电学性能课件1.ppt

1、材料电学性能,1,2020/8/6,三、材料的电学性能,内容：材料的导电、介电、热电性能，半导体的导电敏感性、材料的绝缘性，金属材料的电导,材料电学性能,2,2020/8/6,（一）导电性能,1、基本概念 基本公式： 根据电阻率的大小，材料可分为导体 ( 1010 m) 和半导体 (10-2 - 1010 m) 。 载流子：电荷的载体。金属的载流子：电子；无机非金属的载流子：电子、离子。数量占多数的载流子：多数载流子 (major charge carrier) 电子电导：载流子为电子，具有霍尔效应。Ey = RHJxBz 离子电导：载流子为离子，存在电解效应。离子的迁移伴随一定的质量变化，离

2、子在电极附近发生电子得失而形成新的物质。,材料电学性能,3,2020/8/6,1、基本概念,迁移数（输运数）：载流子对材料导电贡献的比例。离子迁移数ti 0.99的导体称为离子导体， ti 0.99的称为混合导体。 迁移率和电导率的一般表达式 导电的微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。 迁移率为载流子在单位电场中的迁移速度 电导率的一般表达式为,导电性能,材料电学性能,4,2020/8/6,2、导电机理,1）金属及半导体的导电机理 经典电子理论 在金属晶体中，离子构成晶格点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，弥散分布于整个点阵之中，其运动遵循经典力学气体分子的运动规律。 无外加电

3、场时，自由电子沿各方向运动的几率相同，不产生电流；有外加电场时，自由电子沿电场方向作宏观定向移动，形成电流。 电阻来源于自由电子与晶格点阵的碰撞。,导电性能,无法解释一价金属导电性优于二、三价金属，电阻率与温度的关系与实验不符，亦不能解释超导现象。,材料电学性能,5,2020/8/6,2、导电机理,1）金属及半导体的导电机理 量子自由电子理论 金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间无相互作用，可在整个金属中自由运动。 自由电子的状态服从费米狄拉克的量子统计规律。 价电子有波粒二象性，能量呈量子化分布规律 只有处于较高能态的自由电子参与导电。 金属内部的缺陷和杂质是形成电阻的原因。,导电

4、性能,材料电学性能,6,2020/8/6,2、导电机理,1）金属及半导体的导电机理 能带理论 价电子是公有化和能量是量子化的。 离子所产生的势场呈周期变化。价电子在金属中的运动不是完全自由的。能带分裂为禁带和允带。具有空能级的允带中电子可自由移动。,导电性能,EC,EC,EC,EV,EV,EV,EF,EF,EC,EV,金属,半导体 Eg 2eV,绝缘体 Eg 2eV,Na,Mg,材料电学性能,7,2020/8/6,2、导电机理,1）金属及半导体的导电机理 三种导电理论的主要特征的变化,导电性能,经典自由电子理论：连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动,量子自由电子理论：不连续能量分布的价电子在

5、均匀势场中的运动,能带理论：不连续能量分布的价电子在周期性势场中的运动,材料电学性能,8,2020/8/6,2、导电机理,1）金属及半导体的导电机理 能带理论 本征电导：电子和空穴的浓度相等。本征半导体的载流子由热激活产生。 杂质对半导体的导电性能 影响极大。掺杂半导体可 分为n型和p型两种。,导电性能,EC,EV,EF,EC,EV,ED,EA,材料电学性能,9,2020/8/6,2、导电机理,1）金属及半导体的导电机理 电子电导率 本征半导体 掺杂半导体,导电性能,高温下,本征半导体电阻率与温度的关系,材料电学性能,10,2020/8/6,2、导电机理,1）金属及半导体的导电机理 电子电导率

6、的影响因素 温度的影响 温度变化不大时，电导率与温度的关系符合指数规律。温度的影响包括对迁移率的影响（迁移率随温度变化较小）和载流子浓度的影响（指数关系）。 杂质及缺陷的影响 杂质缺陷：杂质导致离子电价的变化，出现新的局部能级（价控半导体）。,导电性能,Si（掺杂As）载流子体积密度与温度的关系,晶格散射杂质散射,材料电学性能,11,2020/8/6,2、导电机理,1）金属及半导体的导电机理 电子电导率的影响因素 杂质及缺陷的影响 组分缺陷：非化学计量比的化合物中，由于化学成分的偏离，形成离子空位或间隙离子等晶格缺陷。 阳离子空位 (M1-xO)：FeO, CoO, NiO等在氧化气氛下，由于

7、氧过剩而形成。 阴离子空位：TiO2-x，在还原气氛烧结时，由于缺氧而产生氧空位。 间隙离子：Zn1+xO, 金属离子过剩形成。,导电性能,材料电学性能,12,2020/8/6,2、导电机理,2) 无机非金属的导电机理 电子电导：载流子是电子或空穴；离子电导：载流子是离子或离子空位。 离子本征电导：导电离子由热振动产生，能量较大的离子离开平衡位置。 弗伦克尔 (Frenker) 缺陷：离子进入晶格间隙，空位和间隙离子成对产生。FF Fi + VF 肖脱基 (Schottky) 缺陷：离子跃迁到晶体表面，正负离子空位成对产生。 0 VNa + VCl 杂质电导：载流子为杂质离子，浓度取决于杂质的

8、种类和数量。,导电性能,材料电学性能,13,2020/8/6,2、导电机理,2) 无机非金属的导电机理 离子电导的微观机理为离子的扩散（迁移）。 无电场作用下间隙离子沿某一方向跃迁的次数为 受电场作用下，正离子顺电场方向和逆电场方向的跃迁次数为 载流子沿电场方向的迁移速度及迁移率为,导电性能,无电场,施加外电场E,材料电学性能,14,2020/8/6,2、导电机理,2) 无机非金属的导电机理 离子电导率的一般表达式 若只有一种载流子 若有多种载流子,导电性能,材料电学性能,15,2020/8/6,2、导电机理,2) 无机非金属的导电机理 离子扩散机制：空位扩散，间隙扩散和亚间隙扩散 空位扩散：

9、晶格变形程度小，活化能小。 间隙扩散：间隙位置的质点从一间隙移入另一间隙。 亚间隙扩散：间隙离子取代附近的晶格离子，被取代的晶格离子进入间隙位置。AgBr: Ag+ 的扩散。 离子扩散系数越大，离子电导率越高。,导电性能,材料电学性能,16,2020/8/6,2、导电机理,2) 无机非金属的导电机理 离子化合物陶瓷的导电性的变化范围非常大。CrO2: 3.3 * 104 ( cm)-1; MgO, Al2O3, SiO2: 10-14 ( cm)-1; CoO, NiO: 10-4 10-2 ( cm)-1 离子化合物中一旦有较多的电子参与导电，其离子导电性会被掩盖掉。 适当选择一种导电或半导

10、体性质的陶瓷与一种绝缘性的陶瓷混合起来，可使导电性发生巨大变化，而其他的性质往往并不会显著改变。,导电性能,Si3N4-SiC陶瓷的电阻率随成份的变化,材料电学性能,17,2020/8/6,2、导电机理,2) 无机非金属的导电机理 离子电导率的影响因素 温度的影响：离子电导率随温度升高呈指数规律增加。低温下杂质电导占主要地位，高温下本征电导起主要作用。 晶格缺陷：影响载流子浓度。 产生点缺陷的同时，也会产生电子型缺陷。 离子晶体具备离子电导特性的两个条件：1）电子载流子的浓度小；2）离子晶格缺陷浓度大并参与电导。,导电性能,含有杂质的物质的电导率随温度的变化曲线,材料电学性能,18,2020/

11、8/6,2、导电机理,2) 无机非金属的导电机理 离子电导率的影响因素 离子性质及晶体结构的影响：电导率与活化能呈指数关系。熔点高的晶体，活化能高，电导率低。 负离子半径增大，正离子激活能显著降低。NaF: 216 kJ/mol, NaCl: 169 kJ/mol, NaCl: 118 kJ/mol mNaI mNaCl mNaF 高价正离子价健强，激活能高，电导率低。晶体结构越紧密，离子移动越困难，电导率低。,导电性能,阳离子电荷对电导率的影响,不同半径的二价离子对玻璃电阻率的影响,材料电学性能,19,2020/8/6,3、金属材料的电导,电阻率与温度的关系：温度越高，电阻率越大。金属熔化时

12、电阻提高1.5至2倍。纯金属的a近似为410-3 oC-1，铁磁性金属具有较高的a值。Fe: 6 10-3 oC-1, Co: 6.6 10-3 oC-1, Ni: 6.2 10-3 oC-1 电阻率与压力的关系：大部分金属受压力情况下电阻率下降。反常金属：压力增大，电阻率上升，如碱金属、稀土金属。,导电性能,金属电阻率温度曲线,压力对电阻率的影响,磁性转变的影响,材料电学性能,20,2020/8/6,3、金属材料的电导,冷加工对电阻率的影响：通常情况下冷加工引起金属电阻率增加。在0K时，冷加工金属保留一极限电阻率。 点缺陷引起的电阻率变化远比线缺陷的大。 电阻率与晶体结构的关系：立方系金属的

13、电阻率各向同性，在对称性较低的六方晶系、四方晶系、斜方晶系中，导电性表现为各向异性。,导电性能,冷加工变形铁的电阻在退火时的变化,e,材料电学性能,21,2020/8/6,3、金属材料的电导,金属之间形成固溶体时，电阻率升高。g: 交互作用强度系数。二元合金最大电阻率一般在50%原子浓度处，铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体除外。 一价金属的库仑势场最弱，对导电电子的束缚最小，其导电性好。 非晶合金的电阻率远高于对应的晶态材料，电阻率随温度的变化比晶态合金弱很多。 在薄膜或其他低维材料中，当合金材料在某个方向上的几何尺寸小于导电电子的平均自由程时，该方向的导电性降低。,导电性能,Au,Cu,xA

14、u%,1%杂质原子对铜剩余电阻率的影响,材料电学性能,22,2020/8/6,3、金属材料的电导,固溶体有序化：1) 导电电子减少；2) 电子散射几率降低。通常第二因素占优，电阻率降低。 不均匀固溶体（K状态）的电阻率：镍铬，镍铜锌，铁铬铝，银锰等合金存在不均匀组织（K状态），增加电子散射，提高合金电阻率。冷加工促使固溶体不均匀组织的破坏并获得普通无序的固溶体，电阻率明显降低。,导电性能,80Ni20Cr合金电阻率与冷加工变形的关系,有序转变对电阻率的影响,材料电学性能,23,2020/8/6,4、玻璃的电导,纯净玻璃的电导较小，但若含有少量的碱金属离子R+，将使电导大大增加。含量不大时，玻璃

15、电导率随含量线性增加，当到达一定限度时，电导率呈指数关系增加。 双碱效应：在碱金属离子总浓度相同情况下，含两种碱比含一种碱的电导率小。 压碱效应：在含碱玻璃中加入二价金属氧化物，可使玻璃电导率降低。相应的阳离子半径越大，这种效应越强。,导电性能,玻璃电导率与锂钾含量的关系,材料电学性能,24,2020/8/6,5、多晶多相陶瓷的电导,陶瓷通常为多晶多相材料，其显微结构主要由微晶相、玻璃相和气孔相三部分组成，三者的量的大小及其相互间的关系，决定了陶瓷材料电导率的大小。 玻璃相结构松驰，微晶相缺陷较多，两者活化能较低，电导率较高。玻璃相一般填充晶粒间隙，构成连续网络，故含玻璃相的陶瓷的电导很大程度

16、上决定于玻璃相。 气孔率增加，电导率减小。 杂质与缺陷为影响导电性的主要内在因素。,导电性能,非金属原子过剩,金属原子过剩,材料电学性能,25,2020/8/6,5、多晶多相陶瓷的电导,多晶多相陶瓷材料的电导是各种电导机制的综合作用，有电子电导，也有离子电导。 电子的激活能小，迁移率高，材料的电导主要受电子电导的影响。绝缘材料的生产中要严格控制烧结气氛，减少电子电导。 薄膜及超细颗粒有大量晶界，增加离子及电子的散射，电阻增加。,导电性能,ti+,ti-,te,h,材料电学性能,26,2020/8/6,6、固体材料电导混合法则,设陶瓷由晶粒和晶界组成，且界面的影响和局部电场的变化等因素可以忽略，

17、则总电导率为： n = -1时，相当于串联状态；n = 1时相当于并联状态；n = 0时，对应于晶粒均匀分散在晶界中的情况。 实际材料中，当晶粒和晶界之间的电导率、介电常数、多数载流子差异很大时，往往在晶粒和晶界之间产生相互作用，引起各种陶瓷材料特有的晶界效应。,导电性能,材料电学性能,27,2020/8/6,7、超导体,超导体：某一温度以下具有零电阻导电现象的物质。固体材料特有的电子现象。 超导体内部磁感应强度为0，具有完全抗磁性。 1911年，发现水银在4.2K附近电阻突然降为0；1957年，BCS（库柏电子对）理论，预言金属及其化合物的超导临界温度低于30K；1966年在陶瓷中首次发现超

18、导特性；1986年发现临界温度高于30K的陶瓷（LaBa)2CuO4；1987年赵忠贤得到液氮以上温度的超导体 (Y-Ba-Cu-O)。 低温超导体；高温超导体（氧化物超导体）,导电性能,材料电学性能,28,2020/8/6,7、超导体,超导体的特性：1) 完全导电性；2) 完全抗磁性。 超导体的性能指标：1) 临界转变温度Tc；2) 临界磁场强度Hc；3) 临界电流密度Jc 超导体的应用：核磁共掁（NMR）成像系统，粒子加速器，磁悬浮列车，电能储存系统，电源变压器，高灵敏度的电子器件等。,导电性能,不同状态的Nb3Zr超导合金临界电流密度与临界磁场的关系,材料电学性能,29,2020/8/6

19、,8、导电性的测量及应用,电阻测量方法：双电桥法，电位差计法，安培伏特计法（适合快速测量小电阻的连续变化），直流四端电极法（消除电极非欧姆接触的影响）。 电阻分析的应用 测量固溶体的溶解度曲线：电阻率转折点即为溶解度点。 测定形状记忆合金的相变温度：利用马氏体与母相电阻率的显著不同。 定量检测高纯金属的纯度。r273K/ r4.2K与金属的杂质浓度成反比。,导电性能,DSC研究马氏体相变,材料电学性能,30,2020/8/6,（二）热电性能,1、热电效应 帕尔帖(Peltier)效应:当电流通过金属-半导体或不同金属接触的界面时，将会发热或者致冷。QP=PABIt。帕尔帖热与电流方向有关。 汤

20、姆逊(Thomson)效应：电流通过两端温度不同的金属导线，将产生除焦尔热外的吸放热现象。 赛贝克(Seeback)效应:两种不同电导体或半导体联成回路，且两接点处温度不同，则回路中将产生电流。回路的热电势与两接触物质的有效电子密度及两接触端的温差有关。,高温,低温,高温,低温,放热,放热,吸热,材料电学性能,31,2020/8/6,（三）半导体陶瓷的物理效应,1、热敏效应：半导体的电导率受温度影响极大，呈指数关系。某些半导体在特定温度附近电阻率变化显著，如铁电性材料在居里点附近。应用：热敏温度计，电路温度补偿器，无触点开关，过热保护器。 2、光敏效应：光照使某些半导体的电阻率明显下降。应用：

21、照明自动化，电磁辐射探测器。,半导体能带间隙与对应的吸收上限波长,材料电学性能,32,2020/8/6,（三）半导体陶瓷的物理效应,3、压敏效应 电压敏感效应：通过半导体(ZnO)的电压和电流不成线性关系，电阻随电压而变。某一临界电压下电阻极高，几乎无电流通过；超过该临界电压，电阻迅速降低。应用：过压保护，高压稳压，避雷器。 压力敏感效应：半导体在压 力作用下电阻率发生变化。 应用：压力传感器,高压,原子间距变小,禁带变小,电导率变大,材料电学性能,33,2020/8/6,（三）半导体陶瓷的物理效应,4、磁敏效应 霍尔效应：将通有电流的半导体放在均匀磁场中，若磁场方向垂直电流方向，则在垂直于电

22、流和磁场的方向产生一横向电场。应用：检验材料是否存在电子电导 磁阻效应：磁场的存在使半导体的电阻增加。包括正常磁阻效应，各向异性磁阻效应和巨磁阻效应。正常磁阻效应存在于所有金属中，来源于传导电子在磁场作用下自由程减小。 5、气敏效应：半导体表面由于气体吸附而引起电阻率的变化。n型半导体负电吸附（吸附分子捕获内部电子而带负电）或p型半导体正电吸附，表面形成耗尽层，电导率减小。应用：检测气体的存在和浓度。,n型半导体负电吸附表面能带,材料电学性能,34,2020/8/6,（三）半导体陶瓷的物理效应,6、p-n结 当n型和p型半导体接触时，或半导体内一部分为n型，另一部分为p型时，由于两者费米能级不

23、同，在接触面两侧形成正负电荷积累，产生一定的接触电势差。 未加电场下p区极少量的电子由于势垒降低产生的电流（饱和电流I0）与n区电子的扩散电流Id相抵消。,材料电学性能,35,2020/8/6,（三）半导体陶瓷的物理效应,6、p-n结 正偏压下势垒降低，扩散电流增加，产生净电流。 负偏压下只能流过很小电流。 负偏压继续增加，出现隧道效应，绝缘破坏。此时电压称为反向击穿电压。,eVd,e(Vd-V),材料电学性能,36,2020/8/6,（三）半导体陶瓷的物理效应,7、金属半导体结 对于n型半导体 当金属功函数大于半导体 (fmfs) 的功函数时，电子从半导体流入金属，形成耗尽层。这种结亦称整流

24、结。,材料电学性能,37,2020/8/6,（三）半导体陶瓷的物理效应,7、金属半导体结 对于n型半导体 若金属功函数小于半导体的功函数(fmfs形成欧姆结。 高掺杂半导体与金属形成的接触通常为欧姆结，广泛用于电子器件中。,材料电学性能,38,2020/8/6,（四）介质极化与介电性能,1、极化的基本概念 极化：介质在电场作用下产生感应电荷的现象。 非极性粒子：正负电荷中心重合，对外不显示极性。 极性粒子：正负电荷中心分开，有电偶极矩。 极化率：单位电场强度下介质粒子的电偶极矩的大小。 极化强度：介质单位体积中的感生电偶极矩。,极性分子及电偶极矩,非极性分子,材料电学性能,39,2020/8/

25、6,（四）介质极化与介电性能,2、极化的基本形式 介质的极化按作用质点分类：电子极化，离子极化和偶极子转向极化；按消耗能量与否：位移极化，松驰极化。 位移极化：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：在外电场作用下原子外围的电子云相对于原子核发生位移所引起的极化。原子半径增加，极化增强。 离子位移极化：离子在电场作用下偏离平衡位置所引起的极化。,原子核,材料电学性能,40,2020/8/6,（四）介质极化与介电性能,2、极化的基本形式 松驰极化：非弹性极化，极化过程需要一段时间并消耗能量，与热运动有关。电场作用下质点固有电偶极矩有序分布，多发生于晶体缺陷区或玻璃体内 电子松

26、驰极化：由弱束缚电子引起，电场频率高于109Hz时不存在。主要出现在折射率大，结构紧密，内电场大和电子电导率大的电介质中。 离子松驰极化：由弱联系离子引起。温度越高，对离子规则运动阻碍越大。 转向极化：发生在极性分子介质中，偶极子趋于转向外电场方向。 极化是非弹性的 形成极化的时间较长 温度对极化有很大影响,离子松驰极化与离子电导势垒,材料电学性能,41,2020/8/6,3、介电常数 综合反映电介质材料极化行为的宏观物理量。有电介质时电容器的电容比其在真空状态时大，增长的倍数用介电常数表示。 在交变电场下介电常数为一复数。,（四）介质极化与介电性能,材料电学性能,42,2020/8/6,（四

27、）介质极化与介电性能,4、影响介电常数的因素 频率的影响。 一般情况下频率升高，介电常数减小。 温度的影响 根据介电常数与温度的关系，电介质可分为两大类，一类是介电常数与温度与强烈非线性关系的电介质，另一类是介电常数与温度成线性关系。通常介电常数很大的材料其TKe为负值，介电常数较小的材料为正值。,材料电学性能,43,2020/8/6,（五）电介质的介质损耗,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。 电导（漏导）损耗：电介质中弱联系带电粒子在电场作用下移动，产生漏导电流，从而消耗能量。 极化损耗：由于各种电介质松驰极化的建立所造成的电流引起的损耗。当外加电压频率大于松驰极化的频率时，极化跟不上电场变化。当外电场反向时，极板上遗留的电荷中和了电源对极板充电的部分电荷，产生能量损耗。在某个温度或频率下，损耗达到最大值。 电离损耗：固体电解质气孔内的气体所受电场强度超过其电离强度时，气体电离，吸收能量而造成损耗。 结构损耗：与介质内部结构的紧密度密切相关的损耗。与温度关系不大。损耗功率随频率升高而增大，但tand和频率无关。 宏观结构不均匀的介质损耗：介质中电荷分布不均匀，产生空间电荷极化而消耗能量。,材料电学性能,44,2020/8/6,（五）电介质的介质损耗,影响介电损耗的因素 当松驰时间一定时，介电损耗与频率w的关系如