材料的电性能学习教案.pptx

会计学1材料材料(cilio)的电性能的电性能第一页，共52页。第第2章章 材料材料(cilio)的电性能的电性能导电性基本规律及描述参量导电性基本规律及描述参量导电性基本规律及描述参量导电性基本规律及描述参量 一个长一个长一个长一个长L L，横截面，横截面，横截面，横截面s s的均匀导电体，两端的均匀导电体，两端的均匀导电体，两端的均匀导电体，两端(li(li n n dun)dun)加电压加电压加电压加电压V V，根据欧姆定律：，根据欧姆定律：，根据欧姆定律：，根据欧姆定律：电导率单位电导率单位(dnwi)：西门子每：西门子每米米 S/m第1页/共51页第二页，共52页。导电性基本规律及描述参量导电性基本规律及描述参量导电性基本规律及描述参量导电性基本规律及描述参量 相对电导率：相对电导率：相对电导率：相对电导率：IACS%IACS%定义：把国际标准纯软铜（在室温定义：把国际标准纯软铜（在室温定义：把国际标准纯软铜（在室温定义：把国际标准纯软铜（在室温2020度，电阻率为度，电阻率为度，电阻率为度，电阻率为0.01724.0.01724.mm2/mmm2/m）的）的）的）的电导率作为电导率作为电导率作为电导率作为100%100%，其它导体，其它导体，其它导体，其它导体(d(d otot)材料的电导率与之相比的百分数材料的电导率与之相比的百分数材料的电导率与之相比的百分数材料的电导率与之相比的百分数即为该导体即为该导体即为该导体即为该导体(d(d otot)材料的相对电阻率。材料的相对电阻率。材料的相对电阻率。材料的相对电阻率。思考题：思考题：1）IACS%与与S/m的换算的换算(hun sun)关系关系2）一根）一根(y n)金属棒，电导率为金属棒，电导率为3.5 107 S/m,长为长为10m,电阻电阻值为值为0.08，求截面积。，求截面积。第2页/共51页第三页，共52页。第第2章章 材料材料(cilio)的电性能的电性能载流子载流子载流子载流子 1.1.概念：电流是电荷的定向运动，有电流必须有电荷输运概念：电流是电荷的定向运动，有电流必须有电荷输运概念：电流是电荷的定向运动，有电流必须有电荷输运概念：电流是电荷的定向运动，有电流必须有电荷输运(sh(sh yn)yn)过程，电荷的载体为载流子。过程，电荷的载体为载流子。过程，电荷的载体为载流子。过程，电荷的载体为载流子。物物体体(wt)的的导导电电现现象象，其其微微观观本本质质是是载载流流子子在在电电场场作作用用下下的定向迁移的定向迁移2.载流子：电子，空穴，正离子，负离子载流子：电子，空穴，正离子，负离子第3页/共51页第四页，共52页。3.迁移迁移(qiny)数数tx，也称输运数（，也称输运数（transference number)定义为：定义为：式中：式中：为各种载流子输运为各种载流子输运(sh yn)电荷形成的总电导率电荷形成的总电导率 表示某种载流子输运表示某种载流子输运(sh yn)电荷的电导率电荷的电导率tx的的意意义义：是是某某一一种种载载流流子子输输运运电电荷荷占占全全部部(qunb)电电导导率率的的分分数数表示。表示。第4页/共51页第五页，共52页。第第2章章 材料材料(cilio)的电性能的电性能载流子载流子载流子载流子 4.4.载流子与导电性能的关系载流子与导电性能的关系载流子与导电性能的关系载流子与导电性能的关系(gun x)(gun x)：因素因素(yn s)：单位体积中可移动的带电粒子数量：单位体积中可移动的带电粒子数量N 每个载流子的电荷量每个载流子的电荷量 q 载流子的迁移率载流子的迁移率 迁移率：受到外加电场作用时，材料中的载流子移动的难易程度迁移率：受到外加电场作用时，材料中的载流子移动的难易程度 令令=v/E，并定义其为载流子的迁移率。其物理意义为载流子，并定义其为载流子的迁移率。其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度。在单位电场中的迁移速度。=Nq第5页/共51页第六页，共52页。第第2章章 材料材料(cilio)的电性能的电性能载流子载流子载流子载流子 例：一根铝导线例：一根铝导线例：一根铝导线例：一根铝导线(d(d oxin)oxin)（A=1mm2,L=1m)A=1mm2,L=1m)的电阻是的电阻是的电阻是的电阻是0.0283 0.0283，计算电子的体积密度。已知电子的迁移率为，计算电子的体积密度。已知电子的迁移率为，计算电子的体积密度。已知电子的迁移率为，计算电子的体积密度。已知电子的迁移率为1.22 10-3 m2/vs.1.22 10-3 m2/vs.第6页/共51页第七页，共52页。2.2 2.2 2.2 2.2 电子电子电子电子(dinz)(dinz)(dinz)(dinz)类载流导电类载流导电类载流导电类载流导电金属导电金属导电金属导电金属导电(dodin)(dodin)(dodin)(dodin)机制机制机制机制 载流子为自由电子载流子为自由电子(z yu din z)经典理论：所有自由电子都对导电做出贡献。经典理论：所有自由电子都对导电做出贡献。电子的平均自由程电子的平均自由程m为电子的质量为电子的质量n为电子的密度为电子的密度n为电子的平均速度为电子的平均速度第7页/共51页第八页，共52页。能带理论，两点基本改进:nef 表示单位体积内实际参加热传导的电子数（effect).费米(fi m)面能级附近参加电传导的电子数 m*为电子的有效质量，考虑晶体点阵对电场作用的结果 第8页/共51页第九页，共52页。令：令：1/l=为散射系数为散射系数 电阻的本质电阻的本质电阻的本质电阻的本质 在绝对零度，在具有严格周期性电场的理想晶体中的电子和在绝对零度，在具有严格周期性电场的理想晶体中的电子和在绝对零度，在具有严格周期性电场的理想晶体中的电子和在绝对零度，在具有严格周期性电场的理想晶体中的电子和空穴的运动像理想气体分子在真空中的运动一样空穴的运动像理想气体分子在真空中的运动一样空穴的运动像理想气体分子在真空中的运动一样空穴的运动像理想气体分子在真空中的运动一样(yyng)(yyng)，电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。p理想晶体中晶体点阵的周期性受到破坏时，理想晶体中晶体点阵的周期性受到破坏时，才产生阻碍电子运动的条件。才产生阻碍电子运动的条件。p 晶格热振动（温度引起的离子晶格热振动（温度引起的离子运动振幅的变化运动振幅的变化(binhu)(binhu)）p 杂质的引入杂质的引入p 位错及点缺陷位错及点缺陷p 在电子电导的材料中，电子与在电子电导的材料中，电子与点阵的非弹性碰撞引起电子波的散射是电子点阵的非弹性碰撞引起电子波的散射是电子运动受阻的本质原因。运动受阻的本质原因。第9页/共51页第十页，共52页。3.马西森定律马西森定律(dngl)：与温度与温度(wnd)有关有关 与杂质浓度有关，与杂质浓度有关，有温度有温度(wnd)无关无关1.温度温度 温度升高，离子振幅愈大，电子愈易受到散射，正比关系温度升高，离子振幅愈大，电子愈易受到散射，正比关系 2.杂质存在，使金属正常结构发生变化，引起额外的散射杂质存在，使金属正常结构发生变化，引起额外的散射第10页/共51页第十一页，共52页。电阻率与温度电阻率与温度电阻率与温度电阻率与温度(wnd)(wnd)(wnd)(wnd)的关系的关系的关系的关系 1)一般来说，温度(wnd)越高，电阻率越大。在温度(wnd)高于室温情况下 为电阻为电阻(dinz)温度系数：温度系数：纯金属：纯金属：=410-3/,铁磁性金属，铁磁性金属，Fe为为610-3/，Co为为6.610-3/，Ni为为6.210-3/2）金属电阻率在不同范围内与温度）金属电阻率在不同范围内与温度变化的关系不同变化的关系不同第11页/共51页第十二页，共52页。3)3)金属熔化时，电阻增高金属熔化时，电阻增高金属熔化时，电阻增高金属熔化时，电阻增高1.5-21.5-2倍，金属原子规则排倍，金属原子规则排倍，金属原子规则排倍，金属原子规则排列列列列(pili)(pili)遭到破坏，增加了对电子散射。遭到破坏，增加了对电子散射。遭到破坏，增加了对电子散射。遭到破坏，增加了对电子散射。如右图：如右图：如右图：如右图：K K，NaNa正常正常正常正常 但但但但SbSb反常，共价键变为金属键反常，共价键变为金属键反常，共价键变为金属键反常，共价键变为金属键 铁磁性金属有时发生反常。铁磁性金属有时发生反常。铁磁性金属有时发生反常。铁磁性金属有时发生反常。Tc:Tc:居里点居里点居里点居里点 铁磁性金属内铁磁性金属内铁磁性金属内铁磁性金属内d d及及及及s s壳层电子云相互作用的特点决定壳层电子云相互作用的特点决定壳层电子云相互作用的特点决定壳层电子云相互作用的特点决定的的的的 第12页/共51页第十三页，共52页。电阻率与压力电阻率与压力电阻率与压力电阻率与压力(yl)(yl)(yl)(yl)的关系的关系的关系的关系在流体在流体(lit)静压下，大多数金属电阻率是下降的：静压下，大多数金属电阻率是下降的：正常金属正常金属(jnsh)：Fe,Co,Ni,Pt,Cu,Ag,Au,Zr,反常金属反常金属(jnsh)：碱金属碱金属(jnsh)，稀土，稀土 Ca,Sr,Bi,Sb有时大的压力使材料由半导体和绝缘体变为导体。有时大的压力使材料由半导体和绝缘体变为导体。原因：原因：金属原子间距变小，内部缺陷形态，电子结构，费密能和能带结构都将发生变化，大部分金属电阻率金属原子间距变小，内部缺陷形态，电子结构，费密能和能带结构都将发生变化，大部分金属电阻率是下降的。是下降的。第13页/共51页第十四页，共52页。冷加工和缺陷冷加工和缺陷冷加工和缺陷冷加工和缺陷(quxin)(quxin)(quxin)(quxin)对电阻率的影响对电阻率的影响对电阻率的影响对电阻率的影响纯金属纯金属(jnsh)：冷加工后纯金属冷加工后纯金属(jnsh)的电阻率增加的电阻率增加2%-6%，W的电阻增加的电阻增加30%，Mo增加增加15-20%固溶体：固溶体：一般一般(ybn)增加增加10%-20%有序固溶体：有序固溶体：100%反常：反常：Ni-Cr,Ni-Cu-Zn,Fe-Cr-Al等形成等形成K 状态，状态，电阻率降低。电阻率降低。第14页/共51页第十五页，共52页。机机 理：理：冷变形冷变形(bin xng)-晶格畸变晶格畸变-增加电子散射几率增加电子散射几率-导致电阻率增加导致电阻率增加马西森定律马西森定律(dngl)：M表示(biosh)与温度有关的退火金属的电阻率，剩余电阻率，与温度无关 冷加工金属退火，可以回复到冷加工前金属冷加工金属退火，可以回复到冷加工前金属 的电阻值。的电阻值。第15页/共51页第十六页，共52页。晶格畸变(jbin)，晶体缺陷导致电阻率增加值为 空位空位(kn wi)位错位错m，n在在0-2之间变化之间变化(binhu)。空位，间隙原子及它们的组合，位错使金属电阻增加。前二者的作用远超过后者。空位，间隙原子及它们的组合，位错使金属电阻增加。前二者的作用远超过后者。第16页/共51页第十七页，共52页。冷加工和缺陷冷加工和缺陷冷加工和缺陷冷加工和缺陷(quxin)(quxin)(quxin)(quxin)对电阻率的影响对电阻率的影响对电阻率的影响对电阻率的影响空位：空位：形变形变高能粒子辐射中产生高能粒子辐射中产生(chnshng)，淬火也可以产生淬火也可以产生(chnshng)：位错：位错引起位错：位错引起(ynq)的电阻率的变化与位错密度之间呈线性关系的电阻率的变化与位错密度之间呈线性关系第17页/共51页第十八页，共52页。固溶体的电阻率固溶体的电阻率固溶体的电阻率固溶体的电阻率形成形成(xngchng)固溶体的电阻率的变化固溶体的电阻率的变化.现象：形成现象：形成(xngchng)固溶体时，合金导电性降低。固溶体时，合金导电性降低。机理：机理：加入溶质原子加入溶质原子-溶剂的晶格发生扭曲畸变溶剂的晶格发生扭曲畸变-破坏破坏(phui)了晶格势场的周期性了晶格势场的周期性-增加了电子散射几率增加了电子散射几率固溶体组元的化学相互作用固溶体组元的化学相互作用一般一般最大在最大在50%处，铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体有异常。处，铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体有异常。第18页/共51页第十九页，共52页。:1%(原子百分比）杂质原子百分比）杂质(zzh)引起的附加电引起的附加电阻率阻率 Z:溶剂溶剂(rngj)和溶质原子化合价和溶质原子化合价之差之差马西森定律(dngl)第19页/共51页第二十页，共52页。表铜合金的性能(xngnng)Properties of copper alloy材 料组 成热膨胀系数10-6/热导率W/(mK)电导率IACS纯铜Cu17.0388-39995-101黄铜Cu-Zn18.1-19.829-6030-57锡青铜Cu-Sn17.5-19.112-209-18铝青铜Cu-Al17.1-18.260-1008-17硅青铜Cu-Si16.1-18.537-10410-28锰青铜Cu-Mn20.41086-16白铜Cu-Ni1713020第20页/共51页第二十一页，共52页。固溶体的电阻率固溶体的电阻率固溶体的电阻率固溶体的电阻率有序合金的电阻率：有序合金的电阻率：有序合金的电阻率：有序合金的电阻率：组元的化学作用加强组元的化学作用加强组元的化学作用加强组元的化学作用加强-导电电子数下降导电电子数下降导电电子数下降导电电子数下降-电阻率增加电阻率增加电阻率增加电阻率增加 晶体离子势场更对称晶体离子势场更对称晶体离子势场更对称晶体离子势场更对称-电子散射的几率下降电子散射的几率下降电子散射的几率下降电子散射的几率下降-电阻率下降电阻率下降电阻率下降电阻率下降 综合综合综合综合(zngh)(zngh)作用：电阻率下降（一般）作用：电阻率下降（一般）作用：电阻率下降（一般）作用：电阻率下降（一般）第21页/共51页第二十二页，共52页。固溶体的电阻率固溶体的电阻率固溶体的电阻率固溶体的电阻率不均匀固溶体的电阻率：不均匀固溶体的电阻率：不均匀固溶体的电阻率：不均匀固溶体的电阻率：K K状态：在合金元素中含有过渡金属的，状态：在合金元素中含有过渡金属的，状态：在合金元素中含有过渡金属的，状态：在合金元素中含有过渡金属的，Ni-Cr,Ni-Cu-Zn,Fe-Cr-Al Ni-Cr,Ni-Cu-Zn,Fe-Cr-Al等为等为等为等为单相合金，但回火时，电阻有反常升高，加工时电阻率下降。单相合金，但回火时，电阻有反常升高，加工时电阻率下降。单相合金，但回火时，电阻有反常升高，加工时电阻率下降。单相合金，但回火时，电阻有反常升高，加工时电阻率下降。组元原子组元原子组元原子组元原子(yunz(yunz)在晶体内不均匀分布在晶体内不均匀分布在晶体内不均匀分布在晶体内不均匀分布-内部原子内部原子内部原子内部原子(yunz(yunz)的聚集的聚集的聚集的聚集-增加原子增加原子增加原子增加原子(yunz(yunz)的散射几率的散射几率的散射几率的散射几率-电阻升高电阻升高电阻升高电阻升高 冷加工在很大程度上消除了这种不均匀状态冷加工在很大程度上消除了这种不均匀状态冷加工在很大程度上消除了这种不均匀状态冷加工在很大程度上消除了这种不均匀状态 第22页/共51页第二十三页，共52页。固溶体的电阻率固溶体的电阻率固溶体的电阻率固溶体的电阻率小结：小结：小结：小结：缺陷，杂质，第二组元可以缺陷，杂质，第二组元可以缺陷，杂质，第二组元可以缺陷，杂质，第二组元可以(ky(ky)考虑为考虑为考虑为考虑为“缺陷缺陷缺陷缺陷”，一般而言，均匀分布的缺陷一般而言，均匀分布的缺陷一般而言，均匀分布的缺陷一般而言，均匀分布的缺陷比其呈原子团方式分布时，迁移率降低更多，电阻率上升更多。比其呈原子团方式分布时，迁移率降低更多，电阻率上升更多。比其呈原子团方式分布时，迁移率降低更多，电阻率上升更多。比其呈原子团方式分布时，迁移率降低更多，电阻率上升更多。问题：问题：问题：问题：许多工程应用中，要求金属导线具有高强度和高导电率的综合性能，假设足够高许多工程应用中，要求金属导线具有高强度和高导电率的综合性能，假设足够高许多工程应用中，要求金属导线具有高强度和高导电率的综合性能，假设足够高许多工程应用中，要求金属导线具有高强度和高导电率的综合性能，假设足够高的强度可以的强度可以的强度可以的强度可以(ky(ky)通过冷加工获得，也可以通过冷加工获得，也可以通过冷加工获得，也可以通过冷加工获得，也可以(ky(ky)由固溶强化获得，从电导角度由固溶强化获得，从电导角度由固溶强化获得，从电导角度由固溶强化获得，从电导角度看，采用哪种方式？为什么？看，采用哪种方式？为什么？看，采用哪种方式？为什么？看，采用哪种方式？为什么？第23页/共51页第二十四页，共52页。2.3 2.3 离子离子离子离子(lz(lz)类载流导电类载流导电类载流导电类载流导电离子电导是带电荷的离子载流子在电场作用的定向离子电导是带电荷的离子载流子在电场作用的定向离子电导是带电荷的离子载流子在电场作用的定向离子电导是带电荷的离子载流子在电场作用的定向(dn xin)(dn xin)(dn xin)(dn xin)运动。运动。运动。运动。本征导电：晶体点阵的基本离子由于热振动离开晶格，形成热缺陷本征导电：晶体点阵的基本离子由于热振动离开晶格，形成热缺陷本征导电：晶体点阵的基本离子由于热振动离开晶格，形成热缺陷本征导电：晶体点阵的基本离子由于热振动离开晶格，形成热缺陷杂质导电：参加导电的载流子主要是杂质杂质导电：参加导电的载流子主要是杂质杂质导电：参加导电的载流子主要是杂质杂质导电：参加导电的载流子主要是杂质离子导电理论：离子导电理论：离子导电理论：离子导电理论：离子迁移的能量变化如图所示，离子迁移的能量变化如图所示，离子迁移的能量变化如图所示，离子迁移的能量变化如图所示，位垒位垒位垒位垒V V V V代表陶瓷或玻璃阻力最小路径上的最大位垒。代表陶瓷或玻璃阻力最小路径上的最大位垒。代表陶瓷或玻璃阻力最小路径上的最大位垒。代表陶瓷或玻璃阻力最小路径上的最大位垒。不存在不存在(cnzi)电场电场 加上电场加上电场第24页/共51页第二十五页，共52页。考虑某一间隙离子由于热运动，越过位垒跃迁到邻近间隙位置的情况。根据玻尔兹曼统计规律，考虑某一间隙离子由于热运动，越过位垒跃迁到邻近间隙位置的情况。根据玻尔兹曼统计规律，考虑某一间隙离子由于热运动，越过位垒跃迁到邻近间隙位置的情况。根据玻尔兹曼统计规律，考虑某一间隙离子由于热运动，越过位垒跃迁到邻近间隙位置的情况。根据玻尔兹曼统计规律，单位时间沿某一方向跃迁的次数为单位时间沿某一方向跃迁的次数为单位时间沿某一方向跃迁的次数为单位时间沿某一方向跃迁的次数为 a:a:与不可逆跳跃相关的适应系数与不可逆跳跃相关的适应系数与不可逆跳跃相关的适应系数与不可逆跳跃相关的适应系数 1.1.无外加电场时无外加电场时无外加电场时无外加电场时 间隙离子在晶体中各方向的间隙离子在晶体中各方向的间隙离子在晶体中各方向的间隙离子在晶体中各方向的“迁移迁移迁移迁移”次数都相同，宏观上无电荷定向运动，故介质中无电导现象次数都相同，宏观上无电荷定向运动，故介质中无电导现象次数都相同，宏观上无电荷定向运动，故介质中无电导现象次数都相同，宏观上无电荷定向运动，故介质中无电导现象(xinxing)(xinxing)。2.2.有外加电场时有外加电场时有外加电场时有外加电场时 由于电场力的作用，晶体中间隙离子的势垒不再对称，如图，对于正离子，受电场力作用，由于电场力的作用，晶体中间隙离子的势垒不再对称，如图，对于正离子，受电场力作用，由于电场力的作用，晶体中间隙离子的势垒不再对称，如图，对于正离子，受电场力作用，由于电场力的作用，晶体中间隙离子的势垒不再对称，如图，对于正离子，受电场力作用，F=qEF=qE，F F与与与与E E同方向，因而正离子顺电场方向同方向，因而正离子顺电场方向同方向，因而正离子顺电场方向同方向，因而正离子顺电场方向“迁移迁移迁移迁移”容易，反电场方向容易，反电场方向容易，反电场方向容易，反电场方向“迁移迁移迁移迁移”困难。困难。困难。困难。不存在不存在(cnzi)电场电场 加上电场加上电场第25页/共51页第二十六页，共52页。设电场设电场设电场设电场E E在在在在b b2 2距离上距离上距离上距离上(b(b为相邻半稳定位置间的距离为相邻半稳定位置间的距离为相邻半稳定位置间的距离为相邻半稳定位置间的距离)造成的位造成的位造成的位造成的位势差势差势差势差 V=Fb V=Fb2=qEb2=qEb2=zeEb/22=zeEb/2。则顺电场方向填隙离子单位时间内跃迁的次数为则顺电场方向填隙离子单位时间内跃迁的次数为则顺电场方向填隙离子单位时间内跃迁的次数为则顺电场方向填隙离子单位时间内跃迁的次数为 逆电场方向填隙离子单位时间内跃迁的次数为逆电场方向填隙离子单位时间内跃迁的次数为逆电场方向填隙离子单位时间内跃迁的次数为逆电场方向填隙离子单位时间内跃迁的次数为 每跃迁一次的距离为每跃迁一次的距离为每跃迁一次的距离为每跃迁一次的距离为b b，所以载流子沿电场方向的迁移速度，所以载流子沿电场方向的迁移速度，所以载流子沿电场方向的迁移速度，所以载流子沿电场方向的迁移速度(sd)V(sd)V 可视为可视为可视为可视为 当电场强度较低时，当电场强度较低时，当电场强度较低时，当电场强度较低时，当电场强度足够强大时（大于当电场强度足够强大时（大于当电场强度足够强大时（大于当电场强度足够强大时（大于10v/cm10v/cm），），），），第26页/共51页第二十七页，共52页。由于由于由于由于(yuy)(yuy)电流密度电流密度电流密度电流密度j j为为为为 将将将将v v代入有：代入有：代入有：代入有：将将将将P P代入并且令：代入并且令：代入并且令：代入并且令：第27页/共51页第二十八页，共52页。2.3 2.3 离子离子离子离子(lz(lz)类载流导电类载流导电类载流导电类载流导电如果材料如果材料如果材料如果材料(cilio)(cilio)存在多种载流子，总的电导率为存在多种载流子，总的电导率为存在多种载流子，总的电导率为存在多种载流子，总的电导率为 第28页/共51页第二十九页，共52页。离子电导与扩散：离子电导与扩散：离子电导与扩散：离子电导与扩散：1 1）离子导电是离子在电场作用下的扩散现象：）离子导电是离子在电场作用下的扩散现象：）离子导电是离子在电场作用下的扩散现象：）离子导电是离子在电场作用下的扩散现象：(1)(1)空位扩散空位扩散空位扩散空位扩散 以空位扩散以空位扩散以空位扩散以空位扩散,MgO,MgO中的空位作为载流子扩散；中的空位作为载流子扩散；中的空位作为载流子扩散；中的空位作为载流子扩散；(2)(2)间隙扩散间隙扩散间隙扩散间隙扩散 是间隙离子作为载流子的直接扩散运动，即从某一个间隙位置扩散到另一个是间隙离子作为载流子的直接扩散运动，即从某一个间隙位置扩散到另一个是间隙离子作为载流子的直接扩散运动，即从某一个间隙位置扩散到另一个是间隙离子作为载流子的直接扩散运动，即从某一个间隙位置扩散到另一个间隙位置。间隙位置。间隙位置。间隙位置。此外，当间隙离子较大时，如果直接扩散必然要产生较大的晶格畸变。因此，这种此外，当间隙离子较大时，如果直接扩散必然要产生较大的晶格畸变。因此，这种此外，当间隙离子较大时，如果直接扩散必然要产生较大的晶格畸变。因此，这种此外，当间隙离子较大时，如果直接扩散必然要产生较大的晶格畸变。因此，这种扩散很难进行。扩散很难进行。扩散很难进行。扩散很难进行。一般间隙扩散比空位扩散需要更大的能量。一般间隙扩散比空位扩散需要更大的能量。一般间隙扩散比空位扩散需要更大的能量。一般间隙扩散比空位扩散需要更大的能量。(3)(3)亚晶格间隙扩散亚晶格间隙扩散亚晶格间隙扩散亚晶格间隙扩散 由于间隙离子较难扩散，在这种情况下，往往产生间隙由于间隙离子较难扩散，在这种情况下，往往产生间隙由于间隙离子较难扩散，在这种情况下，往往产生间隙由于间隙离子较难扩散，在这种情况下，往往产生间隙-亚晶格扩散，亚晶格扩散，亚晶格扩散，亚晶格扩散，即某一间隙离子取代附近的晶格离子，被取代的晶格离子进入晶格间隙，从而产生离即某一间隙离子取代附近的晶格离子，被取代的晶格离子进入晶格间隙，从而产生离即某一间隙离子取代附近的晶格离子，被取代的晶格离子进入晶格间隙，从而产生离即某一间隙离子取代附近的晶格离子，被取代的晶格离子进入晶格间隙，从而产生离子移动。此种扩散运动由于晶格变形小，比较子移动。此种扩散运动由于晶格变形小，比较子移动。此种扩散运动由于晶格变形小，比较子移动。此种扩散运动由于晶格变形小，比较(b(b jio)jio)容易产生。容易产生。容易产生。容易产生。AgBrAgBr中的中的中的中的Ag+Ag+就是就是就是就是这种扩散形式。这种扩散形式。这种扩散形式。这种扩散形式。第29页/共51页第三十页，共52页。2.3 2.3 离子离子离子离子(lz(lz)类载流导电类载流导电类载流导电类载流导电 2 2）Nernst-Einstein Nernst-Einstein 方程：方程：方程：方程：陶瓷材料中，由于载流子离子浓度陶瓷材料中，由于载流子离子浓度陶瓷材料中，由于载流子离子浓度陶瓷材料中，由于载流子离子浓度(nngd)(nngd)梯度所形成的电流梯度所形成的电流梯度所形成的电流梯度所形成的电流密度为密度为密度为密度为:式中式中式中式中n n为单位体积浓度为单位体积浓度为单位体积浓度为单位体积浓度(nngd)(nngd)，x x为扩散方向，为扩散方向，为扩散方向，为扩散方向，q q为离子电荷量，为离子电荷量，为离子电荷量，为离子电荷量，DD为扩散系数。为扩散系数。为扩散系数。为扩散系数。电场时：电场时：电场时：电场时：第30页/共51页第三十一页，共52页。B：离子：离子(lz)绝对迁移率绝对迁移率第31页/共51页第三十二页，共52页。2.3 2.3 离子离子离子离子(lz(lz)类载流导电类载流导电类载流导电类载流导电离子导电的影响因素：离子导电的影响因素：离子导电的影响因素：离子导电的影响因素：1 1）温度的影响）温度的影响）温度的影响）温度的影响 T T增加，电导率升高增加，电导率升高增加，电导率升高增加，电导率升高 高温区：本征导电高温区：本征导电高温区：本征导电高温区：本征导电 低温区：杂质导电低温区：杂质导电低温区：杂质导电低温区：杂质导电 2 2）离子性质晶体结构）离子性质晶体结构）离子性质晶体结构）离子性质晶体结构 改变导电激活能实现的改变导电激活能实现的改变导电激活能实现的改变导电激活能实现的 熔点高熔点高熔点高熔点高-结合力大结合力大结合力大结合力大-导电激活能高导电激活能高导电激活能高导电激活能高电导率下降电导率下降电导率下降电导率下降 晶体有较大间隙晶体有较大间隙晶体有较大间隙晶体有较大间隙-激活能低激活能低激活能低激活能低-电导率升高电导率升高电导率升高电导率升高 碱卤化物：负离子半径增大碱卤化物：负离子半径增大碱卤化物：负离子半径增大碱卤化物：负离子半径增大(zn(zn d)-d)-正离子激活能降低正离子激活能降低正离子激活能降低正离子激活能降低-电导率升高电导率升高电导率升高电导率升高 一价正离子尺寸小，电荷少，活化能低一价正离子尺寸小，电荷少，活化能低一价正离子尺寸小，电荷少，活化能低一价正离子尺寸小，电荷少，活化能低 高价正离子，价键强，激活能高，迁移率低，电导率低高价正离子，价键强，激活能高，迁移率低，电导率低高价正离子，价键强，激活能高，迁移率低，电导率低高价正离子，价键强，激活能高，迁移率低，电导率低 NaF 216kJ/mol NaCl 169kJ/mol NaI 118kJ/mol NaF 216kJ/mol NaCl 169kJ/mol NaI 118kJ/mol 第32页/共51页第三十三页，共52页。2.3 2.3 离子离子离子离子(lz(lz)类载流导电类载流导电类载流导电类载流导电离子导电的影响因素：离子导电的影响因素：离子导电的影响因素：离子导电的影响因素：3 3）点缺陷的影响：）点缺陷的影响：）点缺陷的影响：）点缺陷的影响：热激活（肖特基、弗兰克尔空位）热激活（肖特基、弗兰克尔空位）热激活（肖特基、弗兰克尔空位）热激活（肖特基、弗兰克尔空位）不等价掺杂不等价掺杂不等价掺杂不等价掺杂(chn z)(chn z)环境气氛使正负离子化学计量比发生变化环境气氛使正负离子化学计量比发生变化环境气氛使正负离子化学计量比发生变化环境气氛使正负离子化学计量比发生变化 4 4）快离子导体）快离子导体）快离子导体）快离子导体 固体电解质：具有离子导电的固体物质固体电解质：具有离子导电的固体物质固体电解质：具有离子导电的固体物质固体电解质：具有离子导电的固体物质 某些固体电解质的电导率比正常离子化合物的电导率高出几个数量级（某些固体电解质的电导率比正常离子化合物的电导率高出几个数量级（某些固体电解质的电导率比正常离子化合物的电导率高出几个数量级（某些固体电解质的电导率比正常离子化合物的电导率高出几个数量级（10-2(10-2(cm)-1cm)-1，称为快离子导电。，称为快离子导电。，称为快离子导电。，称为快离子导电。ZrO2 ZrO2材料中添加含有低价阳离子的氧化物，材料中添加含有低价阳离子的氧化物，材料中添加含有低价阳离子的氧化物，材料中添加含有低价阳离子的氧化物，Na2ONa2O、CaOCaO、Y2O3Y2O3，并形成大量的点缺陷，并形成大量的点缺陷，并形成大量的点缺陷，并形成大量的点缺陷第33页/共51页第三十四页，共52页。2.4 2.4 半导体半导体半导体半导体 晶晶晶晶体体体体管管管管和和和和微微微微电电电电子子子子线线线线路路路路的的的的出出出出现现现现，使使使使电电电电子子子子工工工工业业业业进进进进行行行行了了了了革革革革命命命命，进进进进入入入入了了了了信信信信息息息息时时时时代代代代。得得得得益益益益于半导体的发展。于半导体的发展。于半导体的发展。于半导体的发展。本征半导体：本征半导体：本征半导体：本征半导体：定定定定义义义义：纯纯纯纯净净净净的的的的无无无无结结结结构构构构缺缺缺缺陷陷陷陷的的的的半半半半导导导导体体体体。行行行行为为为为仅仅仅仅仅仅仅仅由由由由固固固固有有有有的的的的性性性性质质质质决决决决定定定定的的的的。导导导导电电电电行行行行为为为为取取取取决于元素或化合物的能带结构。决于元素或化合物的能带结构。决于元素或化合物的能带结构。决于元素或化合物的能带结构。非非非非本本本本征征征征导导导导电电电电性性性性：由由由由于于于于存存存存在在在在杂杂杂杂质质质质而而而而赋赋赋赋予予予予(fy(fy)的导电性。的导电性。的导电性。的导电性。半半半半导导导导体体体体与与与与绝绝绝绝缘缘缘缘体体体体有有有有相相相相似似似似的的的的能能能能带带带带结结结结构构构构，不不不不过过过过能带间隙较小而已。能带间隙较小而已。能带间隙较小而已。能带间隙较小而已。第34页/共51页第三十五页，共52页。2.4 2.4 半导体半导体半导体半导体 Si Si具有金刚石结构，四共价键对称排列，四个价电子均形成共价键，具有金刚石结构，四共价键对称排列，四个价电子均形成共价键，具有金刚石结构，四共价键对称排列，四个价电子均形成共价键，具有金刚石结构，四共价键对称排列，四个价电子均形成共价键，0K 0K时，电子均处于价带中。时，电子均处于价带中。时，电子均处于价带中。时，电子均处于价带中。只有大于只有大于只有大于只有大于0K0K时，才可能由于热激发时，才可能由于热激发时，才可能由于热激发时，才可能由于热激发(jf)(jf)而使电子跳到导带中导电。而使电子跳到导带中导电。而使电子跳到导带中导电。而使电子跳到导带中导电。Eg价带价带EcEV导带导带第35页/共51页第三十六页，共52页。2.4 2.4 半导体半导体半导体半导体半导体中载流子数量半导体中载流子数量半导体中载流子数量半导体中载流子数量(shling)(shling)的计算的计算的计算的计算 导带的电子与价带的空穴均是载流子，在本征半导体中导带电子与价带空穴是一一对应的。导带的电子与价带的空穴均是载流子，在本征半导体中导带电子与价带空穴是一一对应的。导带的电子与价带的空穴均是载流子，在本征半导体中导带电子与价带空穴是一一对应的。导带的电子与价带的空穴均是载流子，在本征半导体中导带电子与价带空穴是一一对应的。根根根根据据据据本本本本征征征征载载载载流流流流子子子子占占占占据据据据能能能能级级级级的的的的概概概概率率率率和和和和对对对对其其其其能能能能带带带带的的的的能能能能态态态态密密密密度度度度进进进进行行行行积积积积分分分分运运运运算算算算等等等等，可可可可得得得得到到到到本本本本征征征征载载载载流流流流子子子子的的的的浓浓浓浓度度度度表表表表达式：达式：达式：达式：,T,T为为为为绝绝绝绝对对对对温温温温度度度度，k k为为为为玻玻玻玻尔尔尔尔兹兹兹兹曼曼曼曼常常常常数数数数。载载载载流流流流子子子子浓浓浓浓度度度度与与与与温温温温度度度度 T T 和和和和禁禁禁禁带带带带宽宽宽宽度度度度 Eg Eg 有有有有关关关关。T T增增增增加加加加，NN显显显显著著著著增增增增加加加加（与温度成指数规律增加）；在同样的温度下，（与温度成指数规律增加）；在同样的温度下，（与温度成指数规律增加）；在同样的温度下，（与温度成指数规律增加）；在同样的温度下，EgEg小，则小，则小，则小，则NN大，大，大，大，在在在在T=300KT=300K时，时，时，时，Si Si的的的的 Eg=1.1eV,N=1.51010 cm-3 Eg=1.1eV,N=1.51010 cm-3 Ge Ge 的的的的 Eg=0.72eV,N=2.41013 cm-3 Eg=0.72eV,N=2.41013 cm-3第36页/共51页第三十七页，共52页。半导体的电导率（电阻率）半导体的电导率（电阻率）半导体的电导率（电阻率）半导体的电导率（电阻率）讨论讨论讨论讨论(t(t oln)oln)已有的温度的影响。已有的温度的影响。已有的温度的影响。已有的温度的影响。1 1）qeqe与与与与T T无关无关无关无关 2 2）电子与空穴的迁移率随温度升高而直线降低）电子与空穴的迁移率随温度升高而直线降低）电子与空穴的迁移率随温度升高而直线降低）电子与空穴的迁移率随温度升高而直线降低 3 3）载载载载流流流流子子子子数数数数量量量量随随随随温温温温度度度度升升升升高高高高而而而而呈呈呈呈指指指指数数数数规规规规律律律律增增增增加加加加（占占占占主主主主导）导）导）导）在有限的温度范围内，温度对迁移率的影响很小。在有限的温度范围内，温度对迁移率的影响很小。在有限的温度范围内，温度对迁移率的影响很小。在有限的温度范围内，温度对迁移率的影响很小。第37页/共51页第三十八页，共52页。2.4 2.4 半导体半导体半导体半导体例例例例：1 1 1 1 一一一一种种种种半半半半导导导导体体体体，温温温温度度度度(wnd)(wnd)(wnd)(wnd)从从从从25252525度度度度升升升升到到到到53535353度度度度，电电电电导导导导率率率率提提提提高高高高了了了了2 2 2 2倍倍倍倍，计算该半导体的能带间隙计算该半导体的能带间隙计算该半导体的能带间隙计算该半导体的能带间隙 ln 1/T-Eg/2k第38页/共51页第三十九页，共52页。2.4 2.4 半导体半导体半导体半导体杂质半导体：杂质半导体：杂质半导