材料性能与测试课件-第九章材料的电性能1PPT格式课件下载.ppt
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欧姆定律欧姆定律二、二、电阻概念电阻概念与材料的性质有关,还与材料与材料的性质有关,还与材料的长度及截面积有关的长度及截面积有关三、三、电阻率和电导率电阻率和电导率互为倒数,前者单位欧互为倒数,前者单位欧米米(m),m),电导率单位西电导率单位西/米米(S/m)(S/m)只与材料本性有关,而与导体的几何尺寸无关只与材料本性有关,而与导体的几何尺寸无关是评定导电性的是评定导电性的基本参数基本参数。
9.1材料的导电性能9.1.1材料的导电性能指标材料的导电性能指标4四、四、相对电导率相对电导率把国际标准软纯铜把国际标准软纯铜(在在2020的电阻率的电阻率=0.01724=0.01724mm,电导率,电导率=5810=581066S/m)S/m)的电导率作的电导率作为为100100,其它导电材料与该数之比的百分数;
例如,其它导电材料与该数之比的百分数;
例如,FeFe的的IACSIACS为为1717,AlAl为为6565,AgAg为为115115;
五、导电性能分类五、导电性能分类按照导电性能高低把固态材料分为导体按照导电性能高低把固态材料分为导体(0.010.01m)m)、半导体、半导体(0.01(0.01mm10101010m)m)、绝缘、绝缘体体(10101010m)m);
5一、一、金属及半导体的导电机理金属及半导体的导电机理导电理论的发展经历了三个重要阶段:
导电理论的发展经历了三个重要阶段:
经典电子理经典电子理论论量子电子理论量子电子理论能带理论能带理论1、经典电子理论、经典电子理论离子构成了晶格点阵离子构成了晶格点阵,价电子是价电子是自由电子自由电子,遵循经典力学气体分子遵循经典力学气体分子的运动规律;
自由电子定向运动中,的运动规律;
自由电子定向运动中,不断与正离子发生碰撞,产生电阻;
不断与正离子发生碰撞,产生电阻;
金属的导电性取决于自由电子的数金属的导电性取决于自由电子的数量、平均自由程和平均运动速度;
量、平均自由程和平均运动速度;
9.1.2材料的导电机理材料的导电机理n电子密度;
e电子电量;
l平均自由程;
v电子运动平均速度;
m电子质量61)1)不能解释一价金属导电性比二、三价金属好;
不能解释一价金属导电性比二、三价金属好;
2)2)实践证明,高温实践证明,高温TT,低温低温TT55。
3)3)自由电子的比热,实验值比理论值小很多。
自由电子的比热,实验值比理论值小很多。
4)4)经典理论不能解释超导现象经典理论不能解释超导现象存在的缺陷存在的缺陷,可见理论与实际不符可见理论与实际不符经典电子论在一定程度上解释了金属导电的本质经典电子论在一定程度上解释了金属导电的本质用经典力学处理微观质点的运动,不能正确反映微用经典力学处理微观质点的运动,不能正确反映微观质点的运动规律观质点的运动规律72、量子自由电子理论、量子自由电子理论根本区别是自由电子的运动必须服从量子力学根本区别是自由电子的运动必须服从量子力学的规律。
电子是费米子,导电的只是费米能级的规律。
电子是费米子,导电的只是费米能级附近的电子,原子的内层电子保持着单个原子附近的电子,原子的内层电子保持着单个原子时的能量状态,价电子按量子化具有不同的能时的能量状态,价电子按量子化具有不同的能级电子具有波粒二象性运动为着的电子作为级电子具有波粒二象性运动为着的电子作为物质波,有关系式:
物质波,有关系式:
一价金属中自由电子的动能一价金属中自由电子的动能EK为波数频率,表征自由电子可能具有的为波数频率,表征自由电子可能具有的能量状态参数能量状态参数从粒子的观点看,曲线表示自由电子的能从粒子的观点看,曲线表示自由电子的能量与速度量与速度(或动量或动量)之间的关系;
从波动的观点之间的关系;
从波动的观点看,曲线表示电子的能量和波数之间的关系;
看,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;
没有加外加电场时自由电子沿正、反方向运没有加外加电场时自由电子沿正、反方向运动着电子数量相同,没有电流产生;
动着电子数量相同,没有电流产生;
图图9-1自由电子的自由电子的EK曲线曲线8v在0K以上只有少数能量接近费米能的自由电子才可能跃迁到较高的能级中去。
在室温下大约只有1%的自由电子才能实现这个跃迁。
这就成功地解释了自由电子对比热容的贡献为何只是经典电子理论计算出来的百分之一。
v不是所有的自由电子都能参与导电,在外电场的作用下,只有能量接近费密能的少部分电子,方有可能被激发到空能级上去而参与导电。
这种真正参加导电的自由电子数被称为有效电子数。
9在外加电场的作用下,使正在外加电场的作用下,使正反向运动的电子数不等,使金属反向运动的电子数不等,使金属导电,只有处于较高能态的自由导电,只有处于较高能态的自由电子参与导电;
电子参与导电;
缺陷和杂质产生的静态点阵缺陷和杂质产生的静态点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸畸变和热振动引起的动态点阵畸变,对电磁波造成散射,形成电变,对电磁波造成散射,形成电阻;
阻;
nef单位体积内实际参加传导的电子数;
单位体积内实际参加传导的电子数;
电子电量;
平均自由程;
电子运动平均速度;
m*电子有效质量电子有效质量散射系数散射系数缺陷:
假设离子势场均匀,不符合实际图图9-2电场对电场对EK曲曲线的影响线的影响1033、能带理论、能带理论F量子自由电子模型与实际情量子自由电子模型与实际情况有差别,例如:
况有差别,例如:
MgMg是二价金是二价金属,导电性比一价铜差;
另外,属,导电性比一价铜差;
另外,量子力学认为电子有隧道效应,量子力学认为电子有隧道效应,一切价电子都可以位移,为什一切价电子都可以位移,为什么固体的导电性差别巨大?
能么固体的导电性差别巨大?
能带理论解决;
带理论解决;
价电子是公有化、能量量子价电子是公有化、能量量子化,和量子自由电子理论一致;
化,和量子自由电子理论一致;
金属中由离子所造成的势场不是均匀的,这个势能不是常数,金属中由离子所造成的势场不是均匀的,这个势能不是常数,是位置的函数,采用单电子近似求解薛定锷方程,得出电子在晶体是位置的函数,采用单电子近似求解薛定锷方程,得出电子在晶体中的能量状态,将在能级的准连续谱上出现能隙,分为中的能量状态,将在能级的准连续谱上出现能隙,分为禁带和允带禁带和允带;
价电子在金属中的运动要受到周期场的作用价电子在金属中的运动要受到周期场的作用;
能带发生分裂,即有能带发生分裂,即有某些能态是电子不能取值的某些能态是电子不能取值的;
图图9-3周期场中电子运动的对周期场中电子运动的对EK曲线及能带曲线及能带11能带结构能带结构:
允带和禁带交替,允带中每个能级只能允许有允带和禁带交替,允带中每个能级只能允许有两个自旋相反的电子存在;
满带电子不导电;
两个自旋相反的电子存在;
空能级空能级:
允带中未被填满电子的能级,空能级电子是自:
允带中未被填满电子的能级,空能级电子是自由的,参与导电,称为由的,参与导电,称为导带导带;
周期势场的变化幅度越大,禁带越宽周期势场的变化幅度越大,禁带越宽导体、绝缘体、半导体能带结构特点导体、绝缘体、半导体能带结构特点图图9-4能带填充情况示意图能带填充情况示意图12导体导体允带内的能级未被填满,允带之间没有禁带或允带允带内的能级未被填满,允带之间没有禁带或允带相互重叠相互重叠在外电场的作用下电子很容易从一个能级在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流转到另一个能级上去而产生电流绝缘体绝缘体一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带,由于满一个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余地,即使禁带上面的能带完带中的电子没有活动的余地,即使禁带上面的能带完全是空的,在外电场的作用下电子也很难跳过禁带,全是空的,在外电场的作用下电子也很难跳过禁带,即不能产生电流。
即不能产生电流。
半导体半导体半导体的能带结构与绝缘体相同,不同的是它的禁半导体的能带结构与绝缘体相同,不同的是它的禁带比较窄带比较窄半导体的能带在外界作用下,价带中的电子半导体的能带在外界作用下,价带中的电子就有能量可能跃迁到导带中去就有能量可能跃迁到导带中去13具有部分充填能带结构的晶体大都是导体;
具有部分充填能带结构的晶体大都是导体;
IA族碱族碱金属金属Li、Na、K、Rb、Se,IB族的族的Cu、Ag、Au,外层,外层s电子传导电子,每个原子只能给出一个价电子,价带只电子传导电子,每个原子只能给出一个价电子,价带只能填充半满。
能填充半满。
二价元素,如二价元素,如A族碱土族碱土Be、Mg、Ca、Sr、Ba,B族族Zn、Cd、Hg,每个原子给出两个价电子,能带填满,每个原子给出两个价电子,能带填满,应该是绝缘体,但是在三维晶体下,能带之间发生重叠,应该是绝缘体,但是在三维晶体下,能带之间发生重叠,费米能级以上不存在禁带,因此也是金属;
费米能级以上不存在禁带,因此也是金属;
三价元素三价元素Al、Ga、In、Tl每个单胞含一个原子,给每个单胞含一个原子,给出三个价电子,填满一个带和一个半满带,也是金属;
出三个价电子,填满一个带和一个半满带,也是金属;
As、Sb、Bi每个原子外围有每个原子外围有5个电子,原胞是个电子,原胞是2个原子,个原子,5个带填个带填10个电子全满,带中电子少,半金属,传导电子个电子全满,带中电子少,半金属,传导电子浓度只有浓度只有1024/m3,比金属少,比金属少4个数量级。
个数量级。
14四价元素比较特殊,导带是空的,价带完全填满,四价元素比较特殊,导带是空的,价带完全填满,中间有能隙中间有能隙Eg较小,较小,Ge、Si分别为分别为0.67eV和和1.14eV。
室。
室温下,价带电子受热激发进入导带,成为传导电子,温温下,价带电子受热激发进入导带,成为传导电子,温度增加,导电性增加,因此低温下是绝缘体,室温下半度增加,导电性增加,因此低温下是绝缘体,室温下半导体。
导体。
离子晶体一般为绝缘体。
例如离子晶体一般为绝缘体。
例如NaCl晶体中晶体中Na的的3s电子移到电子移到Cl中,中,3s轨道空,轨道空,Cl的的3p轨道满带,中间有轨道满带,中间有10eV的能隙,若激发不能使电子进入导带;
的能隙,若激发不能使电子进入导带;
(一般情况下一般情况下绝缘体绝缘体Eg3eV)15金属非金属使用时间和人类文明同步,半导体应用金属非金属使用时间和人类文明同步,半导体应用是是2020世纪世纪5050年代开始,信息时代年代开始,信息时代本征半导体本征半导体:
纯的半导体:
纯的半导体杂质半导体杂质半导体:
引入杂质后的半导体,:
引入杂质后的半导体,nn、pp型型本征半导体的电子本征半导体的电子空穴对是由热激活产生的空穴对是由热激活产生的杂质对半导
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- 材料 性能 测试 课件 第九