材料物理第五章精选文档.ppt

《材料物理第五章精选文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料物理第五章精选文档.ppt（178页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、材料物理第五章1本讲稿第一页，共一百七十八页 导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材料和绝缘材料等，都是以导电性能为料、超导材料和绝缘材料等，都是以导电性能为基础的。例如，长距离传输电力的金属导线应具基础的。例如，长距离传输电力的金属导线应具有很高的导电性，以减少由于发热造成的电力损有很高的导电性，以减少由于发热造成的电力损失。陶瓷和高分子的绝缘材料必须具有不导电性，失。陶瓷和高分子的绝缘材料必须具有不导电性，以防止产生短路或电弧。作为太阳能电池的半导以防止产生短路或电弧。作为太阳能电池的半导体对其导电性能要求更高，以追求尽可能高的太体对其导电性

2、能要求更高，以追求尽可能高的太阳能利用效率。阳能利用效率。2本讲稿第二页，共一百七十八页 5.1 电阻与导电的基本概念电阻与导电的基本概念 当在材料两端施加电压当在材料两端施加电压U时，材料中有电流时，材料中有电流I通过，这通过，这种现象称为导电现象。由欧姆定律可知材料的电阻大小为种现象称为导电现象。由欧姆定律可知材料的电阻大小为 （5-1）式中：式中：的单位为的单位为V，的单位为的单位为A，则的单位为则的单位为。用电阻用电阻 的大小可以评价材料的导电性能，其值不仅与材的大小可以评价材料的导电性能，其值不仅与材料的性能有关，还与材料的尺寸有关，因此料的性能有关，还与材料的尺寸有关，因此 （5-

3、2）式中：式中：为材料的长度；为材料的长度；为材料的截面积；为材料的截面积；为与材料性为与材料性质有关的系数，称为电阻率。质有关的系数，称为电阻率。3本讲稿第三页，共一百七十八页 由于由于 只与材料的本身性质有关，而与导体的几何尺寸无只与材料的本身性质有关，而与导体的几何尺寸无关，因此在评定不同材料的导电性能时，用关，因此在评定不同材料的导电性能时，用 比比 更确切。更确切。的单位为的单位为m（欧姆（欧姆米）。米）。在研究材料的导电性能时，还常用电导率在研究材料的导电性能时，还常用电导率 ，其与，其与 的关的关系为系为 （5-3）的单位为的单位为-1m-1或或S/m（西门子（西门子/米），显然

4、，米），显然，值越值越大，大，值越小，说明材料的导电性能愈好。值越小，说明材料的导电性能愈好。4本讲稿第四页，共一百七十八页 工程中也用相对电导率（工程中也用相对电导率（IACS%）表征导体材料的导电性能。把国）表征导体材料的导电性能。把国际标准软纯铜（在室温际标准软纯铜（在室温20下电阻率下电阻率 =0.01724mm2/m）的电导率作为）的电导率作为100%，其他导体材料的电导率与，其他导体材料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电导率。例如，之相比的百分数即为该导体材料的相对电导率。例如，Fe的的IACS%为为17%，Al的的IACS%为为65%。根据材料导电性的好坏，按照根据材

5、料导电性的好坏，按照 值的大小把材料分为导体、值的大小把材料分为导体、半导体、绝缘体和超导体。半导体、绝缘体和超导体。值小于值小于10-5m为导体材料，其中纯为导体材料，其中纯金属的金属的 值为值为10-810-7m，合金的，合金的 值为值为10-710-5m；值在值在10-3109m为半导体材料；为半导体材料；值大于值大于109m为绝缘材料；而超导体的为绝缘材料；而超导体的 值小于值小于10-27m。5本讲稿第五页，共一百七十八页 虽然物质都是由基本粒子构成的，但导电性虽然物质都是由基本粒子构成的，但导电性的差异却非常显著，同是金属的的差异却非常显著，同是金属的Ag的的 值为值为1.4610

6、-8m，而，而Mn的的 值为值为26010-8m。导。导电性最好的材料（如电性最好的材料（如Ag和和Cu）和导电性最差的）和导电性最差的材料（如聚苯乙烯和金刚石）之间的值差别达材料（如聚苯乙烯和金刚石）之间的值差别达23个数量级，这些差异与材料的结构、组织、成分个数量级，这些差异与材料的结构、组织、成分等因素有关。等因素有关。6本讲稿第六页，共一百七十八页表5-1 部分材料的电导率7本讲稿第七页，共一百七十八页 5.2 材料的导电机理材料的导电机理 对材料导电性物理本质的认识是从金属开始的，首先提出了经对材料导电性物理本质的认识是从金属开始的，首先提出了经典自由电子导电理论，后来随着量子力学的

7、发展，又提出了量子自典自由电子导电理论，后来随着量子力学的发展，又提出了量子自由电子理论和能带理论。由电子理论和能带理论。5.2.1金属及半导体的导电机理金属及半导体的导电机理 1、经典自由电子理论、经典自由电子理论 经典自由电子理论认为，在金属晶体中，经典自由电子理论认为，在金属晶体中，离子构成了晶格点阵，并形成一个均匀电场，价电子是完全自由的，离子构成了晶格点阵，并形成一个均匀电场，价电子是完全自由的，可以在整个金属中自由运动，就像气体分子充满整个容器一样，因可以在整个金属中自由运动，就像气体分子充满整个容器一样，因此可以把价电子看成此可以把价电子看成“电子气电子气”。它们的运动遵循经典力

8、学气体分。它们的运动遵循经典力学气体分子的运动规律。在没有外加电场作用时，金属中的自由电子沿各方子的运动规律。在没有外加电场作用时，金属中的自由电子沿各方向运动的几率相同，因此不产生电流。当对金属施加外电场时，自向运动的几率相同，因此不产生电流。当对金属施加外电场时，自由电子将沿电场的反方向运动，从而形成了电流。由电子将沿电场的反方向运动，从而形成了电流。8本讲稿第八页，共一百七十八页 在自由电子做定向运动过程中，不断会与正离子发生碰撞在自由电子做定向运动过程中，不断会与正离子发生碰撞妨碍电子继续加速，形成电阻。从这种认识出发，设电子两妨碍电子继续加速，形成电阻。从这种认识出发，设电子两次碰撞

9、之间运动的平均距离（自由程）为次碰撞之间运动的平均距离（自由程）为 ，电子平均运，电子平均运动的速度为动的速度为 ，单位体积内的自由电子数为，单位体积内的自由电子数为 ，则电导，则电导率为率为 （5-4）式中，式中，是电子质量；是电子质量；是电子电荷；是电子电荷；为两次碰撞之为两次碰撞之间的平均时间。间的平均时间。9本讲稿第九页，共一百七十八页 从式（从式（5-4）中可以看出，自由电子数量越多导电性应当越好。）中可以看出，自由电子数量越多导电性应当越好。二、三价金属的价电子比一价金属的多，似乎二、三价金属的导电二、三价金属的价电子比一价金属的多，似乎二、三价金属的导电性比一价金属好，但实际情况

10、却是一价金属的导电性比二、三价金性比一价金属好，但实际情况却是一价金属的导电性比二、三价金属好，如表属好，如表5-1所示。另外，按照气体动力学的关系，所示。另外，按照气体动力学的关系，应与热力学温应与热力学温度度T的平方根成正比，但实验结果却是的平方根成正比，但实验结果却是 与与T成反比。还有电子比热成反比。还有电子比热的问题，按照经典自由电子理论的计算结果比实验测得的热容约大的问题，按照经典自由电子理论的计算结果比实验测得的热容约大100倍。此外，这一理论也不能解释超导现象的产生。倍。此外，这一理论也不能解释超导现象的产生。经典自由电子理论的问题根源在于它忽略了电子之间的排斥作用和正离经典自

11、由电子理论的问题根源在于它忽略了电子之间的排斥作用和正离子点阵周期场的作用，是立足于牛顿力学的宏观运动，而对于微观粒子的运子点阵周期场的作用，是立足于牛顿力学的宏观运动，而对于微观粒子的运动问题，需要利用量子力学的概念来解决。动问题，需要利用量子力学的概念来解决。10本讲稿第十页，共一百七十八页 2、量子自由电子理论、量子自由电子理论 量子自由电子理论同样认为金属中正离子形成的电场量子自由电子理论同样认为金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，且为整个金属是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，且为整个金属所有，可以在整个金属中自由运动。但这一理论认为，金所有，可以在整个金属

12、中自由运动。但这一理论认为，金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子按量子化规律具有不同的能量状态，即态，而所有价电子按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。具有不同的能级。这一理论认为，电子具有波粒二象性。运动着的电子这一理论认为，电子具有波粒二象性。运动着的电子作为物质波，其频率和波长与电子的运动速率或动量之间作为物质波，其频率和波长与电子的运动速率或动量之间的关系为的关系为11本讲稿第十一页，共一百七十八页 （5-5）式中：为电子质量；为电子速度；为波长；为电子的动量；为普朗克常数。12本讲稿第十二页

13、，共一百七十八页 在一价金属中，自由电子的动能在一价金属中，自由电子的动能 ，由式（，由式（5-5）可得到）可得到l （5-6）式中：式中：为常数；为常数；称为波数频率，它是表征金属中称为波数频率，它是表征金属中自由电子可能具有的能量状态的参数。自由电子可能具有的能量状态的参数。13本讲稿第十三页，共一百七十八页 式（式（5-6）说明，）说明，关系曲线为抛物线，如图关系曲线为抛物线，如图5-1所所示。图中的示。图中的“”和和“”表示自由电子运动的方向。从粒子表示自由电子运动的方向。从粒子的观点看，曲线表示自由电子的能量与速度（或动量）之间的关的观点看，曲线表示自由电子的能量与速度（或动量）之间

14、的关系；从波动的观点看，系；从波动的观点看，关系曲线表示电子的能量和波数之关系曲线表示电子的能量和波数之间的关系。电子的波数越大，则能量越高。曲线清楚地表明金属间的关系。电子的波数越大，则能量越高。曲线清楚地表明金属中的价电子具有不同的能量状态，有的处于低能态，有的处于高中的价电子具有不同的能量状态，有的处于低能态，有的处于高能态。根据泡利不相容原理，每一个能态只能存在沿正反方向运能态。根据泡利不相容原理，每一个能态只能存在沿正反方向运动的一对电子，自由电子从低能态一直排到高能态，动的一对电子，自由电子从低能态一直排到高能态，0K时电子时电子所具有的最高能态称费米能所具有的最高能态称费米能 ，

15、同种金属费米能是一个定值，同种金属费米能是一个定值，不同金属的费米能不同。不同金属的费米能不同。14本讲稿第十四页，共一百七十八页图图5.1 自由自由电电子的子的 曲线曲线 曲线 图图5.2 电场对电场对 曲线的影响曲线的影响 15本讲稿第十五页，共一百七十八页 如图如图5.1所示是没有外加电场时金属中自由电所示是没有外加电场时金属中自由电子的能量状态，曲线对称分布说明：沿正、反方子的能量状态，曲线对称分布说明：沿正、反方向运动的电子数量相同，没有电流产生。在外加向运动的电子数量相同，没有电流产生。在外加电场的作用下，外电场使向着其正向运动的电子电场的作用下，外电场使向着其正向运动的电子能量降

16、低，反向运动的电子能量升高，如图能量降低，反向运动的电子能量升高，如图5.2所示。可以看出，由于能量的变化，使部分能量所示。可以看出，由于能量的变化，使部分能量较高的电子转向电场正向运动的能级，从而使正较高的电子转向电场正向运动的能级，从而使正反向运动的电子数不等，使金属导电。也就是说，反向运动的电子数不等，使金属导电。也就是说，不是所有的自由电子都参与了导电，而是只有处不是所有的自由电子都参与了导电，而是只有处于较高能态的自由电子参与导电。于较高能态的自由电子参与导电。16本讲稿第十六页，共一百七十八页 此外，电磁波在传播过程中被离子点阵散射，此外，电磁波在传播过程中被离子点阵散射，然后相互

17、干涉而形成电阻。量子力学证明，当电然后相互干涉而形成电阻。量子力学证明，当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时，子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时，它将不会受到散射而无阻碍地传播，此时的材料它将不会受到散射而无阻碍地传播，此时的材料是一个理想的导体，即所谓的超导体。而只有在是一个理想的导体，即所谓的超导体。而只有在由于晶体点阵离子的热振动以及晶体中的异类原由于晶体点阵离子的热振动以及晶体中的异类原子、位错和点缺陷等使晶体点阵的周期性遭到破子、位错和点缺陷等使晶体点阵的周期性遭到破坏的地方，电子波才会受到散射，从而产生了阻坏的地方，电子波才会受到散射，从而产生了阻碍作用，降低了导电性

18、，这就是材料产生电阻的碍作用，降低了导电性，这就是材料产生电阻的本质所在。本质所在。17本讲稿第十七页，共一百七十八页 由此导出的电导率为由此导出的电导率为 （5-7）从公式看，与经典自由电子理论所得到的公从公式看，与经典自由电子理论所得到的公式差不多，但式差不多，但 和和 的含义不同，式中：的含义不同，式中：为为单位体积内参与导电的电子数，称为有效自由电单位体积内参与导电的电子数，称为有效自由电子数。；子数。；是两次反射之间的平均时间；是两次反射之间的平均时间；为单为单位时间内散射的次数，称为散射几率。不同材料位时间内散射的次数，称为散射几率。不同材料 不同，一价金属的不同，一价金属的 比二

19、、三价金属多，因比二、三价金属多，因此一价金属比二、三价金属导电性好。此一价金属比二、三价金属导电性好。18本讲稿第十八页，共一百七十八页 对金属来说，温度升高离子热振动的振幅就大，电子就对金属来说，温度升高离子热振动的振幅就大，电子就容易受到散射，故可认为容易受到散射，故可认为 与温度成正比，则与温度成正比，则 就与温度就与温度成反比（因为上式中其他的量均与温度无关），这就是金属成反比（因为上式中其他的量均与温度无关），这就是金属的导电性随温度升高而降低的原因，而半导体的导电性却正的导电性随温度升高而降低的原因，而半导体的导电性却正好相反。另外，由于在量子自由电子中，电子的能级是分立好相反。

20、另外，由于在量子自由电子中，电子的能级是分立不连续的，只有那些处于高能级的电子才能够跳到没有别的不连续的，只有那些处于高能级的电子才能够跳到没有别的电子占据的更高能级上去，那些处于低能级的电子不能跳到电子占据的更高能级上去，那些处于低能级的电子不能跳到较高能级上去，因为那些较高能级已经有别的电子占据了。较高能级上去，因为那些较高能级已经有别的电子占据了。这样，热激发的电子的数量远远少于总的价电子数，所以用这样，热激发的电子的数量远远少于总的价电子数，所以用量子自由电子理论推导出的比热可以解释实验结果。量子自由电子理论推导出的比热可以解释实验结果。19本讲稿第十九页，共一百七十八页 量子自由电子

21、理论较好地解释了金属导电的量子自由电子理论较好地解释了金属导电的本质，但它假定金属中离子所产生的势场是均匀本质，但它假定金属中离子所产生的势场是均匀的，因此还是不能很好地解释诸如铁磁性、相结的，因此还是不能很好地解释诸如铁磁性、相结构以及结合力等一些问题。能带理论则是在量子构以及结合力等一些问题。能带理论则是在量子自由电子论的基础上，考虑了离子所造成的周期自由电子论的基础上，考虑了离子所造成的周期性势场的存在。从而导出了电子在金属中的分布性势场的存在。从而导出了电子在金属中的分布特点，并建立了禁带的概念。特点，并建立了禁带的概念。20本讲稿第二十页，共一百七十八页 3、能带理论、能带理论：1）

22、能带的形成）能带的形成 原子结构理论原子结构理论每个电子都占有一个分立的能 级。泡利不相容原理泡利不相容原理每个能级只能容纳2个电子。例如，一个原子的2s轨道只能有一个能级，可以容纳2个电子。2p轨道则有3个能级，一共可以容纳6个电子。21本讲稿第二十一页，共一百七十八页 泡利不相容原理也适用于整个固体，当固体泡利不相容原理也适用于整个固体，当固体中有中有N个原子，这个原子，这N个原子的个原子的2s轨道的电子会相轨道的电子会相互影响，以致不能再维持在相同的能级（因为如互影响，以致不能再维持在相同的能级（因为如果这些果这些2s轨道的电子仍然保持原来的能级不变，轨道的电子仍然保持原来的能级不变，就

23、会破坏泡利不相容原理就会破坏泡利不相容原理每个能级只能容纳每个能级只能容纳2个电子）。这时就必须出现个电子）。这时就必须出现N个不同的分立能级个不同的分立能级 来安排所有这些来安排所有这些2s轨道的电子（这些电子共有轨道的电子（这些电子共有2N个）。个）。2s轨道的轨道的N个分立的能级组合在一起，成个分立的能级组合在一起，成为为2s的能带。同样，的能带。同样，2p轨道的轨道的3N个分立的能级组个分立的能级组合在一起，成为合在一起，成为2p能带，可以容纳能带，可以容纳6N个电子。个电子。图图5.1 表示了这种能级的分布。表示了这种能级的分布。22本讲稿第二十二页，共一百七十八页 图5.1 电子数

24、量增加时能级扩展成能带23本讲稿第二十三页，共一百七十八页 l2）能带结构中的有关概念l满带满带 电子填充能带的方式与原子的情况相似，都服从能量最小原理和泡利不相容原理。正常情况下，总是优先填满能量较低的能级。在能带结构中，如果一个能带中的各能级都被电子填满，这样的能带称为满带。l价带价带 由价电子能级分裂而形成的能带称为价带，通常情况下，价带为能量最高的能带。价带可能被电子填满，成为满带，也可能未被电子填满，形成不满带或半满带。24本讲稿第二十四页，共一百七十八页l空带空带 同各个原子的激发能级相对应的能带，在未被激发的正常情况下没有电子填入，这样的能带称为空带。l导带导带 由于某种原因，一

25、些被充满的价带顶部的电子受到激发而进入空带，此时，价带和空带均表现为不满带，在外加电场的作用下形成电流，对于这样的固体，能带结构中的空带又称为导带。一般而言，未被填满的能带（不满带）均是价带，在未被激发时价电子处于价带的底部，受到激发后电子会跃迁到价带的顶部，在外加电场的作用下形成电流，对于这样的固体，不满的价带的顶部，也称为导带。25本讲稿第二十五页，共一百七十八页l禁带禁带 有些固体在价带与空带之间存在着一段能量间隔，在这个区域永远不可能有电子，这个能量区域称为禁带或带隙。l 例如，图5.4表示钠的能带结构。钠原子的核外电子结构为 1s22s22p63s1，对于钠来说，3s电子是价电子，所

26、以3s能级组成的能带就成为价带，并处于价带的底部（服从能量最小原理）。3p能带则是空带。如果电子受到外来能量的激发，是可能跃迁到价带的顶部，甚至空带上去，这时这个价带的顶部或空带就成为导带。而在3s（价带）能带和3p（导带）能带之间，可能有一个能量间隔，这个能量间隔就是禁带（带隙）。26本讲稿第二十六页，共一百七十八页 图5.4 钠的能带结构27本讲稿第二十七页，共一百七十八页l 3）能带理论对固体导电性的解释）能带理论对固体导电性的解释l 由于钠只有一个3s电子，所以在3s价带上只有一半的能级被电子所占据。因此，这些被电子占据的能级应该是价带中能量较低的能级，而3s价带中能量较高的处于上方的

27、能级很少有电子占据。当温度为0K时，只有下面一半的能级被电子占据，而上面一半的能级没有电子占据，称为费米能级。（也可以说，在0K时，电子所占据的最高能级称为费米能级，费米能级以上都是空能级）。当温度大于0K 时，有一些电子获得了能量，跳到价带里的较高能级，而在相对应的较低能级上失去了电子，产生了相同数量的空穴，这些激发电子和空穴都是携带电荷的载流子，如图5.5所示。28本讲稿第二十八页，共一百七十八页 图图5.5 能带中电子随温度升高而进行能级跃迁能带中电子随温度升高而进行能级跃迁29本讲稿第二十九页，共一百七十八页 两个相邻能带可能重叠（交叠），此时禁带就消失两个相邻能带可能重叠（交叠），此

28、时禁带就消失了。能带交叠的程度与原子间距有关，原子间距越小，交了。能带交叠的程度与原子间距有关，原子间距越小，交叠的程度越大。图叠的程度越大。图5.6表示镁的能带结构。镁的核外电子结构表示镁的能带结构。镁的核外电子结构为为1s22s22p63s2。镁元素的最外层。镁元素的最外层3s轨道有轨道有2个电子，所以理论个电子，所以理论上说它的上说它的3s能带应被电子全部占满。但是，由于固体镁的能带应被电子全部占满。但是，由于固体镁的3p能带与能带与3s能带有重叠，这种重叠使得电子能够激发到能带有重叠，这种重叠使得电子能够激发到3s和和3p的重叠能带里的高能级，所以镁具有导电性。但能带之间的重叠能带里的

29、高能级，所以镁具有导电性。但能带之间复杂的相互作用使得这类二价金属的导电性不如一价金属。复杂的相互作用使得这类二价金属的导电性不如一价金属。30本讲稿第三十页，共一百七十八页图5.6 镁的能带结构31本讲稿第三十一页，共一百七十八页 能带理论不仅能够很好地解释金属导电性，还能很好能带理论不仅能够很好地解释金属导电性，还能很好的解释其他物质如绝缘体、半导体等的导电性。如果价带的解释其他物质如绝缘体、半导体等的导电性。如果价带内的能级未被填满，价带与导带之间没有禁带，或者相互内的能级未被填满，价带与导带之间没有禁带，或者相互重叠，在外电场作用下电子很容易从一个能级跃迁到另一重叠，在外电场作用下电子

30、很容易从一个能级跃迁到另一个高能级去而产生电流，有这种能带结构的材料就是导体，个高能级去而产生电流，有这种能带结构的材料就是导体，几乎所有金属都属于导体。如果价带是满带，且满带上面几乎所有金属都属于导体。如果价带是满带，且满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的空间，即使禁带上面的能带完全是空的，在外电场作用下空间，即使禁带上面的能带完全是空的，在外电场作用下电子也很难跳过禁带。电子也很难跳过禁带。32本讲稿第三十二页，共一百七十八页l 也就是说，电子不能趋向一个择优方向运动，即不能也就是说，电子不能趋向一个择优方向运动，即不

31、能产生电流，有这种能带结构的材料是绝缘体。半导体的能产生电流，有这种能带结构的材料是绝缘体。半导体的能带结构与绝缘体类似，所不同的是它的禁带宽度比较窄，带结构与绝缘体类似，所不同的是它的禁带宽度比较窄，电子跳过禁带不像绝缘体那样困难，如果存在外界作用电子跳过禁带不像绝缘体那样困难，如果存在外界作用（如热、光辐射等），则价带中的电子获得能量就可能跃（如热、光辐射等），则价带中的电子获得能量就可能跃迁到导带上去，在价带中出现电子留下的空穴，从而具有迁到导带上去，在价带中出现电子留下的空穴，从而具有导电性。导电性。l 通过分析研究电子在能带中的填充情况，可以解释铁磁性、通过分析研究电子在能带中的填充

32、情况，可以解释铁磁性、结合力等问题。如结合能、热容、电阻率、铁磁性及磁性反常结合力等问题。如结合能、热容、电阻率、铁磁性及磁性反常等都与电子能带结构有关。等都与电子能带结构有关。33本讲稿第三十三页，共一百七十八页 综上所述可以看到，从连续能量分布的价电综上所述可以看到，从连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动，到不连续能量分布的价子在均匀势场中的运动，到不连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动，再到不连续能量分布电子在均匀势场中的运动，再到不连续能量分布的价电子在周期性势场中的运动，分别是经典自的价电子在周期性势场中的运动，分别是经典自由电子理论、量子自由电子理论和能带理论这三由电子理论、量

33、子自由电子理论和能带理论这三种分析材料导电性理论的主要特征。种分析材料导电性理论的主要特征。34本讲稿第三十四页，共一百七十八页 5.2.1无机非金属的导电机理无机非金属的导电机理 能带理论可以很好地解释金属和半导体材料的导电现能带理论可以很好地解释金属和半导体材料的导电现象，但对像陶瓷、玻璃及高分子材料等非金属材料却难以象，但对像陶瓷、玻璃及高分子材料等非金属材料却难以解释。无机非金属的种类很多，导电性及导电机制相差很解释。无机非金属的种类很多，导电性及导电机制相差很大，它们中大多数是绝缘体，也有些是导体或半导体。即大，它们中大多数是绝缘体，也有些是导体或半导体。即使是绝缘体，在电场作用下也

34、会产生漏电电流或称之为电使是绝缘体，在电场作用下也会产生漏电电流或称之为电导。对材料来说，只要有电流通过就意味着有带电粒子的导。对材料来说，只要有电流通过就意味着有带电粒子的定向运动，这些带电粒子称为定向运动，这些带电粒子称为“载流子载流子”。金属材料电导。金属材料电导的载流子是自由电子，而无机非金属材料的载流子可以是的载流子是自由电子，而无机非金属材料的载流子可以是电子、空穴，或离子、离子空位。载流子是电子或空穴的电子、空穴，或离子、离子空位。载流子是电子或空穴的电导称为电子式电导，载流子是离子或离子空位的电导称电导称为电子式电导，载流子是离子或离子空位的电导称为离子式电导。为离子式电导。3

35、5本讲稿第三十五页，共一百七十八页 不难理解，点阵节点位置上若缺少离子，就形成不难理解，点阵节点位置上若缺少离子，就形成“空位空位”，离子空位容易容纳临近来的离子，而空位本身就移到了临近位，离子空位容易容纳临近来的离子，而空位本身就移到了临近位置上。在电场作用下，空位做定向运动引起电流。这时在阳离子置上。在电场作用下，空位做定向运动引起电流。这时在阳离子空位处形成负的带电中心，在阴离子空位处形成正的带电中心，空位处形成负的带电中心，在阴离子空位处形成正的带电中心，空位的移动实际上是这些带电中心发生了转移，这种移动是空位的移动实际上是这些带电中心发生了转移，这种移动是“接接力式力式”的运动，而不

36、是某一离子连续的运动。电子空穴的导电情的运动，而不是某一离子连续的运动。电子空穴的导电情况也与此类似。况也与此类似。非金属材料按其结构状态可以分为晶体材料与非晶态（玻非金属材料按其结构状态可以分为晶体材料与非晶态（玻璃态）材料，它们的导电机理有所不同，下面将分别讨论。璃态）材料，它们的导电机理有所不同，下面将分别讨论。36本讲稿第三十六页，共一百七十八页 1、离子晶体的导电机理、离子晶体的导电机理 理想的离子晶体是典型的绝缘体，但实际上离子晶体理想的离子晶体是典型的绝缘体，但实际上离子晶体都有一定的导电性，其电阻明显依赖于温度和晶体的纯度。都有一定的导电性，其电阻明显依赖于温度和晶体的纯度。因

37、为温度升高和掺杂都可能在晶体中产生缺陷，即阳离子因为温度升高和掺杂都可能在晶体中产生缺陷，即阳离子空位或阴离子空位。实验发现当离子晶体中有电流通过时，空位或阴离子空位。实验发现当离子晶体中有电流通过时，会在电极上沉淀出相应的离子的原子，这说明载流子是正、会在电极上沉淀出相应的离子的原子，这说明载流子是正、负离子。另外，在负离子。另外，在NaCl晶体中掺入晶体中掺入Ca2+后，可产生后，可产生Na+离子离子空位，空位，Ca2+含量越大，含量越大，Na+空位的数目就越多，实验发现，空位的数目就越多，实验发现，室温下室温下NaCl晶体的电导率与杂质晶体的电导率与杂质Ca2+的浓度成正比。这些实的浓度

38、成正比。这些实验事实都证实了离子晶体的导电性与离子中的离子空位有关。其验事实都证实了离子晶体的导电性与离子中的离子空位有关。其导电现象是由离子中的带电中心在外电场作用下运动产生的。导电现象是由离子中的带电中心在外电场作用下运动产生的。37本讲稿第三十七页，共一百七十八页 从能带理论也可以理解离子晶体的导电性：从能带理论也可以理解离子晶体的导电性：离子晶体中存在的带电中心可以是电子或空穴，离子晶体中存在的带电中心可以是电子或空穴，它的能级处于满带和空带的能隙中，且离空带的它的能级处于满带和空带的能隙中，且离空带的带底或满带的带顶较近，从而可以通过热激发向带底或满带的带顶较近，从而可以通过热激发向

39、空带提供电子或接受满带电子，使离子晶体表现空带提供电子或接受满带电子，使离子晶体表现出类似于半导体的导电特性。出类似于半导体的导电特性。38本讲稿第三十八页，共一百七十八页 2、非晶态（玻璃态）材料的导电机理、非晶态（玻璃态）材料的导电机理 玻璃在通常情况下是绝缘体。但是在高温下玻璃在通常情况下是绝缘体。但是在高温下玻璃的电阻率可能会大大降低，因此在高温下有玻璃的电阻率可能会大大降低，因此在高温下有些玻璃材料就成为了导体材料。些玻璃材料就成为了导体材料。玻璃的导电是由于某些离子在结构中的可动玻璃的导电是由于某些离子在结构中的可动性所导致，玻璃材料与离子晶体材料一样也是一性所导致，玻璃材料与离子

40、晶体材料一样也是一种电介质导体。例如，在钠玻璃中，钠离子在二种电介质导体。例如，在钠玻璃中，钠离子在二氧化硅网络中从一个间隙跳到另一个间隙，造成氧化硅网络中从一个间隙跳到另一个间隙，造成电流流动。这与离子晶体中离子空位的移动类似。电流流动。这与离子晶体中离子空位的移动类似。39本讲稿第三十九页，共一百七十八页 玻璃的组成对玻璃的电阻影响很大，影响方玻璃的组成对玻璃的电阻影响很大，影响方式也很复杂。例如，电阻率是硅酸盐玻璃的物理式也很复杂。例如，电阻率是硅酸盐玻璃的物理参数之一，它明显地随玻璃的组成而变化，玻璃参数之一，它明显地随玻璃的组成而变化，玻璃工艺师能够控制组成，使制成的玻璃电阻率在室工

41、艺师能够控制组成，使制成的玻璃电阻率在室温下处于温下处于10171015m范围内，但这一过程在范围内，但这一过程在很大程度上是依据经验或通过试探法来达到的。很大程度上是依据经验或通过试探法来达到的。目前，一些新型的半导体玻璃，室温电阻率目前，一些新型的半导体玻璃，室温电阻率在在102106m范围内，其中存在着电子导电，范围内，其中存在着电子导电，但这些玻璃不是以二氧化硅为基础的氧化物玻璃。但这些玻璃不是以二氧化硅为基础的氧化物玻璃。40本讲稿第四十页，共一百七十八页 5.3材料的导电性材料的导电性 5.3.1导电材料与电阻材料导电材料与电阻材料 1、导电材料、导电材料 导电材料是以传送电流为主

42、要目的的材料。导电材料是以传送电流为主要目的的材料。主要以电力工业用的电线、电缆为代表，在性能主要以电力工业用的电线、电缆为代表，在性能上要求具有高的电导率，高的力学性能，良好的上要求具有高的电导率，高的力学性能，良好的抗腐蚀性能，良好的工艺性能以及价格便宜等。抗腐蚀性能，良好的工艺性能以及价格便宜等。导电性能好的纯金属有导电性能好的纯金属有Ag、Cu、Au、Al等。等。41本讲稿第四十一页，共一百七十八页 1）银及其合金）银及其合金 在所有金属中，银具有最好的导电性、导热在所有金属中，银具有最好的导电性、导热性，并有良好的延展性。一般应用于电子工业作性，并有良好的延展性。一般应用于电子工业作

43、为接点材料。为接点材料。银合金主要指：银银合金主要指：银氧化镉、银氧化镉、银氧化铜、氧化铜、银银氧化锌、银氧化锌、银铜、银铜、银铁等。许多继电器的铁等。许多继电器的接点用银合金，主要是因为银合金的化学稳定性接点用银合金，主要是因为银合金的化学稳定性远高于纯银，熔点也比纯银高得多。接点在动作远高于纯银，熔点也比纯银高得多。接点在动作时，产生的电火花会烧蚀接点，银合金接点的寿时，产生的电火花会烧蚀接点，银合金接点的寿命要远高于银接点，特别在工作电流较大时。命要远高于银接点，特别在工作电流较大时。42本讲稿第四十二页，共一百七十八页 2）铜及其合金）铜及其合金 铜是电力和电子工业中应用最广的导电材料

44、之一，其导铜是电力和电子工业中应用最广的导电材料之一，其导电性比金、铝好，比银差。铜作为导电材料大都是电解铜，电性比金、铝好，比银差。铜作为导电材料大都是电解铜，其其Cu含量为含量为99.97%99.98%，含有少量金属杂质和氧。铜中，含有少量金属杂质和氧。铜中杂质使电导率降低，冷加工也导致导电率下降。而铜中含有的杂质使电导率降低，冷加工也导致导电率下降。而铜中含有的氧使产品性能大大降低。因此，可在保护气氛下重熔出无氧铜，氧使产品性能大大降低。因此，可在保护气氛下重熔出无氧铜，其性能稳定，抗腐蚀，延展性好，可拉制成很细的丝，适于做其性能稳定，抗腐蚀，延展性好，可拉制成很细的丝，适于做海底同轴电

45、缆的外部软线。海底同轴电缆的外部软线。在力学性能要求高的情况下可使用铜合金，如铍青铜可用作在力学性能要求高的情况下可使用铜合金，如铍青铜可用作导电弹簧、电刷、插头等。导电弹簧、电刷、插头等。43本讲稿第四十三页，共一百七十八页 3）金及其合金 在集成电路中常用金膜或金的合金膜，金具有很好的导电性，极强的抗腐蚀能力，但价格较贵。金及其合金也可作电接点材料。44本讲稿第四十四页，共一百七十八页 4）铝及其合金）铝及其合金 铝的导电性仅次于银、铜和金，居第四位。铝的导电性仅次于银、铜和金，居第四位。但其质量只有铜的但其质量只有铜的30%，并且在地壳内的资源也，并且在地壳内的资源也极其丰富，价格便宜，

46、所以应用最广。杂质会使极其丰富，价格便宜，所以应用最广。杂质会使铝的电导率下降，但冷加工对电导率影响不大。铝的电导率下降，但冷加工对电导率影响不大。铝的缺点是强度低，可焊性差。如果需要提高强铝的缺点是强度低，可焊性差。如果需要提高强度，可使用铝合金，例如度，可使用铝合金，例如Al-Si-Mg三元铝合金既三元铝合金既有高强度，又有好的电导率。有高强度，又有好的电导率。45本讲稿第四十五页，共一百七十八页 2、电阻材料、电阻材料 由于电子线路设计需要，使用电阻材料给电路提供一由于电子线路设计需要，使用电阻材料给电路提供一定的电阻。电阻材料包括精密电阻材料和电阻敏感材料。定的电阻。电阻材料包括精密电

47、阻材料和电阻敏感材料。精密电阻材料要求具有恒定的高电阻率，电阻率随温精密电阻材料要求具有恒定的高电阻率，电阻率随温度的变化小，即电阻温度系数小，并且电阻随时间的变化度的变化小，即电阻温度系数小，并且电阻随时间的变化小。因此常用作标准电阻器，在仪器仪表及控制系统中有小。因此常用作标准电阻器，在仪器仪表及控制系统中有广泛的应用。精密电阻材料以铜镍合金为代表，如康铜广泛的应用。精密电阻材料以铜镍合金为代表，如康铜（Cu-40%Ni-1.5%Mn），其电阻率随着成分的变化而变化，），其电阻率随着成分的变化而变化，在含镍在含镍40Wt%左右具有最大的电阻率、最小的温度系数和最左右具有最大的电阻率、最小的

48、温度系数和最大的热电势。大的热电势。46本讲稿第四十六页，共一百七十八页 电阻敏感材料是指制作通过电阻变化来获取系统中所电阻敏感材料是指制作通过电阻变化来获取系统中所需信息的元器件材料，如应变电阻、热敏电阻、光敏电阻、需信息的元器件材料，如应变电阻、热敏电阻、光敏电阻、气敏电阻等。气敏电阻等。作为电热合金的电阻材料不能使用铜镍合金，因为电热作为电热合金的电阻材料不能使用铜镍合金，因为电热合金的使用温度非常高，一般在合金的使用温度非常高，一般在9001350，此时需要，此时需要采用镍铬合金和铁铬铝合金作电阻材料。当使用温度更高时，采用镍铬合金和铁铬铝合金作电阻材料。当使用温度更高时，一般的电热合

49、金会发生熔化或氧化，此时需要使用陶瓷电热材一般的电热合金会发生熔化或氧化，此时需要使用陶瓷电热材料。常见的陶瓷电热材料有碳化硅（料。常见的陶瓷电热材料有碳化硅（SiC）、二硅化钼）、二硅化钼（MoSi2）、铬酸镧（）、铬酸镧（LaCrO3）和二氧化锡（）和二氧化锡（SnO2）等。）等。47本讲稿第四十七页，共一百七十八页 5.3.2其他材料的导电性能其他材料的导电性能 大多数的陶瓷和高分子材料的导电性都很低，大多数的陶瓷和高分子材料的导电性都很低，但有些特殊的材料却具有较好的导电性。但有些特殊的材料却具有较好的导电性。离子材料的导电需要通过离子的迁移来实现，离子材料的导电需要通过离子的迁移来实

50、现，因为这类材料的禁带宽度较大，电子难以跃迁到因为这类材料的禁带宽度较大，电子难以跃迁到导带。所以大多数离子材料都是绝缘体。如果在导带。所以大多数离子材料都是绝缘体。如果在材料中引入杂质或空位，能够促进离子的扩散，材料中引入杂质或空位，能够促进离子的扩散，从而改善材料的导电性。当然高温也能促进离子从而改善材料的导电性。当然高温也能促进离子扩散，达到改善导电性的目的扩散，达到改善导电性的目的 48本讲稿第四十八页，共一百七十八页 高分子材料中的电子都是共价键结合的，所高分子材料中的电子都是共价键结合的，所以高分子材料的禁带宽度都非常大，电导率也非以高分子材料的禁带宽度都非常大，电导率也非常低，因