材料物理性能电学性能省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第二章第二章 材料电学性能材料电学性能导电性导电性晶体能带晶体能带金属和合金导电性金属和合金导电性导电性测量和应用导电性测量和应用半导体电学性能半导体电学性能绝缘体电学性能绝缘体电学性能超导电性超导电性热电性热电性压电性压电性磁电性磁电性第1页导电性导电性电阻与材料性能和尺寸关系电阻与材料性能和尺寸关系电阻率电阻率电导率电导率电阻温度系数电阻温度系数导体（纯金属导体（纯金属10-810-7m，合金合金10-710-5m）半导体（半导体（10-3109m）绝缘体（绝缘体（109m）第2页第3页元素周期表元素周期表第4页第5页第6页第7页A族，碱金属，外壳层价电子数为族，碱金属，外壳层价电子数为1，其价电子在外，其价电子在外加电场作用下由价带跃迁到导带，形成电流。所以只加电场作用下由价带跃迁到导带，形成电流。所以只有那些电子未填满能带材料才有导电性。有那些电子未填满能带材料才有导电性。第8页AA族，外壳层价电子数为族，外壳层价电子数为1 1第9页贵金属，贵金属，d壳层填满、与原子核有强交互作用，使壳层填满、与原子核有强交互作用，使s壳层壳层电子与核作用大大减弱，其价电子在外加电场作用下进电子与核作用大大减弱，其价电子在外加电场作用下进入导带，导电性极好。入导带，导电性极好。第10页d壳层填满，与原子和有强交互作用，使壳层填满，与原子和有强交互作用，使s壳层电子壳层电子与核作用大大减弱，其价电子在外加电场作用下进与核作用大大减弱，其价电子在外加电场作用下进入导带，导电性极好。入导带，导电性极好。第11页A族，外壳层价电子数为族，外壳层价电子数为2。Mg3p能带与能带与3s能带重合，能带重合，3s上电子可跃迁到上电子可跃迁到3p能带上，也有很好导电性。能带上，也有很好导电性。第12页A族，外壳层价电子数为族，外壳层价电子数为2A族，外壳层价电子数为族，外壳层价电子数为3第13页d壳层电子逐步填满过渡金属。壳层电子逐步填满过渡金属。Fe原子形成晶体时原子形成晶体时4s能带能带与与3d能带重合。因为价电子核内层电子有强交互作用，铁导能带重合。因为价电子核内层电子有强交互作用，铁导电性稍差。电性稍差。第14页d壳层电子逐步填满过渡金属壳层电子逐步填满过渡金属第15页金属导电理论金属导电理论经典电子理论经典电子理论金属晶体为正离子电子金属晶体为正离子电子气气外加电场时，自由电子定外加电场时，自由电子定向迁移，形成电流。自由向迁移，形成电流。自由电子与正离子机械碰撞产电子与正离子机械碰撞产生电阻生电阻Eev第16页 电子在自由程终点取得定向迁移速度电子在自由程终点取得定向迁移速度平均速度平均速度电流密度电流密度电阻率表示式电阻率表示式散射系数散射系数a加速度加速度t两次碰撞时间间隔两次碰撞时间间隔E电场强度电场强度m电子质量电子质量n单位体积自由电子数单位体积自由电子数在量子理论中为在量子理论中为n*，代表，代表单位体积内实际参加导电单位体积内实际参加导电电子数电子数e电子电荷电子电荷v电子速度电子速度L电子平均自由程电子平均自由程第17页影响导电性原因影响导电性原因温度升高，离子热振动加剧，原子温度升高，离子热振动加剧，原子无序度加大，使电子散射几率加大，无序度加大，使电子散射几率加大，电阻率加大电阻率加大冷加工使晶格畸变，使电子散射几冷加工使晶格畸变，使电子散射几率加大，原子间距有所改变，电阻率加大，原子间距有所改变，电阻率加大率加大压力通常使电阻率降低压力通常使电阻率降低热处理经过晶格畸变、点缺点、热处理经过晶格畸变、点缺点、晶粒尺寸改变影响电阻率晶粒尺寸改变影响电阻率D第18页合金导电性合金导电性连续固溶体，最大电阻连续固溶体，最大电阻率通常在率通常在50原子浓度原子浓度处。主要是异类原子引处。主要是异类原子引发溶剂晶格畸变。发溶剂晶格畸变。溶质为过渡元素时，电溶质为过渡元素时，电阻率增大更为显著。因阻率增大更为显著。因为溶剂部分价电子会进为溶剂部分价电子会进入过渡元素未填满入过渡元素未填满d或或f电子层，降低了有效电电子层，降低了有效电子数。用做电热合金和子数。用做电热合金和电阻合金。电阻合金。第19页马基申定律马基申定律低浓度下固溶体电阻低浓度下固溶体电阻 溶剂电阻（晶格热振溶剂电阻（晶格热振动，电子散射），与温度动，电子散射），与温度相关，绝对零度时为零。相关，绝对零度时为零。残余电阻（合金原子，残余电阻（合金原子，空位、间隙原子及位错等）空位、间隙原子及位错等），与温度无关。，与温度无关。第20页低浓度下溶质原子引发残余电阻与温度无关，固溶体电阻低浓度下溶质原子引发残余电阻与温度无关，固溶体电阻温度系数低于纯金属，而固溶体电阻率随温度改变斜率与温度系数低于纯金属，而固溶体电阻率随温度改变斜率与纯金属相同。纯金属相同。高浓度下，高浓度下，和和 均随温度改变。均随温度改变。含有过渡金属元素时（如加入含有过渡金属元素时（如加入Mn），可能出现），可能出现 锰铜精密电阻合金，含有低电阻温度系数。锰铜精密电阻合金，含有低电阻温度系数。第21页有序固溶体导电性有序固溶体导电性固溶体有序化使点阵规律固溶体有序化使点阵规律性加强，减小电子散射，性加强，减小电子散射，使导电性加强。使导电性加强。冷加工破坏固溶体有序度，冷加工破坏固溶体有序度，增加电阻率。增加电阻率。电阻测量法是研究有序固电阻测量法是研究有序固溶体有效方法。溶体有效方法。第22页不均匀固溶体（不均匀固溶体（K状态）电阻状态）电阻固溶体中存在溶剂原子偏聚区成份波动或原子排列短程固溶体中存在溶剂原子偏聚区成份波动或原子排列短程有序，故能强烈地散射电子，使电阻率增加。有序，故能强烈地散射电子，使电阻率增加。回火能促使偏聚区形成。回火能促使偏聚区形成。加热到高温或进行强烈冷加工，使偏聚区消失，可降低电加热到高温或进行强烈冷加工，使偏聚区消失，可降低电阻率。阻率。铝铜合金。加热到单相区固溶；淬火形成过饱和单相固溶铝铜合金。加热到单相区固溶；淬火形成过饱和单相固溶体；加温时效，析出体；加温时效，析出GP区、区、，等。等。可用电阻分析法研究铝合金时效过程。可用电阻分析法研究铝合金时效过程。第23页第24页铝合金在铝合金在180时效时效5 5秒钟，铜原子偏聚秒钟，铜原子偏聚第25页金属化合物导电性金属化合物导电性金属化合物（如金属化合物（如FeAl3,NiAl3）导电性通常比其组）导电性通常比其组元导电性低得多，主要是金属键部分地为共价键元导电性低得多，主要是金属键部分地为共价键或离子键所代替。或离子键所代替。电子化合物（如电子化合物（如Cu3Zn8）主要是金属键结合，导）主要是金属键结合，导电性介于固溶体和金属化合物之间。电性介于固溶体和金属化合物之间。间隙相间隙相(如如TiC)含有金属键和特征，导电性很好。含有金属键和特征，导电性很好。第26页第27页多相合金导电性多相合金导电性当合金为退火态、无织构，且组成相电导率相近时（电导当合金为退火态、无织构，且组成相电导率相近时（电导率之比约率之比约0.751.75），双相合金导电性符合各项合金相），双相合金导电性符合各项合金相加规律。加规律。p、q为体积百分数。为体积百分数。c1、c2为质量百分数。为质量百分数。第28页两相片状组织两相片状组织导电方向导电方向导电方向导电方向 第29页导电性测量导电性测量电桥法（单电桥，双电桥克服附加电阻）电桥法（单电桥，双电桥克服附加电阻）直流电位差计测量法（消除连线电阻和接触电阻）直流电位差计测量法（消除连线电阻和接触电阻）半导体电阻测量（四探针法）半导体电阻测量（四探针法）绝缘体电阻测量（电容和冲击检流计测量法）绝缘体电阻测量（电容和冲击检流计测量法）第30页1、工作电流标准化（、工作电流标准化（K到到N）2、求待测电动势（、求待测电动势（K到到X）3、求待测电阻、求待测电阻RxRx=R标标Ux/U标标特点：消除连线电阻和接触特点：消除连线电阻和接触电阻电阻 第31页电阻分析应用电阻分析应用合金时效合金时效合金有序无序转变合金有序无序转变固溶体溶解度固溶体溶解度淬火钢回火淬火钢回火第32页Al-Cu合金时效步骤：合金时效步骤：1、加热到、加热到单相区固溶单相区固溶2、淬水，得到过饱和、淬水，得到过饱和固溶固溶体体3、在室温或加热时效：、在室温或加热时效：a.析出析出GP区（与基体共格）区（与基体共格）b.析出析出（与基体共格）（与基体共格）c.析出析出（与基体半共格）（与基体半共格）d.析出析出CuAl2（与基体非共格），（与基体非共格），并聚集长大。基体并聚集长大。基体Cu含量降低，电含量降低，电阻下降。阻下降。第33页铝合金在铝合金在180时效时效5 5秒钟，铜原子偏聚秒钟，铜原子偏聚第34页25时效产生时效产生GPGP区在区在215215保温保温时又溶回到基体中，形成均匀时又溶回到基体中，形成均匀固溶体，电阻下降。固溶体，电阻下降。第35页合金有序无序转变合金有序无序转变（有序结构电阻率低）（有序结构电阻率低）第36页测量方法：测量方法：1、将不一样成份试样加热到略低、将不一样成份试样加热到略低于共晶（共析）转变温度于共晶（共析）转变温度t0，保温，保温足够时间，然后淬火得到过饱和固足够时间，然后淬火得到过饱和固溶体。溶体。2、把淬火试样加热到低于、把淬火试样加热到低于t0各个各个温度保温，使组织到达平衡。温度保温，使组织到达平衡。3、然后再淬火到室温测量电阻率，、然后再淬火到室温测量电阻率，作出作出-B-B曲线。曲线。4 4、找出转折点对应浓度，即为各、找出转折点对应浓度，即为各温度下温度下B B在在A A中溶解度。中溶解度。第37页淬火钢回火淬火钢回火1 1、110110马氏体分解，正方度马氏体分解，正方度下降，电阻率降低。含下降，电阻率降低。含C C量越量越高，马氏体脱溶分解（电阻率高，马氏体脱溶分解（电阻率下降）越急剧。下降）越急剧。2 2、230230残余奥氏体分解，基残余奥氏体分解，基体体C C含量降低，电阻率下降。含量降低，电阻率下降。第38页材料疲劳过程材料疲劳过程缺点密度增高、裂纹形成，使试样电阻增加。缺点密度增高、裂纹形成，使试样电阻增加。第39页半导体电学性能半导体电学性能半导体中电子能量状态能带半导体中电子能量状态能带满带、禁带和导带满带、禁带和导带本征半导体本征半导体N型半导体型半导体P型半导体型半导体PN结特征结特征第40页 因为电子能否由价带跃迁到空导带中，主要取决于能隙大因为电子能否由价带跃迁到空导带中，主要取决于能隙大小。小。C、Si、Ge、Sn能隙分别为能隙分别为5.4eV、1.1eV、0.67eV和和0.08eV。能够算得室温（。能够算得室温（27）下上述元素中进入导带电子）下上述元素中进入导带电子几率分别为几率分别为1.2x10-47、2.5x10-10、1.5x10-6和和0.17。故金刚。故金刚石为绝缘体，锡可算作导体，而硅、锗即为半导体。石为绝缘体，锡可算作导体，而硅、锗即为半导体。第41页本征半导体纯净无结构缺点半导体单晶，如单晶本征半导体纯净无结构缺点半导体单晶，如单晶Si。半导体受到热激发，满带中部分价电子跃迁到空带中，形成半导体受到热激发，满带中部分价电子跃迁到空带中，形成自由电子和空穴。二者成对出现。自由电子和空穴。二者成对出现。无外电场作用，自由电子和空穴运动无规则，不产生电流。无外电场作用，自由电子和空穴运动无规则，不产生电流。加外电场，电子逆电场方向运动，空穴顺电场方向运动，形加外电场，电子逆电场方向运动，空穴顺电场方向运动，形成电流。故自由电子和空穴统称为载流子。成电流。故自由电子和空穴统称为载流子。第42页本征半导体电学性能本征半导体电学性能本征载流子（自由电子和空穴）浓度相等：本征载流子（自由电子和空穴）浓度相等：迁移率单位场强下自由电子和空穴平均漂移速度迁移率单位场强下自由电子和空穴平均漂移速度电流密度单位面积电流电流密度单位面积电流电阻率和电导率电阻率和电导率 第43页掺杂半导体掺杂半导体N型半导体型半导体P型半导体型半导体第44页N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价元素杂质（在本征半导体中掺入五价元素杂质（P、As、Sb等，形成多出价电子。等，形成多出价电子。该多出价电子能量状态较高，在常温下能进入导带，使自由电子浓度极大提该多出价电子能量状态较高，在常温下能进入导带，使自由电子浓度极大提升。升。五价元素称为施主杂质（提供多出电子）五价元素称为施主杂质（提供多出电子）N型半导体（电子型半导体）中，自由电子浓度大，称为多数载流子，简型半导体（电子型半导体）中，自由电子浓度大，称为多数载流子，简称多子。电流由自由电子产生。称多子。电流由自由电子产生。本征激发产生空穴被自由电子复合，故空穴数量少，称为少子。本征激发产生空穴被自由电子复合，故空穴数量少，称为少子。第45页N型半导体电导率随温度改变型半导体电导率随温度改变随温度增加，越来越多施主杂质电子能进入导带，最终直到全部杂质随温度增加，越来越多施主杂质电子能进入导带，最终直到全部杂质电子全部进入导带。当到达这一温度时，称为施主耗尽。此时电导率电子全部进入导带。当到达这一温度时，称为施主耗尽。此时电导率为常数（因为温度太低，无本征电子及空穴导电）。为常数（因为温度太低，无本征电子及空穴导电）。通常选择在施主耗尽即平台温度范围内工作。通常选择在施主耗尽即平台温度范围内工作。第46页P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入三价元素杂质（在本征半导体中掺入三价元素杂质（B、Al、Ga、In，形成高浓度空穴。，形成高浓度空穴。在常温下价带中价电子能进入三价元素空穴，而在价带在产生空穴。在常温下价带中价电子能进入三价元素空穴，而在价带在产生空穴。三价元素称为受主杂质（能接收价电子）。三价元素称为受主杂质（能接收价电子）。P型半导体（空穴型半导体）中，空穴浓度大，称为多数载流子，简称多型半导体（空穴型半导体）中，空穴浓度大，称为多数载流子，简称多子。电流由空穴产生。子。电流由空穴产生。本征激发产生自由电子被空穴复合，故自由电子数量少，称为少子。本征激发产生自由电子被空穴复合，故自由电子数量少，称为少子。第47页PN结产生及特征结产生及特征 P区中空穴向区中空穴向N区扩散，在交接面区扩散，在交接面P区中只留下三价掺杂负离子。区中只留下三价掺杂负离子。N区中区中自由电子向自由电子向P区扩散，在交接面区扩散，在交接面N区中只留下五价掺杂正离子。故在交接面区中只留下五价掺杂正离子。故在交接面形成空间电荷区。形成空间电荷区。空间电荷区形成由空间电荷区形成由N指向指向P区内电场和内建电位差，阻止空穴和自由电子区内电场和内建电位差，阻止空穴和自由电子扩散，最终扩散和漂移到达动态平衡。扩散，最终扩散和漂移到达动态平衡。无外加电场，无外加电场，PN区内无电流。区内无电流。第48页PN结单向导电性结单向导电性外加正向电压，外加正向电压，PN区内建电位差减小，空穴和自由电子扩散和漂移平衡被区内建电位差减小，空穴和自由电子扩散和漂移平衡被打破，扩散大于漂移，产生打破，扩散大于漂移，产生P指向指向N正向电流。正向电流。U越大，电流越大。越大，电流越大。外加反向电压，外加反向电压，PN区内建电位差增大，扩散小于漂移，以致与停顿。但产区内建电位差增大，扩散小于漂移，以致与停顿。但产生生N指向指向P反向电流。因为是少子产生，故电流极小。反向电流。因为是少子产生，故电流极小。上述机制形成了上述机制形成了PN结单向导电性。这是组成半导体二极管和三极管基础。结单向导电性。这是组成半导体二极管和三极管基础。第49页超导电性超导电性第50页超导体特征超导体特征1、完全导电性、完全导电性 有报导说用有报导说用Nb0.75Zr0.25合金超导导线制成超导螺线管，预计其超导电合金超导导线制成超导螺线管，预计其超导电流衰减时间大于流衰减时间大于10万年。万年。超导体没有电阻，因而是等电位，其中没有电场。超导体没有电阻，因而是等电位，其中没有电场。第51页2、完全抗磁性迈斯钠效应、完全抗磁性迈斯钠效应 试样表面产生感应磁场，抵消外磁场。试样表面产生感应磁场，抵消外磁场。第52页评价超导材料性能指标：评价超导材料性能指标：1、临界转变温度、临界转变温度Tc2、临界磁场强度、临界磁场强度Hc(T)两类超导体两类超导体第53页超导现象物理本质超导现象物理本质超导态时，电子与晶格点阵相互作用，使电超导态时，电子与晶格点阵相互作用，使电子克服静电斥力而相互吸引，组成电子对子克服静电斥力而相互吸引，组成电子对库柏电子对，经过晶格阻力为零。库柏电子对，经过晶格阻力为零。超导态电子结成库柏对时能量比正常态两个超导态电子结成库柏对时能量比正常态两个电子能量低。温度和磁场破坏库柏正确稳定电子能量低。温度和磁场破坏库柏正确稳定性。性。温度越低，超导体越稳定。温度越低，超导体越稳定。第54页热电性赛贝克效应热电性赛贝克效应赛贝克效应（材料不一样，组成闭合回路，两接头存在温差）赛贝克效应（材料不一样，组成闭合回路，两接头存在温差）热电势率热电势率 第55页温差电位温差电位热端高能电子向冷端扩散，结果热端带正电（缺乏电子），热端高能电子向冷端扩散，结果热端带正电（缺乏电子），冷端带负电（有充裕电子），由热端指向冷端温差电场阻止冷端带负电（有充裕电子），由热端指向冷端温差电场阻止了电子深入扩散，最终形成稳定温差电位差了电子深入扩散，最终形成稳定温差电位差。热电偶回路热电势由热电偶回路热电势由温差电位差和接触电位差组成温差电位差和接触电位差组成E第56页热电偶测温热电偶测温铂铑铂，镍铬镍铝，铜康铜铂铑铂，镍铬镍铝，铜康铜12对应温差（对应温差（575）25600（测量端温度）（测量端温度）6001225第57页热电子效应热电子效应热电子发射机理热电子发射机理固体受热（固体受热（W等，加热等，加热1000以上以上），），内部自由电子动能足够大，就会溢出固内部自由电子动能足够大，就会溢出固体表面形成热电子发射。体表面形成热电子发射。应用方式应用方式 加热，形成热电子发射加热，形成热电子发射 电场下形成定向运动电场下形成定向运动 聚焦、调制形成电子束聚焦、调制形成电子束 轰击荧光屏形成光学图象轰击荧光屏形成光学图象 用于显像管、示波器、电子显微镜等用于显像管、示波器、电子显微镜等阴极阳极第58页压电性压电性电偶极矩电偶极矩P（矢量）与电荷间距（矢量）与电荷间距d及电荷量及电荷量q关系关系Pqd压电性本质是晶体受力变形，造成正负电荷中心分离，晶压电性本质是晶体受力变形，造成正负电荷中心分离，晶体对外显示电偶极矩，表面出现束缚电荷。体对外显示电偶极矩，表面出现束缚电荷。纵向压电效应，横向压电效应纵向压电效应，横向压电效应正压电效应力正压电效应力 电荷电荷逆压电效应电荷逆压电效应电荷 力力应用：应用：超声发生器，加速度传感器，点火器等超声发生器，加速度传感器，点火器等-q+qPd第59页PPPqd纵向压电效应纵向压电效应横向压电效应横向压电效应第60页磁电性磁电性普通金属霍尔效应普通金属霍尔效应半导体霍尔效应半导体霍尔效应磁生电动势磁生电动势磁感生电动势磁感生电动势第61页普通金属霍尔效应普通金属霍尔效应电荷在磁场中运动所受作用力电荷在磁场中运动所受作用力(正电荷用右手定则，负电荷用左手定则正电荷用右手定则，负电荷用左手定则)洛伦兹力洛伦兹力 与电场力与电场力 平衡平衡电位差为电位差为 相关系式相关系式霍尔系数霍尔系数迁移率迁移率 第62页半导体霍尔系数大半导体霍尔系数大N型半导体电子是载流子，型半导体电子是载流子，RH为负（为负（A面为负电荷）面为负电荷）P型半导体空穴是载流子，型半导体空穴是载流子，RH为正（为正（A面为正电荷）面为正电荷）本征半导体中电子和空穴同时起作用（成对出现），无霍尔效应。本征半导体中电子和空穴同时起作用（成对出现），无霍尔效应。霍尔效应能够判断载流子类型（正电荷或负电荷）霍尔效应能够判断载流子类型（正电荷或负电荷）第63页第64页第65页