第二章 材料的电学性能(二).ppt

1、2.9 绝缘体的电学性能,（1）电介质按其分子中正负电荷的分布状态可分： 中性电介质； 偶极电介质； 离子型电介质； 电介质极化的定义：在电场作用下，其内部的束缚电荷所发生的弹性位移现象和偶极子的取向（正端转向电场负极、负端转向电场正极）现象。,2.9.1 电介质的极化,注意：铁电体中自发极化的产生是不需要外加电场诱导的，完全是由特殊晶体结构诱发的。,（2）介质极化的基本形式： 电子式极化； 离子式极化； 偶极子极化； 空间电荷极化；,2.9.2 电介质的介电常数,电介质的击穿：当施加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。,2.9.3 电介质的耐电强度,实际

2、上电介质都不可能是理想的绝缘体，在外电场作用下，介质中都会有一个很小的电流。这个电流是由电介质中的带电质点（正负离子和离子空位、电子和空穴等载流子）在电场作用下做定向迁移形成的，又称为泄漏电流。 载流子种类：一类是电子和空穴，另一类是可移动的正负离子和离子空位。,2.9.4 电介质的电导,介质损耗：电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，表明部分电能已转化为热能耗散掉，这种介质内的能量损耗。其损耗原因是电导作用和极化作用引起。,2.9.5 电介质的介电损耗,2.10 超导电性,2.10.1 超导电性的发现与进展 什么是超导体？ 1. 零电阻 将超导体冷却到某一临界温度（TC）以下时电阻突然降

3、为零的现象称为超导体的零电阻现象。不同超导体的临界温度各不相同。1911年昂纳斯首先发现，汞在低于临界温度4.15K时电阻变为零。,目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如右图元素周期表中绿色方框所示）。,元素的超导电性参数？,超导现象首先是在导体中发现的，其转变温度最高的是Nb3Ge为23.2K。,1986年贝诺兹和穆勒在对La-Be-Cu-O系的研究中发现了超导现象，其转变温度达到35K。,开始了新型超导体的研究热潮，超导转变温度不断被提高。,Y-Be-Cu-O系（ 90K ）， Be-S

4、r-Ca-Cu-O系（ 110K ）， Ti-Be-Ca-Cu-O系（ 120K ），被称为高温超导体。,2.10.2 超导体的性能 1、完全的导电性 昴尼斯实验证明： 超导体在超导态时是等电位的，电阻为0。,将超导体做成环在温度TTC放入磁场中，环中无电流。将温度降到Tc以下，也无电流产生，此时撤去磁场，环内将有感生电流产生，电流不随时间而衰减。表明超导体在超导态时是等电位的，电阻为0。,2. 完全抗磁性 当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质

5、被称为“迈斯纳效应”。 迈斯纳效应与零电阻现象是超导体的两个基本特性，它们既互相独立，又密切联系。,超导体的完全抗磁性机理： 这是由于外磁场在试样表面感应产生一个感应电流，此电流由于所经路径电阻为零，故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相反，因而使超导体内的合成磁场为零。 因此感应电流能将外磁场从超导体内挤出，故称抗磁感应电流或屏蔽电流。,2.10.3 超导电性的影响因素和基本临界参数,温度（TC）超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。 临界电流密度（JC）通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。 临界磁场（HC）施加给超导体的磁场必须小于某一

6、临界磁场才能保持超导体的超导性。 以上三个参数彼此关联，其相互关系如右图所示。,超导材料的应用,超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。 由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。 超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。,第I类超导体 第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、鎘、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态

7、，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。,2.10.4 超导体分类,第II类超导体 除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于： 第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合态） 第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有； 第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场。,第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体。 理想第II类超导体的晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围

8、的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度。在实际上，真正适合于实际应用的超导材料是非理想第II类超导体。,1957年，巴丁、库柏和施瑞费发现BCS理论。 超导现象产生的原因：,2.10.5 超导现象的物理本质,是由于超导体中的电子在超导态时，电子之间存在着特殊的吸引力，使得电子双双结成电子对（库柏电子对），它是超导态电子与经各点阵相互作用的结果。,当超导态中的某一电子在晶体中运动时，它周围的正离子点阵将被这个电子的

9、吸引想起靠拢以降低静电能，从而使此局部区域的正电荷的密度增加，而这个正电荷区域又会对另一个电子产生吸引力，正是这种引力克服了电子间的静电斥力，使得两个动量和自旋方向相反的电子结成电子对。成为库柏电子对。超导态由于电子结成库柏对，使得能量降低而成为稳定态。,一个超导态电子对的能量比形成它的单独的两个正常态的电子的能量低2，这个降低的能量称为超导体的能隙。当温度或外磁场强度增加时，电子对获得能量能隙就减小。能隙减小到零时，电子对被拆开成正常态电子，超导态转变为正常态。,库柏对的运动： 每个电子对在运动中的总动量保持不变。表现出零电阻的特性。,当两种材料在它们接触的效界面上产生的载流子的某种行为，由

10、此引起的两种材料单独存在时所没有的新的电学效应，称为接触电效应。存在于两种不同材料接触之中。 如：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-半导体。,2.11.1 金属-金属的接触电效应 1. 金属电子的逸出功 金属中自由电子逃逸出金属表面所需要的最小能量。用表示,2.11 接触电性,2.11 接触电性,金属表面势垒 -E0电子具有的最大动能，费米能EF，逸出功 = E0 - EF 逸出点位 V= /e 金属的逸出功在光电子发射，热电子发射，温差电现象等用重要应用。,2. 金属-金属接触（MM结）,2.11 接触电性,两个不同的金属相互紧密接触时，在接

11、触面附近形成的特殊区域。电子扩散,2.11 接触电性,接触电位差形成的原因之一：两种金属逸出功不同电子发生扩散形成空间电场扩散和漂移相互竞争达到平衡状态形成一定的电位差电位差：,2.11 接触电性,接触电位形成的原因之二：两种金属的自由电子密度不同电子发生扩散形成空间电场扩散和漂移相互竞争达到平衡状态形成一定的电位差,金属的接触电位差为这两个原因形成电位差的叠加。,2.11.2 金属-半导体的接触电效应,1. 半导体存在表面势 2. 金属电子的逸出功和半导体存在表面势不同 3.金属-半导体接触。 4.发生扩散 5. 在金属和半导体间形成电位差,N型半导体表面势小，电子向金属中扩散。 P型半导体

12、表面势大，电子向半导体中扩散。,2.11.3 P型-N型半导体接触电效应（已讲）2.11.4 金属-氧化物-半导体的接触电效应2.11.5 金属-电介液接触电效应,材料中存在电位差时会产生电流，存在温度差时会产生热流，故因电位差、温度差、电流、热流之间存在着交叉联系，构成热电效应。,2.12.1 第一热电效应-塞贝克效应 两种不同的导体（或半导体）组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差则回路中将有电位差及电流产生，称为塞贝克效应。,2.12 热电性,电位差与温度差成正比。,温差电位差形成机制： 热端的高能电子向冷端热扩散，在两端分别形成异号电荷积累区，形成内电场，当扩散和漂移平衡时，形成稳

13、定的电位差。温差越高，电位差越大。不同的导体（或半导体）热电势率不同。,主要原因： 由于同一导体（或半导体）两端处在不同的温度区域，形成了温差电位差。,不同导体（或半导体）接触形成的接触电位差，是影响这一现象另一个原因。（在不同温度下接触电位不同）,5、塞贝克效应的应用 （1）温度的测量（金属） （2）温差发电（半导体）,塞贝克效应在半导体中比在金属中更为显著。,2.12.2 第二热电效应-玻尔帖效应 当有电流通过两个不同导体（或半导体）组成的回路时，除产生不可逆的焦尔热外，还要有两接头处分别出现吸收或放出热量Q的现象，Q称为玻尔帖热，此现象为玻尔帖效应，被认为是塞贝克效应的逆效应。被用于温差

14、制冷。,原因：接触电位区的存在。电子在通过接触区被减速时，动能减少，与原子碰撞后获得能量，吸热。反之放热。,2.12.3 第三热电效应-汤姆逊效应 当电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流的方向和温度梯度的方向而定，此现象为汤姆逊效应。,原因：温差电位区的存在。电子在通过温差电位区被减速时，动能减少，与原子碰撞后获得能量，吸热。反之放热。,2.12.4 热电子效应 固体受热后，出现大量电子逸出固体进入真空，形成电子发射的热电现象称为热电子效应。1、热电子发射机理固体受热，内部自由电子的动能增加，当温度足够高、动能足够大（大于逸出功），电子逸出固体表面。2、

15、热电子效应的应用电子管、X射线管，阴极射线管，电子显微镜等,2.13.1 压电效应 定义：在某些晶体（绝缘介电材料）的一定方向上施加压力或拉力，则在晶体的一些对应的表面上分别出现正、负电荷，其电荷密度与施加的外力大小成正比。 力致形变产生电极化。 晶体的非中心对称性是产生压电效应的必要条件。 常见的压电晶体： 石英晶体、钛酸钡、铌酸锂等。,2.13 压电性,2.13 压电性,2.13.2 压电效应的应用 压电振荡器(石英振荡器） 超声发射器和接收器 信号处理器 压电发电机、压电马达,2.14.1 热释电性 定义：在某些绝缘体中，由于温度变化而引起电极化状态改变的现象称为热释电效应。这类材料被称

16、为热电体。 热释电效应只发生在非中心对称,并具有极性的晶体中。晶体内部存在自发极化。,2.14 热释电性,2.14 热释电性,原因：由于内部自发极化，常温表面吸附的异性电荷形成屏蔽场，与内电场平衡，不显现极性。温度升高极化强度减小，屏蔽电荷一时跟不上极化电荷变化，而显现极性。温度下降时极化强度增大，屏蔽响应一时来不及，显现出相反的极性。,2.14.2 热释电性的应用 红外探测器、热成像。,2.14 热释电性,2.15 铁电性,铁电性,介电材料中，无外加电场时，宏观上并不表现出极化现象。在外电场的作用下，具有电极化滞后的现象（电滞）。这类材料称为铁电体。,铁电体由于自发极化可以在内部形成若干均匀

17、极化的区域，它们的极化方向不同，这些区域称为电畴。晶体宏观上不表现出电极性。 铁电体的特征是具有电畴结构的晶体，这些电畴的界面称为“畴壁”。,原因：,铁电性特征:具有居里点，其自发极化能因外电场而重新取向，铁电体只有在极化之后才能表面出热释电效应。铁电体都具有热释电性，但与非铁电体的热释电性的微观机理不同，热释电系数大很多。好的热电体都是铁电体。 一般材料因微观结构对称性太低，每个晶胞会出现非零的自发极化极强度Ps， 并且所有晶胞的自发电偶 极矩同向排列，使宏观极 化强度P=Ps。,介电体32,压电体20,热电体10,铁电体,铁电性的晶体分类：,1、以钛酸钡为代表的位移型铁电体（硬铁电体），它

18、们在降温过程中，从顺电到铁电的转变，是由于晶体中正离子Ba2+和Ti4+的亚点阵和负离子O2-的亚点阵发生了相对位移。 2、以磷酸二氢钾为代表的有序-无序型铁电体（软铁电体），它们从顺电到铁电的转变是氢键的“无序-有序”的过程。,2.16 光电性,光电性：某些物质（金属和半导体）受到光照后，引起物质电性发生变化。 原因： 是光子与电子相互作用的结果。光子主要是被吸收或改变频率和方向；电子发生能量和状态的变化，从束缚局域的状态转变到比较自由的状态，因而导致物质电性的变化。 2.16.1 外光电效应 固体受光照后从表面逸出电子的现象称为外光电效应或光电发射效应，逸出的电子称为光电子。,2.16 光

19、电性,近代物理已确认了光的波粒二象性，外光电效应是光的粒子性的表面。同时爱因斯坦建立了如下公式：,应用：光电倍增管。用于探测各种高能粒子。,2.16.2 内光电效应 物体受光照后无电子发射，但其电导率发生变化或产生电动势，这种现象称为内光电效应。 1、光电导效应 半导体受光辐射时，电导率增加而变得易于导电。 半导体受光辐射时，导带中的自由电子极少，近似空带，而价电子全部束缚于满的价带中，故电导率很小。要打破电子的这种分布格局，就必须输入能量，以破坏原子间的价键，将电子从价带提升到导带-光电导效应。,应用：（1）光敏电阻（2）红外光电导探测器（3）高速光电开关（4）光电导摄像管（5）静电复印机的

20、有机光电导体等光探测器。,2、光生伏特效应 半导体受光辐射时产生电动势（电位差）的现象。 要在光照下产生电位差，需要一种将正负载流子在空间上分离的机制。因机制的不同可分为：丹倍效应；光磁电效应；PN结光生伏特效应等。,（1）丹倍效应 由于光生非平衡载流子扩散速度的差异，所引起的光照方向的电场和电位差的现象，由丹倍于1931年提出，故称为丹倍效应。,一束频率足够高的光照射到均匀半导体，在表面处附近产生大量电子-空穴对，由于载流子浓度的差异，发生载流子扩散。由于电子和空穴的扩散速度不同，在光照一面有空穴聚集，在反面有电子聚集，形成内电场。当扩散和漂移达到平衡时，两面存在稳定的电位差。,（2）光磁电效应 当在垂直与光照的方向上再加一个磁场，则在半导体的两侧端面间将产生电位差，此现象称为光磁电效应。,（3）PN结光生伏特效应 当光照射在PN结上，在PN结上会产生电动势（电位差），此现象称为PN结光生伏特效应。,扩散-漂移平衡，使得P区空穴聚集、N区电子聚集，两区形成电位差。用于光电池,2.17 磁电性,将运动的