试谈材料的电性能.ppt

1、材料的电性能,Contents：,材料电性能的定义 导电体 绝缘体 半导体 超导体,1 材料电性能的定义,材料的电性能是指材料在外加电压或电场作用下的行为及其所表现出来的各种物理现象。,材料的电性质包括：导电性，介电性，超导性，热电性，铁电性，及压电性等。,材料按电学性质分类：,2 导电体,金子,铝线,铜线,石墨,2.1 金属的电阻率,表征材料电性质的物理量有：电阻（R），电阻率（）以及电导率（）和其他性质。,电阻R值与被测试样的几何形状及尺寸有关：,R= L/A,式中:R-电阻（）；-电阻率，m； L-材料长度，m；A-材料截面积，m2,电阻率是微观水平上阻碍电流流动的度量。电阻是材料形状，

2、尺寸的函数，而电阻率同密度一样，是材料固有的性质，只与材料的结构有关，与材料的尺寸无关。,电阻率是表征材料导电性的重要物理量。超导体，导体，半导体的绝缘体值的大小与范围可分类如下: 超导体：0 m 导体：=10-810-5 m 半导体：=10-5 107 m 绝缘体：=107 1020 m,2.2 影响电阻率的因素,1、温度的影响。金属中，温度越高，电阻率越高。 2、杂质的影响。在纯金属中加入少量的合金元素将增加金属对电子的散射作用，从而使金属的电阻率增加。 3、冷塑性形变的影响。随着冷塑性变形量的增加，晶体中位错增多，从而电阻率提高。,3 绝缘体,橡胶,塑料,陶瓷,玻璃,绝缘材料作为材料使用

3、可以分为绝缘材料和介电材料两类。 绝缘材料的主要功能是实现电绝缘，如高压绝缘电瓶所用的氧化铝陶瓷就是一种绝缘材料。比较常见的介电材料是电容器介质材料，压电材料等。 绝缘材料和介电材料两者在电子和电气工程中都起到重要作用。,3.1介电性,静电场中介质的极化 （A）真空电容器；（B）介电电容器,当电压加到两块真空的平行板上时，板上的电荷Q0电压成正比，Q0=C0U，比例系数C0就是电容。如果在平板电容的极板间充满某种绝缘体（电介质），则由于电介质在电场的作用下发生极化而产生表面束缚电荷，在相同的电压下使平板电容器极板上的感应电荷增加了Q1，则Q0+Q1=CU，电容量增加了。电介质引起电容量增加的比

4、例，称为相对介电常数r，也称电容率。,r=C/C0=(Q0+Q1)/Q0,板上的电荷在着眼于介电性质时，绝缘体就称为电介质。介电性的一个重要标志就是材料能够产生极化现象。,3.2 压电性，热释电性，和铁电性,（1）压电性,1880年，P.居里兄弟发现：当对-石英晶体在某些特定方向上加力时，在与力的方向垂直的平面上出现了正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。,压电材料主要用于电能与机械能相互转换的传感器中，例如拾振器，扩音器，超声波发生仪，和声纳探测仪等。,（2）热释电性,同压电效应类似，有些晶体可以因温度变化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电效应。 热释电材料是压电材料中的一类，它主要的特点

5、是因温度的变化引起介质极化。,（3）铁电性,在具有热释电性的材料中有一部分晶体即使在无外电场的作用下也表现出很强的电偶极矩，这些电偶极矩在反向电场作用下可以重新取向，从而得到如图所示的极化强度与电场强度的关系曲线（类似于磁性材料对磁场的关系，故称之为电滞回线）。这类晶体称为铁电体。,如：BaTiO3,电介质，压电体，热释电体和铁电体之间的关系可用下图表示：,4 半导体,二极管,三极管,电子产品,光伏电池,4.1 半导体相关概念,半导体：材料的电阻率界于金属与绝缘材料之间的材料。这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。,本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本

6、征半导体,对掺入施主杂质（如五价元素磷、砷 等）的半导体，导电载流子主要是导带中的电子，属电子型导电，称N型半导体。掺入受主杂质（三价元素硼、铝 等）的半导体属空穴型导电，称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子-空穴对，故N型半导体中可存在少量导电空穴，P型半导体中可存在少量导电电子，它们均称为少数载流子。,P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域称为PN结 。PN结具有单向导电性，PN结的另一重要性质是受到光照后能产生电动势，称光生伏打效应，可利用来制造光电池。,4.2 热电效应,如果在一根半导体棒或者金属的两端保持温度差，那就热端的载流子将趋向于冷端运动。假设载流子是电子，那么当

7、他们离开热端而运动到冷端时，就使冷端变成负的，从而形成的电场立即使电子向热流引起电子运动的相反方向运动。当这两种过程达到平衡时，则在棒两端建立起电位差。,1821年塞贝克发现了热能转换为电能的塞贝克效应。,5 超导体,（1）超导性,大多数高纯金属冷却到0K附近时，电阻逐渐减小到一个表征该金属的最小值。也有一些材料在很低的温度下电阻突然从某个值降到零，再进一步降温时，电阻仍然保持为零，如图。这种材性质称为超导性。, 零电阻效应（完全导电性） 材料的电阻突然降到目前仪器水平所能检测的极限值以下。使超导体的电阻变为零的温度称为零界温度，以TC表示。, 麦斯纳效应（完全抗磁性） 当温度处于TC以下时，外加磁场完全被排除在超导体之外。这时，如果在其上放置一个磁体的话，磁体将被顶起一定的距离。,超导材料在特定条件下应具备以下两个特征：,自1911年荷兰的H.K.Onnes首先发现汞的超导性以来，至今人们已经发现了成千上万种超导体，因此超导体的存在实际上是一种普遍现象，例如铅、锡等金属，一些合金和化合物具有超导性。不过这些超导材料的临界温度TC 都很低