第四章 和电学性能相关

1、第四章和电学性能相关,4.1介电性4.2接触电性4.3热电性4.4磁电性4.5光电性,1,4.1介电性,绝缘体定义：指电阻率大于用来限制电流使它按一定的途径流动的材料，另外还有利用其“介电”特性建立电场以贮存电能的材料。又称为电介质。,绝缘体的性能要求：（1）具有足够高的耐电强度，以经受住导体间的高电场。（2）具有足够高的绝缘电阻，以防止跨越导体的漏泄电流。（3）具有良好的耐电弧性，以防发生飞弧损坏。（4）必须能在环境危害的条件下（如温度、湿度、辐射）保持其完整性。（5）必须具有足够的机械强度，以抗振动和冲击。,2,绝缘体主要的电性能：（电介质的四大基本常数）（1）介电常数；（电极化）（2）耐

2、电强度（耐压强度）；（击穿）（3）损耗因数；（介电损耗或介质损耗）（4）体积和表面的电阻率（电导）,其中前三项属介电性，后者属于导电性。,3,一、电介质,在电场作用下介质内部质点（原子、离子）正负电荷中心分离（沿电场方向在有限范围内短程移动），从而产生电偶极矩的现象，称为介质的极化。这种材料叫电介质。,电介质粒子分为极性和非极性两类,非极性粒子正负电荷中心重合，在外电场作用下形成电偶极子。极性粒子本身具有一定的电偶极矩，在外电场作用下定向排列。,4,5,偶极子的产生有两种基本形式：第一种：弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。包括：电子位移极化、离子位移极化。,二、极化机制,第二种：该极化与热

3、运动有关，其完成需要一定的时间,且是非弹性的，需要消耗一定的能量。包括：松弛极化、取向极化、空间电荷极化,6,7,8,9,电子松弛极化：材料中弱束缚电子在晶格热振动下，吸收一定能量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态；处于激发态的电子连续地由一个阴离子结点移到另一个阴离子结点；电场使移动具有方向性；极化建立时间为10-210-9s。电场频率高于109Hz时，电子松弛极化就不存在。,10,在玻璃态材料、结构松散的离子晶体或晶体中的杂质或缺陷区域，离子自身能量较高，易于活化迁移，称为弱联系离子，此迁移为不可逆过程。极化建立时间为10-210-5s。当频率在106Hz以上时离子松弛极化对电极化强度

4、就无贡献。离子松弛极化率与温度成反比，故温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极化率减小。,离子松弛极化,11,（4）偶极子的转向极化：具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，与极性分子的热运动达到统计平衡状态，整体表现为宏观偶极矩。极化率比电子高得多，建立时间：10-210-10s,12,（5）空间电荷极化：在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般为高压式极化。极化率随温度升高而下降。因为温度升高，离子运动加剧，离子容易扩散，空间电荷减小。极化

5、时间较长，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空间电荷极化只对直流和低频下的极化强度有贡献。,13,总的微观极化率为各种机制贡献部分的总和。,14,各种极化形式的比较,三、介质损耗介电损耗：在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗功率，是电介质重要品质指标。,分类：电导损耗：电介质漏电流产生的热损耗。,极化损耗：任何电介质在电导或极化过程中，带电质点移动时，由于与外电场作用不同步，因而吸收了电场能量并把它传给周围的“分子”，使电能转变为“分子”的热振动能，把能量消耗在电介质发热效应上。一般用松弛时间来表示不同步程度。极化损耗包括驰豫损耗和共振损耗。,15,四、电介质的介电

6、强度,定义：在强电场工作的绝缘材料，所承受的电压超过一定临界值V穿便丧失绝缘性能，这种现象称为击穿。,击穿形式：电击穿；热击穿；化学击穿,击穿场强电介质所能承受的不被击穿的最大场强。击穿电压电介质（或电容器）击穿时两极板的电压。,16,当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，电介质就由介电状态变为导电状态，这个过程就是电击穿。,一般认为，电击穿的发生是由于晶体能带在强电场作用下发生变化，电子直接由满带跃迁到空带发生电离所致。,当固体电介质在电场作用下，由电导和介质损耗产生的热量超过试样通过传导、对流和辐射所能散发的热量时，试样中的热平衡就被破坏，试样温度不断上升，最终造成介质永久性的

7、热破坏，这就是热击穿。热击穿有一个热量积累过程，不像电击穿那样迅速。热击穿电场强度较低，一般约为110kV/mm。,化学击穿：长期处于高温高压、潮湿或者腐蚀性气体环境下的材料“老化”而击穿。,17,18,五、电介质的电导：电介质中的带电质点在电场作用下做定向迁移形成的。,载流子是离子或离子空位的称为离子式电导。载流子是电子或电子空位的电导称为电子式电导。,离子电导分类：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。,弗仑克尔缺陷,肖特基缺陷,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：,此类电导是结合力较弱的

8、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。,低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定。,如果物质存在多种载流子，其总电导率可表示为：,电介质的电导率,上式表示了电介质的宏观参数电导率与微观参数电介质单位体积内载流子数N、载流子电荷q、载流子的迁移率之间的关系。,提高电介质的绝缘性能可以从两个方面着手：一是减少电介质单位体积的载流子数；二是降低迁移率。对固体电介质，要尽量减少杂质、热缺陷数目。,19,表面电阻（电导）与体电阻（电导）,20,当固体电介质加上电压后，电流一部分从介质的表面流过，称为表面电流Is，一部分从介质的体内流过，称为体电流Iv，相应的电导（电阻）称为表面电

9、导Gs（表面电阻Rs）和体电导Gv（体电阻Rv）。,说明：a、体电导与材料本质和试样尺寸有关，d为试样厚度。体电导率只与材料本质有关。b、表面电导与d成反比，与电极长度L成正比。表面电导率表示介质抵抗表面漏电的性能，和表面及环境有关。,体积和表面的电阻率,4.2接触电性,两种不同的材料接触，根据目的不同可有多种方式，如焊接、合金化、扩散、氧化、真空镀膜等。由于它们可以有不同的相，不同的晶体结构、电子结构，所以在它们的界面上不可避免地要发生载流子的某种行为，由此引起两种材料单独存在时所没有的新的电学效应。,具有代表性的导电物质的接触:金属金属金属半导体金属电解质溶液P型半导体N型半导体金属氧化物

10、半导体,金属金属接触电效应金属电子的逸出功金属中的价电子可近似认为处于一个均匀的势场中运动。价电子处于一深度为E0的势阱中。在金属与真空的界面上，晶格原子的周期性排列被中断，由金属到真空电子的势能将由E0逐渐到零，构成了金属的表面势垒，势垒的高度为E0，这里设电子在金属中的势能为E0，真空中势能为零。,金属中的电子如果不能从外界获取等于或大于的能量，那么它是无法克服势垒E0外逃的（因此，表面势垒E0是表示金属表面对电子的束缚作用的）。,自由电子逃逸出金属表面所需要的这个最小能量或说需要对电子所做的最小的功称为逸出功。不同的金属具有不同的表面势垒E0和费米能EF，从而有不同的逸出功。逸出功的不同

11、，实质上就是金属中电子的能量不同，即逸出功的大小反映了金属中电子的能量大小。逸出功小的，电子的能量就大；反之，若电子的能量较小，则所需逸出功就大。,金属金属接触当两个不同的金属互相紧密接触时（称为MM结），由于它们的真空能级（为0）相同而各自的表面势垒E0和费米能EF不同，也即它们的逸出功不同，故它们各自占有高能量状态的电子数就不同，从而在接触处就会发生电子的交换。,逸出功小的金属内部电子的能量较大，即占有高能量状态的电子数多。逸出功大的金属则相反。电子有从能量较高处向能量较低处过渡的趋势，所以当两种金属接触后，电子将会从逸出功小的金属迁移到逸出功大的金属，而前者由于失去电子而带正电，其电位不

12、断升高，相应在电子势能图上的能级要不断降低，即费米能级也不断降低，后者因得到电子而带负电，其费米能级要不断升高，当两金属的费米能级拉平时，就达到了平衡状态。,两金属的接触面上形成了一个空间电荷区，建立起一个内电场E，这个电场会阻止扩散作用，最后达到电场力与扩散力的动态平衡状态，由此，在两金属间形成了一个电位差:金属金属接触电效应的一个重要应用就是热电偶，可用它测量温度、发电、致冷等。,金属半导体接触电效应半导体的表面势在半导体的表面上，由于吸附的杂质原子、离子，或是由于有外电场以及与金属相接触，甚至就因为是晶体边界，会形成带电的表面层。在外电场的作用下，带电表面层的出现是来自于载流子的重新分布

13、，由此在表面与内部之间产生一个电位差，称为表面势。,金属半导体接触(了解基本概念，自学）半导体的导带底EC一般比真空能级低几个电子伏特，与金属类似，也把称为半导体的逸出功。同时，把称为电子亲和能(电子亲和势），它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需的能量。,假定金属的逸出功大于半导体的逸出功，显然（EF）S高于（EF）M。当金属与N型半导体紧密接触时（称为MS结），由于N型半导体的逸出功小，故N型半导体中的电子能量大且多数载流子电子数多，所以半导体中的电子就会向金属中扩散流动，使金属表面带负电，半导体表面带正电，能带发生了相对移动，最后当费米能级重合于EF时而达到动态平衡，不再有静电子的流动

14、，形成了接触电位差：,在半导体的接触面处形成了一个由电离施主构成的较厚的空间电荷区，相当于有一从半导体指向金属的电场，故阻碍了电子的扩散流动，所以称该区为阻挡区。又由于该区内几乎无电子，故又称耗尽层。能带应向上弯曲，它在金属与半导体两侧形成的势垒高度WM和WS稍有不同。具有这种势垒的结称为肖特基结，它具有整流作用。若，电子将由金属扩散流向半导体，在半导体一侧形成堆积层，这是个高电导区，称反阻挡层。其形成的能带向下弯曲，这种结无整流作用，称为欧姆结。通常半导体器件采用金属电极时就需要有良好的欧姆接触。,金属与P型半导体接触，时形成反阻挡层，时形成阻挡层。金属半导体接触电效应的典型应用时制造肖特基

15、势垒二极管和肖特基势垒栅场效应晶体管。,P型N型半导体接触电效应PN结（自学）金属氧化物半导体接触电效应（了解）金属氧化物半导体接触（称为MOS结），是金属绝缘体半导体接触（称为MIS结）的特殊形式。,36,4.3热电性,热电性：在金属导线组成的回路中，存在着温差或通以电流，会产生热能与电能相互转换的效应，称为金属的热电性。,热电势率,37,38,赛贝克效应的物理本质：两种金属的电子逸出功不同或两种金属的自由电子密度不同。,和赛贝克效应相关的规律,均质导体定律：要确定赛贝克效应热电势的大小必须保证A、B两种材料的化学成分和物理状态完全均匀，否则将叠加一个难以确定的附加电势。中间金属定律：如果在

16、回路中引入第三种金属，只要第三种金属的接入两端温度相同，则对原回路的热电势无影响。推论：在相同温度下，一系列金属串接起来的接触电势只与两端金属有关。中间温度定律：只要两种材料均质，两端温度恒定，即使回路中某一部分处于任何其它任何温度，原回路的热电势不变。,39,40,41,对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。,42,帕尔帖热的测量,先从一个方向通入电流，测的热量QJ+Qp（放热）。然后再从另外一个

17、方向通入电流，测的热量为QJ-Qp（吸热），二者只差就是2Qp，则可得出帕尔帖热。,43,对于P型半导体和N型半导体组成的电偶,44,1909年开始研究热点转换效率，目前热点材料已经广泛的应用于加热、制冷和发电等机制中。,45,由两种导体组成的回路，当两接触端温度不同时，三种热电效应会同时产生。塞贝克效应产生热电势和热电流，而热电流通过接触点时要吸收或放出玻尔帖热，通过导体时要吸收或放出汤姆逊热。,热电势率，玻尔帖系数，汤姆逊系数之间的关系（汤姆逊关系）：,46,二、影响热电势的因素,1、金属本性的影响不同金属由于电子逸出功不同和自由电子密度不同，故热电势不同。实验表明：绝对热电势率由小到大：

18、Si、Fe、Mo、W、Au、Ag、Zn、Mg、Al、Na、Ni、Co等。后者的热电势相对于前者为负。2、合金化的影响A、形成固溶体时，合金的热电势随溶质浓度增加而降低，过渡族除外。B、当合金在某一成分形成化合物时，合金的热电势发生跃变。当形成半导体性质的化合物时，由于共价结合增强，会使热电势显著增大。C、多相合金的热电势介于各组成相的热电势之间。若两相的电导率接近，则热电势和各相的体积浓度成直线关系。,3、相变的影响A、磁性转变和同素异构转变热电势率在A2点发生明显转折，在A3和A4处发生突变。B、有序-无序转变Ni-Mn合金有序化引起热电势率的降低，有序化程度越大，热电势变化越快。C、马氏体

19、相变马氏体转变是无扩散型相变，即转变时钢的微观成分没有发生变化，但由于二者结构不同，热电势有很大的差别。例含Ni30%的Fe-Ni合金钢，奥氏体状态下的E=3.6微伏/摄氏度，而马氏体的E=34.4微伏/摄氏度.因此奥氏体钢中产生马氏体转变时，随着M数量增加，E增加。,47,4、钢的含碳量及热处理对热电势的影响,若将含碳量不同的钢分别进行淬火和退火处理，然后分别将它们与Wc=0.0218%的纯铁组成电偶进行测量，热端温度为100度，冷端为0度，热电势Fe为正钢为负。,说明：1、同一含碳量的钢，淬火态的热电势大于退火态的热电势。说明C溶于-Fe形成的热电势大于形成化合物引起的热电势。2、相同的热

20、处理工艺，含碳量越高，热电势的值越大。根据热电势的变化，可以检测钢的成分及热处理状态。,48,赛贝克效应的应用半导体中的塞贝克效应比金属导体中的显著得多，金属中的热电势率约为几V/，而半导体的热电势率为几mV/，因此金属的塞贝克效应主要用于测量温度，而半导体的塞贝克效应则用于温差发电。,49,三、赛贝克效应的应用及热电势的测量,三、赛贝克效应的应用及热电势的测量,温度测量尽管金属比半导体的热电势率小，但因金属材料比半导体材料价格低，较易制成丝状的形式，故具有更易出现的热电特性，且在较大的温区能保持热电势与温差的线性关系，通过多个热电偶串联成热电堆可获得高灵敏度，足以探测微弱的温差乃至红外辐射。,温差发电由于半导体温差发电机的体积小、重量轻、结构简单、工作安静、无干扰并可利用多种热源等优点，且可在恶劣条件下工作，因此有多种用途。,50,热电堆红外测温,51,热电偶测温铂铑铂，镍铬镍铝，铜康铜12对应的温差（575）25600（测量端温度）,600,1,2,25,52,热电势的测量,普通金属的霍尔效应电荷在磁场中运动所受的作用力(正电荷用右手定则，负电荷用左手定则)洛伦兹力与电场力平衡电位差为有关系式霍尔系数迁移率,由此可见，霍尔效应和霍尔系数的测定在材料研究中的重要意义。,4.4磁电性,半导体的霍尔系数大N型半导体电子是载流子，RH为负（A面为负电荷）