s，当电场频率高于109Hz时，这种极化形式就消失。松弛极化还与粒子的热运动有关，是不可逆过程。二、极化的基本形式2、松弛极化

离子松弛极化是由弱联系离子产生的。在玻璃态材料、结构松散的离子晶体中以及晶体的缺陷和杂质区域，离子本身能量较高，易被活化迁移，称为弱联系离子。与离子电导不同：松弛极化粒子仅作有限距离的迁移，它只能在结构松散区或缺陷区附近移动。二、极化的基本形式2、松弛极化转向极化主要发生在极性分子介质中。当外电场作用时，偶极子发生转向，趋于和外电场一致。但热运动抵抗这种趋势，所以体系最后建立一个新的平衡。在这种状态下，沿外场方向取向的偶极子比和它反向的偶极子的数目多，所以整个介质出现宏观偶极矩。转向极化一般需要较长时间，约为10-2s~10-10s。二、极化的基本形式3、转向极化介质极化行为的一个宏观参量，它表示电容器在有介质时的电容与在真空状态时的电容相比较时的增长倍数。由于介质的极化使电容器两板间的电位差比真空时要低。电位移D：在静电场中，电容器极板上的自由电荷面密度，其方向从自由正电荷指向自由负电荷。三、介电常数

χ为电介质材料的极化率，对于均匀的电介质材料，χ是个常数，它定量地表示出材料被电场极化的能力。三、介电常数真空状态下：存在电介质时：极化强度：几种常用电介质的相对介电常数材料相对介电常数普通玻璃7石英玻璃4.2乙醇26氯丁橡胶8.3聚四氟乙烯2.0橡胶3.3聚乙烯2.3瓷5.5环氧树脂4.6～5.295陶瓷13空气1TiO类＞1001、极化类型的影响2、温度的影响（1）介电常数与温度成非线性关系（2）介电常数与温度成线性关系介电常数很大的材料其TKε为负值介电常数较小的材料其TKε为正值3、频率、电场强度的影响四、影响介电常数的因素两类

介质损耗：电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量。第五节电介质的介质损耗一、电介质损耗的基本概念漏导电流：在外电场作用下，一些带电粒子发生移动而引起的微小电流。漏导损耗：由漏导电流流经介质时使介质发热而损耗的能量。极化损耗：在极化(如松弛极化)缓慢建立的过程中因克服阻力而引起能量的损耗。1、电导(或漏导)损耗弱联系带电粒子(或空位)引起。

2、极化损耗松弛极化所造成的介质损耗比较大。造成损耗原因：松弛极化建立的时间较长，电矩滞后于外加电场引起。低频率，不产生极化损耗；高频率，产生极化损耗。