材料的电学性能ppt课件.ppt

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1、第十一章材料的电学性质主要内容：材料的导电性能半导体的电学性能绝缘体的电学性能影响金属导电性的因素电学性能主要是导电性能和介电性能1.材料的导电性1.1电阻率和电导率欧姆定律：V=RI电阻R和导体材料本身的性质有关，还与长度L及截面积有关即：电阻率ρ只与材料性质有关，与导体的几何尺寸无关，单位Ω.m电导率：σ=1/ρ根据电导率可把材料分为：导体：ρ<10-2Ω.m半导体：ρ在10-2～1010Ω.m绝缘体：ρ>1010Ω.m1.2导电机理1.2.1金属导电理论（1）经典自由电子理论假设：在金属晶体中，正离子构成晶体点阵，价电子是完全自由的，称为自由电子，弥散分布在整个

2、点阵中自由电子之间及它们和正离子之间的相互作用类似机械碰撞在没有外加电场时，自由电子沿各个方向运动的几率相同，不产生电流有外加电场时，自由电子沿电场方向定向运动，形成电流自由电子定向运动时，要和正离子碰撞，电子运动受阻，产生电阻1.2导电机理1.2.1金属导电理论电导率：l：平均自由程：电子运动的平均速度n：单位体积的自由电子数m：自由电子质量e：自由电子电荷：电子两次碰撞之间的平均时间1.2导电机理1.2.1金属导电理论（2）量子自由电子理论假设：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,可在整个金属中自由运动原子的内层电子保持着单个原子的能量状态；所有

3、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度或动量之间的关系为：或1.2导电机理1.2.1金属导电理论在一价金属中，自由电子的动能代入其中：波数频率－表征金属中自由电子可能具有的能量状态的参数＝常数1.2导电机理1.2.1金属导电理论E－K关系曲线为抛物线，“+”和“－”表示电子运动的方向从粒子的观点，E－K曲线表示自由电子的能量与速度（或动量）的关系从波动的观点，E－K曲线表示电子的能量和波数之间的关系，波数越大，能量越高0K时电子所具有的最高能态称为费米能（EF），同种金属费米能是一

4、定值，不同金属费米能不同自由电子的E-K曲线1.2导电机理1.2.1金属导电理论在外加电场的作用下外加电场使向着其正向运动的电子能量降低，反向运动的电子能量升高部分能量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，使金属导电电场对E-K曲线的影响1.2导电机理1.2.1金属导电理论从上分析可知：不是所有的自由电子都参与导电，而是只有处于较高能态的自由电子参与导电电磁波在传播过程中被离子点阵散射，相互干涉形成电阻对于绝对纯的理想晶体，0K时，电子波的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零（超导现象）实际金属：缺陷、杂质产生的静态点阵畸变和热振动引起动态点

5、阵畸变，对电磁波造成散射，这是金属产生电阻的原因1.2导电机理1.2.1金属导电理论由此导出电导率为nef：单位体积内参与导电的电子数，有效自由电子数t：两次散射之间的平均时间p：单位时间内散射的次数，散射几率（3）能带理论能级的分布可以看成是准连续的（称为能带）；金属中的价电子是公有化，能量是量子化金属中离子造成的势场是不均匀的，而是呈周期变化的电子在周期势场中运动时，随着位置的变化，它的能量也呈周期性的变化（接近正离子时势能降低，离开时势能增高）价电子在金属中的运动不能看成完全自由的，而是受到周期场的作用由于周期场的影响，使得价电子在金属中以不同能量状态分布的能带

6、发生分裂，即有某些能态电子是不能取值的，存在能隙1.2导电机理1.2.1金属导电理论禁带：能隙所对应的能带称为禁带。禁带的宽窄取决于周期势场的变化幅度，变化越大，禁带越宽允带：电子可以具有的能级所组成的能带称为允带。在允带中每个能级只允许有两个自旋反向的电子存在空能级：允带中未被填满电子的能级，具有空能级允带中的电子是自由的，在外加电场的作用下参与导电，所以这样的允带称为导带满带：一个允带所有的能级都被电子填满的能带周期场中电子运动的E-K曲线及能带1.2导电机理1.2.1金属导电理论能带填充情况示意图1.2导电机理1.2.1金属导电理论1.2导电机理1.2.2无机非

7、金属导电机理离子晶体中的电导主要为离子电导。晶体的离子电导主要有两类：第一类，固有离子电导（本征电导），源于晶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。（高温下显著）第二类，杂质电导，由结合力较弱的离子运动造成的。（较低温度下杂质电导显著）载流子浓度对于固有电导（本征电导），载流子由晶体本身热缺陷—弗仑克尔缺陷和肖脱基缺陷提供本征电导率式中：AS：材料的特性常数；取决于可迁移的离子数ES：离子激活能杂质引起的导电率当材料中存在多种电导载流子时，材料的总导电率是各种电导率的总和1.2导电机理1.2.2无机非金属导电机理热缺陷的浓度决