材料的电学性能材料物理.ppt

《材料的电学性能材料物理.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料的电学性能材料物理.ppt（89页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第五章第五章 材料的电学性能材料的电学性能 5.1 5.1 电导性能电导性能 5.2 5.2 无机材料的电导无机材料的电导 5.3 5.3 半导体陶瓷的物理效应半导体陶瓷的物理效应 5.4 5.4 超导体超导体 5.5 5.5 介电性能介电性能 5.6 5.6 介质损耗介质损耗 5.7 5.7 介电强度介电强度5.1 5.1 电导性能电导性能一、电导的宏观参数一、电导的宏观参数二、电导的物理特性二、电导的物理特性三、离子电导与电子电导三、离子电导与电子电导四、导电性的测量四、导电性的测量一、电导的宏观参数一、电导的宏观参数1.电导率与电阻率电导率与电阻率(Electrical conducti

2、vity and Resistivity)导导电电：在在材材料料两两端端施施加加电电压压V V时时，材材料料中中有有电电流流I I通通过过，这种现象称为这种现象称为“导电导电”。欧姆定律：欧姆定律：（均匀导体）（均匀导体）材料电阻材料电阻电阻率电阻率J：电流密度：电流密度 A/cm2S：横截面积：横截面积 cm2电流均匀：电流均匀：电场强度均匀：电场强度均匀：E：电场强度：电场强度 V/cmL：长度：长度 cm：电阻率电阻率 cm：电导率：电导率-1cm-1 Scm-1 S为西门子（为西门子（Siemens）电阻率：电阻率：电导率电导率:电电阻阻R R不不仅仅与与材材料料本本性性有有关关，而而

3、且且与与导导体体的的几几何何形形状状有有关关，电阻率电阻率 只与材料本性有关，与导体的几何形状无关。只与材料本性有关，与导体的几何形状无关。欧姆定律的微分形式：欧姆定律的微分形式：非均匀导体非均匀导体根据导电性能的好坏，材料分为：根据导电性能的好坏，材料分为：导体：导体：1010m半导体：半导体：10-2 1010 m材料的导电能力决定于其结构与导电本质。材料的导电能力决定于其结构与导电本质。越小，越小，越大，材料的导电性能就越好。越大，材料的导电性能就越好。2.体积电阻与体积电阻率体积电阻与体积电阻率体积电流体积电流表面电流表面电流体积电阻：体积电阻：表面电阻：表面电阻：总电流：RV 反映材

4、料的导电能力反映材料的导电能力 Rs 与表面环境有关，不反映材料的导电能力与表面环境有关，不反映材料的导电能力 体积电阻率体积电阻率v(cm)是表征材料电阻性能的本征参数，是表征材料电阻性能的本征参数，只与材料有关。只与材料有关。板状样品厚度板状样品厚度cmcm板状样品电极面积板状样品电极面积cmcm2 2关键是测量材料的体电阻。关键是测量材料的体电阻。板状试样板状试样h电极电极管状试样管状试样圆片试样圆片试样abgr1hr2主电极主电极 a 环形电极环形电极 g 全电极全电极 b VE I若两环形电极若两环形电极a，g间为等电位，其表面电阻可忽略。间为等电位，其表面电阻可忽略。主电极主电极a

5、的有效面积：的有效面积：精确测定的经验公式：精确测定的经验公式：3.表面电阻与表面电阻率表面电阻与表面电阻率板状试样板状试样电极电极电极间的距离电极间的距离电极的长度电极的长度表面电阻率表面电阻率S(),s 不反映材料性质，只决定于样品不反映材料性质，只决定于样品表面状态，可通过实验测出。表面状态，可通过实验测出。圆片试样圆片试样I habgVx二、电导的物理特性二、电导的物理特性1.载流子载流子电电荷荷在在空空间间的的定定向向运运动动形形成成电电流流，电电荷荷的的自自由由粒粒子子就就是载流子。是载流子。电子（电子，空穴）电子（电子，空穴）离子（正、负离子，空位）离子（正、负离子，空位）无机非

6、金属材料中的载流子：无机非金属材料中的载流子：金属导体中的载流子：金属导体中的载流子：自由电子自由电子电子电导、离子电导电子电导、离子电导 电子电导和离子电导具有不同的物理效应，利用其特有电子电导和离子电导具有不同的物理效应，利用其特有的物理效应可以判断和确定材料的电导性质。的物理效应可以判断和确定材料的电导性质。2.电导率的一般表达式电导率的一般表达式物物体体导导电电现现象象的的微微观观本本质质：载载流流子子在在电电场场作作用用下下的的定定向迁移。向迁移。单位体积内的载流子数为单位体积内的载流子数为 n（cm-3）每一载流子的荷电量为每一载流子的荷电量为q单位体积内参加导电的自由电荷为单位体

7、积内参加导电的自由电荷为nq每一载流子在电场方向的平均速度为每一载流子在电场方向的平均速度为v（cm/s）单位时间（单位时间（1s）通过单位面积）通过单位面积S的电荷量，即的电荷量，即电流密度电流密度：迁移率迁移率(mobility)：单位电场下载流子的移动速度：单位电场下载流子的移动速度v/E（cm2/sV）若同时有数种载流子，总电导率：若同时有数种载流子，总电导率：反映了电导率的微观本质：宏观电导率反映了电导率的微观本质：宏观电导率与微观载流子浓与微观载流子浓度度n，电荷量，电荷量q与迁移率与迁移率的关系。的关系。3.电导的物理效应电导的物理效应（1 1 1 1）霍尔效应）霍尔效应）霍尔效

8、应）霍尔效应电子电导的特征电子电导的特征电子电导的特征电子电导的特征当当沿沿试试样样x x轴轴方方向向通通入入电电流流密密度度为为J Jx x的的电电流流，同同时时在在z z轴轴方方向向加加上上磁磁场场强强度度为为HzHz的的磁磁场场，由由于于磁磁场场的的作作用用，速速度度为为v vx x的的电电子子受受到到磁磁场场力力F FH H的的作作用用力力，磁磁场场力力使使电电子子产产生生偏偏移移在在y y方方向向上上形形成成电电场场，这这一一现现象象称称为为霍霍尔尔效效应应，产产生的电场称之为霍尔场生的电场称之为霍尔场E EH H=E Ey y。xyzFy=eEy（EH：霍尔场）：霍尔场）HZJxF

9、H=Hzevx（磁场力）（磁场力）平衡状态（电子受到的电场力与磁场力平衡）：平衡状态（电子受到的电场力与磁场力平衡）：霍尔系数霍尔系数:RH1/ne 根据电导率公式根据电导率公式n e，可得到霍尔迁移率可得到霍尔迁移率H H：在一定实验条件下，通过测定在一定实验条件下，通过测定RH和和，可以求出载流子浓度，可以求出载流子浓度n和迁移率和迁移率（2 2 2 2）电解效应）电解效应）电解效应）电解效应离子电导的特征离子电导的特征离子电导的特征离子电导的特征电电解解现现象象：离离子子迁迁移移伴伴随随着着一一定定的的质质量量变变化化，离离子子在在电电极极附附近近发发生生电电子子得得失失（电电化化学学反

10、反应应），产生新的物质。产生新的物质。法拉第电解定律：法拉第电解定律：法拉第电解定律：法拉第电解定律：电解物质与通过的电量呈正比。电解物质与通过的电量呈正比。g g电解物质的量（电解物质的量（molmol）Q Q通过的电量（通过的电量（C C）C C电化当量（电化当量（mol/Cmol/C）z z电解物质的化合价电解物质的化合价F F法拉第常数，法拉第常数，9.6487109.6487104 4 C/mol C/mol 固体电解质的电解效应实验原理固体电解质的电解效应实验原理 MX型型化化合合物物，电电解解时时通通过过电电量量为为Q。载载流流子子有有M、X和和e三三种种。通通过过的总电流可分为

11、迁移数分别为的总电流可分为迁移数分别为te-，tx-和和tM+三个分电流。三个分电流。迁移数：指定种类的载流子所运载的电流与总电流之比。迁移数：指定种类的载流子所运载的电流与总电流之比。M(I)MX(I)MX(II)MX(III)M(II)-(1-te-)Mg+tX-MXg0-tX-MXg+(1-te-)Mg(tM+MtX-X)ge-te-QX-tX-QM+tM+QTubandt法原理（法原理（M,X,MX）分别为各物质原子量或分子量）分别为各物质原子量或分子量+-电电极极电电极极(tM+MtX-X)g M(II)MX(II):1.离子电导离子电导离子晶体中的电导主要是离子电导。离子晶体中的电

12、导主要是离子电导。固有离子电导（本征电导）（高温显著）固有离子电导（本征电导）（高温显著）杂质电导（低温显著）杂质电导（低温显著）离子电导的分类：离子电导的分类：晶晶体体点点阵的的基基本本离离子子随随着着热振振动离离开开晶晶格格形形成成热缺缺陷陷（离离子子或或空空位位），这些些带电的的热缺缺陷陷就就是是离离子子电导的的载流子。流子。固定固定较弱的离子运弱的离子运动造成，主要是造成，主要是杂质离子。离子。二、离子电导与电子电导二、离子电导与电子电导interstitial atom 间隙原子间隙原子Vacancy空位空位substitutional atom置换原子置换原子interstitia

13、l atom间隙原子间隙原子点缺陷示意点缺陷示意间隙杂质原子间隙杂质原子置换杂质原子置换杂质原子弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷热热 缺缺 陷陷（1 1 1 1）载流子浓度）载流子浓度）载流子浓度）载流子浓度 本征电导载流子：本征电导载流子：弗仑克尔缺陷（弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）肖特基缺陷（肖特基缺陷（Schottky defect）晶体热缺陷晶体热缺陷,Frenkel defect：间隙离子和空位的浓度相等。：间隙离子和空位的浓度相等。N-单位体积内离子结点数单位体积内离子结点数Ef-F缺陷形成能缺陷形成能k-Boltzman常数常数T热力学温度热力学温度,S

14、chottky defect：空位浓度：空位浓度N单位体积内离子对的数目单位体积内离子对的数目EsS缺陷形成能缺陷形成能讨论：讨论：浓度取决于度取决于T、，Tn，En 一般离子晶体：一般离子晶体：E s Ef杂质离子载流子浓度取决于杂质的数量和种类。杂质离子载流子浓度取决于杂质的数量和种类。杂质电导载流子：杂质电导载流子：（2 2 2 2）离子迁移率）离子迁移率）离子迁移率）离子迁移率离离子子电电导导的的微微观观机机构构：载载流流子子即即离离子子的的扩扩散散，所所以以离离子电导与离子扩散难易有关。子电导与离子扩散难易有关。位置位置x势能势能U 0：间隙原子的振隙原子的振动频率。率。热运动宏观上

15、无电导现象热运动宏观上无电导现象 无外加电场时间隙离子运动状况无外加电场时间隙离子运动状况外加电场外加电场E E间隙离子运动状况间隙离子运动状况外外加加电电场场改改变变了了原原周周期期作作用用势势垒垒，沿沿x方方向向每每一一个个原原子子间间距距，势势垒垒相相对对降降低低qE ABA B 克服势垒克服势垒U0-UB A 克服势垒克服势垒U0+U间隙离子迁移速度间隙离子迁移速度:单位时间间隙离子沿电场方向的净跃迁次数为单位时间间隙离子沿电场方向的净跃迁次数为:电场强度不大时，电场强度不大时，UkT，指数式可展开简化为：，指数式可展开简化为：迁移速度简化为：迁移速度简化为：载流子沿电场方向的迁移率为

16、：载流子沿电场方向的迁移率为：v离子迁移率与电场强度无关离子迁移率与电场强度无关v迁移率与晶体结构有关迁移率与晶体结构有关(、U0、0)v指数项受温度影响较大指数项受温度影响较大讨论：讨论：在弱电场作用下，在弱电场作用下，：晶格间距（：晶格间距（cm）0：间隙离子的振动频率（：间隙离子的振动频率（hz)q：间隙离子的电荷数（：间隙离子的电荷数（C)k：波尔兹曼常数：波尔兹曼常数 0.86 104（eV/K）U0：无外加电场时间隙离子的势垒（：无外加电场时间隙离子的势垒（eV）（3 3 3 3）离子电导率）离子电导率）离子电导率）离子电导率Schottky defect引起的引起的本征离子电导率

17、：本征离子电导率：Ws电导活化能，包括缺陷形成能与迁移能电导活化能，包括缺陷形成能与迁移能As常数常数 本征离子电导率一般表达式：本征离子电导率一般表达式：B1W/kA1常数常数 杂质离子电导率一般表达式：杂质离子电导率一般表达式：A2N2q2 2 6kTB2B1，杂质电导率比本征电导率大得多，杂质电导率比本征电导率大得多，离子晶体的电导主要为杂质电导离子晶体的电导主要为杂质电导。物质中存在多种载流子，总电导率：物质中存在多种载流子，总电导率：杂质离子浓度杂质离子浓度（4 4 4 4）扩散与离子电导）扩散与离子电导）扩散与离子电导）扩散与离子电导离子扩散机构离子扩散机构载流子：空位载流子：空位

18、载流子：间隙原子载流子：间隙原子“接力式接力式”运动运动（4 4 4 4）影响离子电导的因素）影响离子电导的因素）影响离子电导的因素）影响离子电导的因素 温度温度随着温度的升高，离子电导按指数规律增加。随着温度的升高，离子电导按指数规律增加。晶体结构晶体结构熔点高，晶体结合力大，活化能高，电导率低；熔点高，晶体结合力大，活化能高，电导率低；正离子电荷少，半径小，活化能低，电导率高；正离子电荷少，半径小，活化能低，电导率高；晶体结构致密，间隙离子迁移困难，电导率低。晶体结构致密，间隙离子迁移困难，电导率低。活化能（活化能（W）形成离子电导的离子型晶体必须具有两个条件形成离子电导的离子型晶体必须具

19、有两个条件:v 电子载流子浓度小；电子载流子浓度小；v 离子晶格缺陷浓度大并参与电导。离子晶格缺陷浓度大并参与电导。晶格缺陷晶格缺陷离子电导的关键：离子性晶格缺陷的形成及其浓度大小离子电导的关键：离子性晶格缺陷的形成及其浓度大小 ,热激励生成晶格缺陷（热激励生成晶格缺陷（F F、S S缺陷）缺陷）,不等价固溶掺杂生成晶格缺陷不等价固溶掺杂生成晶格缺陷,非化学计量比产生晶格缺陷（气氛，压力非化学计量比产生晶格缺陷（气氛，压力）Y2O3 2YZr+VO+3OOZrO22ZrO2 2Zr.Y+Oi+3OOY2O3离子型缺陷的产生总或多或少的伴随着电子的产生，呈现离子型缺陷的产生总或多或少的伴随着电子

20、的产生，呈现出电子电导。出电子电导。总电导率离子电导率电子电导率。总电导率离子电导率电子电导率。nd，ne，nh分别为离子缺陷、电子和空穴的浓度分别为离子缺陷、电子和空穴的浓度 d，e，h分别为离子缺陷、电子和空穴的迁移率分别为离子缺陷、电子和空穴的迁移率 Zd 离子缺陷的有效价数离子缺陷的有效价数稳定稳定ZrO2的氧脱离形成氧空位：的氧脱离形成氧空位：OO 1/2O2+VO+2e-离子迁移数：离子迁移数：电子迁移数：电子迁移数：离子电导体离子电导体混合电导体混合电导体2.电子电导电子电导电子电导的载流子是电子或空穴（电子空位），电子电电子电导的载流子是电子或空穴（电子空位），电子电导主要发生

21、在导体（金属）和半导体中。导主要发生在导体（金属）和半导体中。（1 1 1 1）电子迁移率）电子迁移率）电子迁移率）电子迁移率自由电子在外电场自由电子在外电场E的作用下，作加速运动的作用下，作加速运动经典力学理论经典力学理论加速度：加速度：E电场强度电场强度e电子电荷量电子电荷量m电子质量电子质量晶晶格格热热振振动动、杂杂质质、缺缺陷陷的的作作用用（碰碰撞撞）使使电电子子产产生生散散射射，两次碰撞之间的平均时间为两次碰撞之间的平均时间为2，电子的平均速度为：，电子的平均速度为：松弛时间松弛时间 与晶格缺陷及温度有关，温度越高，晶体缺陷越多，电子与晶格缺陷及温度有关，温度越高，晶体缺陷越多，电子

22、散射几率越大，散射几率越大，越小。越小。电子迁移率：电子迁移率：电子迁移率：电子迁移率：实际晶体中的电子不是实际晶体中的电子不是“自由自由”的，必须考虑晶格场对电子的，必须考虑晶格场对电子的作用。的作用。量子力学理论量子力学理论电子有效质量电子有效质量m*（考虑了晶格场对电子的作用）（考虑了晶格场对电子的作用）电子能量电子能量hPlank常数常数k 波矢量波矢量(波数波数)自由电子：自由电子：晶体中的电子：晶体中的电子：电子迁移率：电子迁移率：电子迁移率：电子迁移率：电子和空穴的有效质量电子和空穴的有效质量m*取决于材料性质，取决于材料性质，由载流子的由载流子的散射决定。散射决定。散射弱散射弱

23、,长长,高。高。掺杂浓度和温度对掺杂浓度和温度对的影响的影响,本质上是对载流子散射强弱本质上是对载流子散射强弱的影响。的影响。散射的原因散射的原因散射的原因散射的原因 晶格散射晶格散射晶格振动晶格振动:半导体晶体中规则排列的晶格半导体晶体中规则排列的晶格,在其晶格在其晶格点阵附近产生的热振动。点阵附近产生的热振动。晶格散射晶格散射:由晶格振动引起的散射。由晶格振动引起的散射。温度温度 晶格振动晶格振动 晶格散射晶格散射 低掺杂半导体迁移率随温度升高而大幅下降的原因。低掺杂半导体迁移率随温度升高而大幅下降的原因。电离杂质散射电离杂质散射高掺杂浓度时，半导体迁移率高掺杂浓度时，半导体迁移率 随温度

24、变化较小。随温度变化较小。电电离离杂杂质质产产生生的的正正负负电电中中心心对对载载流流子子的的吸吸引引或或排排斥斥作作用用,导致散射。导致散射。+eh掺杂浓度掺杂浓度:掺杂浓度掺杂浓度 散射散射 温度温度:温度温度 载流子运动速度载流子运动速度 吸引或排斥吸引或排斥 散射散射 （2 2 2 2）载流子浓度）载流子浓度）载流子浓度）载流子浓度能带理论能带理论晶晶体体中中电电子子能能级级间间的的间间隙隙很很小小，所所以以能能级级的的分分布布可可以以看看成是准连续的，称为能带。成是准连续的，称为能带。禁带：禁带：禁止电子具有的能级组成的能带。禁止电子具有的能级组成的能带。允带：允带：电子可以具有的能

25、级组成的能带。电子可以具有的能级组成的能带。电子可以具有允带中各能级的能量，但允带中每个能级只能允许有电子可以具有允带中各能级的能量，但允带中每个能级只能允许有两个自旋反向的电子存在。两个自旋反向的电子存在。导带：导带：具有空能级允带中的电子是自由的，在外加电场具有空能级允带中的电子是自由的，在外加电场作用下参与导电，这样的允带称为导带。作用下参与导电，这样的允带称为导带。空能级：空能级：允带中未被填满电子的能级。允带中未被填满电子的能级。满带：满带：所有能级均被电子填满的允带。所有能级均被电子填满的允带。禁带禁带晶晶体体中中并并非非所所有有电电子子和和价价电电子子都都参参与与导导电电，只只有

26、有导导带带中中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。vv 本征半导体中的载流子浓度本征半导体中的载流子浓度本征半导体中的载流子浓度本征半导体中的载流子浓度本本征征电电导导：导导带带中中的的电电子子电电导导和和价价带带中中的的空空穴穴电电导导同同时时存存在在。本征电导的载流子电子和空穴的浓度相等。本征电导的载流子电子和空穴的浓度相等。本征电导体：本征电导体：具有本征电导特性的半导体。具有本征电导特性的半导体。电子电子空穴空穴导带底部能级导带底部能级费米（费米（Fermi）能级）能级价带顶部能级价带顶部能级电子存在几率子存在几率为1/2的能的能级本本征征半半导导体

27、体中中的的载载流流子子（电电子子与与空空穴穴）由由热热激激发发产产生生，其其浓度与温度呈指数关系。浓度与温度呈指数关系。Nc：导带的有效状态密度：导带的有效状态密度k：波尔兹曼常数：波尔兹曼常数h：普朗克常数：普朗克常数me*：电子有效质量：电子有效质量T：绝对温度：绝对温度导带电子浓度：导带电子浓度：根据根据Fermi统计理论：统计理论：价带中的空穴浓度：价带中的空穴浓度：NV：价带的有效状态密度：价带的有效状态密度mh*：空穴有效质量：空穴有效质量N等效状态密度等效状态密度vv 杂质半导体中的载流子浓度杂质半导体中的载流子浓度杂质半导体中的载流子浓度杂质半导体中的载流子浓度n 型半导体：型

28、半导体：掺入施主杂质的半导体。掺入施主杂质的半导体。载流子：多余的电子载流子：多余的电子p 型半导体：型半导体：掺入受主杂质的半导体（空穴半导体）。掺入受主杂质的半导体（空穴半导体）。载流子：空穴载流子：空穴5 5价杂质砷价杂质砷4 4价半导体硅价半导体硅3 3价杂质硼价杂质硼4 4价半导体硅价半导体硅施主能级施主能级受主能级受主能级n n 型半导体型半导体型半导体型半导体NC导带的有效状态密度导带的有效状态密度ND单位体积中施主原子个数单位体积中施主原子个数ED施主能级施主能级EiEC-ED,电离能电离能低温（低温（EC-ED Eg)：p p 型半导体型半导体型半导体型半导体低温（低温（EA

29、-EV Eg)：NV价带的空穴状态密度价带的空穴状态密度NA受主杂质浓度受主杂质浓度EA受主能级受主能级Ei电离能电离能,Ei=EA-EV（3 3 3 3）电子电导率）电子电导率）电子电导率）电子电导率电电子子导导体体中中，载载流流子子电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度、迁迁移移率率常常不不一一样，计算时需分别考虑。样，计算时需分别考虑。vv 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体e 和和h分别为电子与空穴的迁移率分别为电子与空穴的迁移率vv 杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体n n 型半导体型半导体型半导体型半导体本征电导性，第一本征电导性，第一项与杂质浓度无关项与杂质浓度无关第二项与

30、施主杂第二项与施主杂质浓度质浓度N ND D有关有关高温时，第一项起主要作用高温时，第一项起主要作用低温时，第二项起主要作用低温时，第二项起主要作用本征半导体或高温时的杂质半导体的电导率与温度的关系本征半导体或高温时的杂质半导体的电导率与温度的关系:温度变化不大时，温度变化不大时，0 可视为常数。可视为常数。ln与与1/T成直线关系。成直线关系。由直线斜率可求出禁带宽度由直线斜率可求出禁带宽度Eg。p p 型半导体型半导体型半导体型半导体第二项与受主杂质第二项与受主杂质浓度浓度N NV V有关有关实际晶体：实际晶体：一种电子导电机构一种电子导电机构低温：杂质电子电导低温：杂质电子电导高温：本征

31、电子电导高温：本征电子电导存在两种杂质存在两种杂质（4 4 4 4）电子电导率的影响因素）电子电导率的影响因素）电子电导率的影响因素）电子电导率的影响因素v 温度温度温度变化不大时，电导率与温度呈指数关系。电导率温度变化不大时，电导率与温度呈指数关系。电导率对温度的依赖关系主要取决于浓度项。载流子浓度与对温度的依赖关系主要取决于浓度项。载流子浓度与温度符合指数式。温度符合指数式。低温区：杂质电子电导低温区：杂质电子电导高温区：本征电子电导高温区：本征电子电导中温区：饱和，杂质完全离解，载流子浓度不随温度中温区：饱和，杂质完全离解，载流子浓度不随温度变化变化v 杂质缺陷杂质缺陷施主杂质施主杂质

32、n n 型半导体型半导体型半导体型半导体受主杂质受主杂质 p p 型半导体型半导体型半导体型半导体价控半导体价控半导体lnnelnnh本征区饱和区ne ND-NAnh NA-ND1/T四、导电性的测量四、导电性的测量电导的宏观参数电导的宏观参数电导的物理特性电导的物理特性电导率电导率 (1/(1/)体积电阻率：体积电阻率：反映材料的导电能力反映材料的导电能力 表面电阻率表面电阻率载流子（电子、离子）载流子（电子、离子）电导的物理效应电导的物理效应霍尔效应（电子电导）霍尔效应（电子电导）电解效应（离子电导）电解效应（离子电导）离子电导与电子电导离子电导与电子电导圆片试样圆片试样小小 结结离离子子

33、电电导导本征离子电导本征离子电导本征离子电导本征离子电导杂质离子电导杂质离子电导杂质离子电导杂质离子电导v载流子：载流子：热缺陷：热缺陷：F缺陷、缺陷、S缺陷缺陷v迁移率迁移率v载流子浓度载流子浓度v电导率电导率v载流子：载流子：杂质离子杂质离子v迁移率迁移率v载流子浓度载流子浓度v电导率电导率离子电导的必要条件（离子性晶格缺陷的形成离子电导的必要条件（离子性晶格缺陷的形成离子电导的必要条件（离子性晶格缺陷的形成离子电导的必要条件（离子性晶格缺陷的形成及其浓度大小）及其浓度大小）及其浓度大小）及其浓度大小）晶格缺陷形成的原因晶格缺陷形成的原因晶格缺陷形成的原因晶格缺陷形成的原因(热激励，掺杂等

34、热激励，掺杂等热激励，掺杂等热激励，掺杂等)电电子子电电导导本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体v载流子：载流子：电子或空穴电子或空穴v迁移率迁移率v载流子浓度载流子浓度v电导率电导率v载流子：多余电子载流子：多余电子v迁移率迁移率v载流子浓度载流子浓度v电导率电导率n n 型半导体型半导体型半导体型半导体v迁移率迁移率v载流子浓度载流子浓度v电导率电导率p p 型半导体型半导体型半导体型半导体v载流子：空穴载流子：空穴5.2 5.2 无机材料的电导无机材料的电导一、无机材料电导的混合法则一、无机材料电导的混合法则二、电流吸收现象二、电流吸收现象三、

35、电化学老化现象三、电化学老化现象无机材料：无机材料：多晶多相多晶多相 结构复杂（晶界、相界、气孔）结构复杂（晶界、相界、气孔）一、无机材料电导的混合法则一、无机材料电导的混合法则陶瓷材料陶瓷材料假设陶瓷材料由晶粒和晶界组成，界面和局部电场假设陶瓷材料由晶粒和晶界组成，界面和局部电场变化等影响因素可以忽略。变化等影响因素可以忽略。G、B：晶粒、晶界的电导率：晶粒、晶界的电导率VG、VB：晶粒、晶界的体积分数晶粒、晶界的体积分数n=-1n=-1串连串连n=1n=1并联并联n 0n 0均匀分散状态均匀分散状态将式将式(4-1)(4-1)微分微分若若n 0，则，则即即材料电导的对数混合法则材料电导的对

36、数混合法则二、电流吸收现象二、电流吸收现象给陶瓷加上直流电压后，其电流先随时间减小，然后才能给陶瓷加上直流电压后，其电流先随时间减小，然后才能稳定，即其电阻需要经过一定的时间才能稳定。切断电源稳定，即其电阻需要经过一定的时间才能稳定。切断电源后，将电极短路，出现反向电流，并随时间减小到零。后，将电极短路，出现反向电流，并随时间减小到零。吸收电流吸收电流漏电电流漏电电流原因：原因：外外加加电电场场作作用用下下，正正负负离离子子定定向向移移动动，集集聚聚在在在电极或生成新的物质；在电极或生成新的物质；不不均均匀匀结结构构（杂杂质质、晶晶格格畸畸变变、晶晶界界、气气孔孔等等）引起电荷集聚。）引起电荷

37、集聚。空间电荷的积累，即空间电荷，改变了外电场在空间电荷的积累，即空间电荷，改变了外电场在陶瓷内的电位分布，引起电流变化。陶瓷内的电位分布，引起电流变化。电流吸收现象主要发生在电流吸收现象主要发生在离子电导为主的陶瓷材料中离子电导为主的陶瓷材料中。电。电子电导为主的陶瓷材料，由于电子迁移率很高，不存在空子电导为主的陶瓷材料，由于电子迁移率很高，不存在空间电荷和吸收电流现象。间电荷和吸收电流现象。三、电化学老化现象三、电化学老化现象电电化化学学老老化化：电电场场作作用用下下，由由于于化化学学变变化化引引起起材材料料性性能不可逆的恶化。能不可逆的恶化。原因：原因：离子在电极附近发生氧化还原反应。离

38、子在电极附近发生氧化还原反应。必要条件：必要条件：介质中的离子至少有一种参加电导。介质中的离子至少有一种参加电导。5.3 5.3 半导体陶瓷的物理效应半导体陶瓷的物理效应一、压敏效应一、压敏效应二、二、PTCPTC效应效应三、三、SeebackSeeback效应效应一、压敏效应（一、压敏效应（Varistor Effect）对对电电压压变变化化敏敏感感的的非非线线性性电电阻阻效效应应，即即在在某某一一临临界界电电压压下下，电电阻阻非非常常大大，几几乎乎无无电电流流通通过过，超超过过该该临临界界电电压压（敏敏感感电电压压），电电阻阻迅速降低，电流通过。迅速降低，电流通过。ZnO压敏电阻：压敏电阻

39、：稳压和过压保护、避雷器稳压和过压保护、避雷器二、二、PTC效应（效应（Positive Temperature Coefficient）在材料（价控在材料（价控BaTiO3）相变点）相变点附近（居里点），电阻率随温附近（居里点），电阻率随温度上升发生突变，显著提高，度上升发生突变，显著提高，即所谓的即所谓的PTCPTC现象。现象。应用：应用：过热保护、过流保护、恒过热保护、过流保护、恒温发热体（电饭锅、电吹温发热体（电饭锅、电吹风机等）风机等）三、三、Seeback 效应（温差电动势效应）效应（温差电动势效应）由于温度梯度使多数载流子从热端扩散到冷端，结果在由于温度梯度使多数载流子从热端扩散

40、到冷端，结果在半导体两端就产生温差电动势，这种现象称为温差电动半导体两端就产生温差电动势，这种现象称为温差电动势效应。势效应。n型半导体型半导体T1 T2-+-T1T2+T1T2-V Vp型半导体型半导体5.4 5.4 超导体超导体一、超导电性一、超导电性二、超导体的基本特征二、超导体的基本特征三、超导体的性能指标三、超导体的性能指标四、超导体的研究进展与应用四、超导体的研究进展与应用一、一、超导电性超导电性超超导导电电性性：在在一一定定的的低低温温条条件件下下，材材料料突突然然失失去去电电阻阻的的现现象象称称为为超超导电性。导电性。1911年年，荷荷兰兰科科学学家家卡卡茂茂林林昂昂内内斯斯（

41、Kamerlingh Onnes）发发现现：在在温温度度附附近近，水水银银的的电电阻阻突突然然下下降降到到无无法法测测量量的的程度，或者说电阻为零。程度，或者说电阻为零。临界温度临界温度Tc：材料由正常态（有电阻）变为超导态的温度。材料由正常态（有电阻）变为超导态的温度。零电阻、等电位零电阻、等电位超导体：超导体：具有超导电性物质。具有超导电性物质。二、二、超导体的基本特征超导体的基本特征1.完全导电性（零电阻）完全导电性（零电阻）放放在在磁磁场场中中的的环环形形超超导导体体，冷冷却却到到低低温温使使其其变变为为超超导导态态，把把外外磁磁场场突突然然去去掉掉，由由于于磁磁感感应应作作用用圆圆环

42、环内内产产生生感感生生电电流流，由于电阻为零，感生电流永不衰竭，称为永久电流。由于电阻为零，感生电流永不衰竭，称为永久电流。2.完全抗磁性（完全抗磁性（Meissner效应）效应）处于超导状态的金属，不管其经历如何，内部磁感应强处于超导状态的金属，不管其经历如何，内部磁感应强度度B始终为零。始终为零。v外加磁场不能进入超导体的内部；外加磁场不能进入超导体的内部；v原原来来处处于于磁磁场场中中的的正正常常态态样样品品，当当温温度度下下降降使使其其变变为为超导体时，也会把原来在体内的磁场完全排出去。超导体时，也会把原来在体内的磁场完全排出去。超导态对磁通的排斥超导态对磁通的排斥正常态正常态超导态超

43、导态三、三、超导体的性能指标超导体的性能指标1.临界转变温度临界转变温度Tc：由正常态变为超导态的温度由正常态变为超导态的温度临界转变温度越高越好，越有利于利用。临界转变温度越高越好，越有利于利用。超导体具有屏蔽磁场和排出磁通的性能。超导体具有屏蔽磁场和排出磁通的性能。2.临界磁场临界磁场Hc：保持超导态的最大磁场强度保持超导态的最大磁场强度当当TTc，将将超超导导体体放放入入磁磁场场中中，如如果果磁磁场场强强度度高高于于临临界界磁磁场场强强度度，则则磁磁力力线线穿穿过过超超导导体体，超超导导体体被被破破坏坏成成为为正正常态。常态。3.临界电流密度临界电流密度Jc：保持超导态的最大输入电流密度

44、保持超导态的最大输入电流密度如如果果输输入入电电流流所所产产生生的的磁磁场场与与外外磁磁场场之之和和超超过过临临界界磁磁场场，则则超超导导态态被被破破坏坏，这这时时输输入入的的电电流流为为临临界界电电流流Ic，相相应应的的电流密度称为临界电流密度电流密度称为临界电流密度Jc。vv 超导理论研究超导理论研究超导理论研究超导理论研究四、四、超导体的研究进展与应用超导体的研究进展与应用金属及金属化合物金属及金属化合物以以1975年年、的的“库库柏柏电电子子对对”超超导导理理论论模模型型最最为为著著名名。认认为为超超导导现现象象源源于于电电子子-声声子子相相互互作作用用产产生的电子对。生的电子对。该该

45、理理论论预预言言：金金属属和和金金属属间间化化合合物物中中的的超超导导体体的的Tc不超过不超过30K。氧化物超导体氧化物超导体至今还没有被人完全接受的超导理论模型。至今还没有被人完全接受的超导理论模型。1.研究进展研究进展为为了了寻寻找找Tc更更高高的的超超导导体体，从从60年年代代开开始始在在氧氧化化物物中中寻找超导体。寻找超导体。1986年年，瑞瑞士士的的J.G.Bednorz和和发发现现Tc为为35K的的Na-La-Cu系氧化物超导体系氧化物超导体，获得诺贝尔奖。，获得诺贝尔奖。1987年年，中中国国科科学学家家赵赵忠忠贤贤等等人人得得到到Tc在在液液氮氮以以上上温温度的度的Y-La-C

46、u-O系超导体系超导体，即所谓的，即所谓的123材料。材料。超导薄膜、线材相继问世。超导薄膜、线材相继问世。目前已发现超导温度大目前已发现超导温度大133K以上的超导氧化物。以上的超导氧化物。vv 提高提高提高提高T Tc c著名的超导化合物：著名的超导化合物：Nb3Sn（Tc）Nb3Ge（Tc）超导储能磁体超导储能磁体 超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车 2.应用应用高温超导变压器高温超导变压器 超导核磁共振层析成像仪超导核磁共振层析成像仪 超导计算机超导计算机 超超 导导 市市 场场 预预 测测 1993年世界银行的国际超导工业峰会上预测，年世界银行的国际超导工业峰会上预测，到到2020年世界超导产品的销售总额将达年世界超导产品的销售总额将达244亿美元。亿美元。