材料电学性能材料科学基础教学提纲.ppt

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1、材料电学性能材料科学基础各种材料在室温的电导率金属和合金σ(Ω-1.m-1)非金属σ(Ω-1.m-1)银铜，工业纯金铝,工业纯Al-1.2%,Mn合金钠钨，工业纯黄铜（70%Cu-30%Zn镍,工业纯纯铁,工业纯钛,工业纯TiC不锈钢，301型镍铬合金(80%Ni-20%Cr）6.3*1075.85*1074.25*1073.45*1072.96*1072.1*1071.77*1071.66*1071.46*1071.03*1070.24*1070.17*1070.14*1070.093*107石墨SiC锗，纯硅，纯苯酚甲醛（电木

2、）窗玻璃氧化铝（Al2O3）云母甲基丙烯酸甲酯氧化铍（BeO）聚乙烯聚苯乙烯金刚石石英玻璃聚四氟乙烯105(平均)102.24.3*10-410-7-10-11<10-1010-10-10-1210-11-10-15〈10-1210-12-10-15〈10-14〈10-14〈10-14〈10-16〈10-16（３）决定电导率的基本参数parameters电导率与两个基本参数相关，即载流子密度和载流子迁移率载流子chargecarrier——电子、空穴、正离子、负离子载流子数chargecarrierdensity----n,个/m

3、3载流子迁移率electronmobility(其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度)即：μ=ν/E单位为m2/(v.s)电流密度（单位时间（1s）通过单位截面积的电荷量）J＝nqvn：单位体积内的载流子数；q：每一载流子的荷电量；v：每一载流子在Ｅ方向发生漂移的平均速度（m/s）电导率σ=J/E=nqv／E=nqμ更一般的表达式为：qi是第i种载流子的荷电量，负电子、正空穴、正负离子都可以是诱导电流的载流子。该式反映电导率σ的微观本质，即宏观电导率σ与微观载流子的浓度n，每一种载流子的电荷量q以及每种载流子的迁移率μ的关系。

4、4-3-2材料的结构与导电性StructuresandConductivity1、材料的电子结构与导电性能带理论重迭分离外层电子能级N个原子N个能级固体理论指出:（1）在无外场作用时,无论绝缘体、半导体或导体都无电流；（2）在外场作用下，不满带导电而满带不导电。由此可得出一个区别导体和绝缘体的原则，即固体中虽然有很多电子，但是如果一个固体中的电子恰好充填某一能带及其下面的一系列能带，并且在此之上相隔一个较宽禁带的其他能带都是空的，那么它就是绝缘体，相反，如果电子未能填满最高的能带，或者能带之间有重叠，结果就会形成导体。导体（半满带

5、）导体（满带与空带有重叠）绝缘体半导体（1）导体conductor碱金属锂、钠、钾钠（1S22S22P63S1）：它是属于不满带的情况，故为导体，其中每个原子都有一个s价电子，众多原子聚合成固体后，s能级将分裂成很宽的s能带，而且是半充满的。碱土金属铍、镁、钙镁（1S22S22P63S2）：虽然每个原子的３s能带是满的，但它不是绝缘体而是导体，因为它们的３s能带与较高的能带3P有交叠的现象，故能导电。但是重叠程度有差异，例如钙的上、下两个能带重叠的部分很小，因而是不良导体。贵金属铜、银、金铜（1S22S22P63S23P63d10

6、4S1）：它们都有一个s态价电子，因d层填满，原子恰如钢球，不易压缩，贵金属等的价电子数是奇数，本身的能带也没有填满，故为良导体。过渡金属铁、镍、钴铁（3S23P63d74S2）：具有未满的d层，过渡金属的d层能夺取较高的s带中的电子而使能量降低，即d层和s层往往会产生能级交叉现象，故有导电性。（2）绝缘体insulator绝缘体的能带结构具有下列特征：在满带与导带之间存在一个较大的禁带，约大于6.408×10-19J，禁带宽度依物质不同而异，禁带越宽，绝缘性越好。无机绝缘体对温度的稳定性较好，有机绝缘体随温度升高会发生热解，在多

7、数情况下因游离出碳而使绝缘体变性。（3）半导体Semiconductors本征半导体Intrinsicsemiconductors半导体的禁带宽度较小，约在１.６０２×１０－１９Ｊ附近。例如室温下硅为１.７９４×１０－１９Ｊ，故在室温由晶体中原子的振动就可使少量电子受到热激发，从满带跃迁到导带，即在导带底部附近存在少量电子，从而在外电场下显示出一定导电性。半导体在一般条件下就具有一定的导电能力，这是与绝缘体的主要区别。实际上，半导体在外电场下显示出的传导性能，不仅与激发到导带中的电子有关，还与满带的空穴有关。半导体的一个电子从价带

8、激发到导带上，便产生两个载流子，即形成空穴－电子对，这是与金属导电的最大区别。载流子：自由电子，负电荷空穴，hole，正电荷carrier杂质半导体extrinsicsemiconductorn型半导体n-TYPEEXTRINSICSEMICOND