材料的电学性能.ppt

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1、4材料的电导性能主要内容电导的物理现象离子电导电子电导金属材料的电导固体材料的电导半导体陶瓷的物理效应超导体电导率和电阻率对一截均匀导电体，存在如下关系：欧姆定律欧姆定律微分形式4.1电导的物理现象4.1.1电导率和电阻率AreaLengthiρ-电阻率σ-电导率微分式说明导体中某点的电流密度正比于该点有电场,比例系数为电导率σ电场强度E－伏特/厘米;电阻密度J－安培/厘米2;电阻ρ－欧姆.厘米;电导率σ－欧姆-1.厘米-1电流是电荷在空间的定向运动。任何一种物质，只要存在带电荷的自由粒子——载流

2、子，就可以在电场下产生导电电流。金属中：自由电子无机材料中：电子（负电子/空穴）——电子电导离子（正、负离子/空穴）——离子电导4.1.2电导的物理特性(1)载流子电子电导的特征是具有霍尔效应。沿试样x轴方向通入电流I(电流密度Jx),z轴方向上加一磁场Hz,那么在y轴方向上将产生一电场Ey,这种现象称霍尔效应。①霍尔效应图4-1霍尔效应示意图Ey产生的电场强度,霍尔系数（又称霍尔常数）RH霍尔效应的起源：源于磁场中运动电荷所产生的洛仑兹力，导致载流子在磁场中产生洛仑兹偏转。该力所作用的方向即与电

3、荷运动的方向垂直，也与磁场方向垂直。霍尔系数RH=μ*ρ，即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率ρ与电子迁移率μ的乘积。霍尔系数RH有如下表达式：对于半导体材料：n型：p型：离子电导的特征是具有电解效应。利用电解效应可以检验材料是否存在离子导电可以判定载流子是正离子还是负离子②电解效应法拉第电解定律：电解物质与通过的电量成正比关系：(2)迁移率和电导率的一般表达式物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。4.2离子电导参与电导的载流子为离子，有离子或空位。它又可分为两类。本征电导：源于晶

4、体点阵的基本离子的运动。离子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷。从而导致载流子，即离子、空位等的产生，这尤其是在高温下十分显著。杂质电导：由固定较弱的离子（杂质）的运动造成，由于杂质离子是弱联系离子，故在较低温度下其电导也表现得很显著。固有电导(本征电导)中，载流子由晶体本身的热缺陷提供。晶体的热缺陷主要有两类：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。Frenker缺陷指正常格点的原子由于热运动进入晶格间隙，而在晶体内正常格点留下空位。空位和间隙离子成对产生。弗仑克尔缺陷：(弗仑克尔缺陷中填隙离子和空位的浓度是相

5、等的)Ef－形成弗仑克尔缺陷所需能量4.2.1载流子浓度(1)本征电导的载流子浓度而肖特基缺陷中：Es－离解一个阳离子和一个阴离子到达到表面所需能量。低温下：KT

6、数，而且使点阵发生畸变，使得离子离解能变小。在低温下，离子晶体的电导主要是杂质电导。如在Al2O3晶体中掺入MgO或TiO2杂质很显然，杂质含量相同时，杂质不同产生的载流子浓度不同；而同样的杂质，含量不同，产生的载流子浓度不同。4.2.2离子迁移率离子电导的微观机构为载流子─离子的扩散。间隙离子处于间隙位置时，受周边离子的作用，处于一定的平衡位置(半稳定位置)。如要从一个间隙位置跃入相邻间隙位置，需克服高度为U0的势垒完成一次跃迁，又处于新的平衡位置上。这种扩散过程就构成了宏观的离子“迁移”。由于

7、U0相当大，远大于一般的电场能，即在一般的电场强度下，间隙离子单从电场中获得的能量不足以克服势垒进行跃迁，因而热运动能是间隙离子迁移所需能量的主要来源。间隙离子的势垒变化单位时间沿某一方向跃迁的次数离子迁移与势垒U0的关系;ν0－间隙原子在半稳定位置上振动频率无外加电场时，各方向迁移的次数都相同，宏观上无电荷的定向运动。故介质中无导电现象。加上电场后，由于电场力的作用，使得晶体中间隙离子的势垒不再对称。正离子顺电场方向，“迁移”容易，反电场方向“迁移”困难。单位时间内每一间隙离子沿电场方向的剩余跃

8、迁次数为：-载流子沿电场方向的迁移速度Vδ－相邻半稳定位置间的距离U－无外电场时的间隙离子的势垒（eＶ）故载流子沿电流方向的迁移率为：q－电荷数(C)k=0.86×10-4(eV/Ｋ)4.2.3离子电导率(1)离子电导率的一般表达方式σ=nqμ如果本征电导主要由肖特基缺陷引起，其本征电导率为：Ws－可认为是电导的活化能，它包括缺陷形成能和迁移能。电导率与之具有指数函数的关系。本征离子电导率一般表达式为：若有杂质也可依照上式写出：N2－杂质离子的浓度一般N2<