材料的电学性能ppt课件.pptx

《材料的电学性能ppt课件.pptx》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第6章材料的电学性能(Electricalpropertiesofmaterials)1引言在许多情况下，材料的导电性能比力学性能还重要。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材料的导电性能为基础的。234使用双引号举例：长距离传输电力的金属导线应该具有很高的导电性，以减少由于电线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，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的要求更高，以追求尽可能高的太阳能利用效率。5电学性能包含：导电性能、超导性、介电性、热电性、接触电性、磁电性、光电性。本章主要

2、讨论材料产生电学性能的机理，影响材料电学性能的因素，测量材料各类电学性能参数的方法以及不同电学性能材料的应用等。本章提要66.1金属导体的导电性(Electricalconductivityofmetalconductors)7一、导电的宏观参数长L，横截面S的均匀导电体，两端加电压U根据欧姆定律1.电导率和电阻率导电性（物理现象）8为材料的电阻率，电阻率倒数为电导率，即，上式可写为：J是电流密度，E是电场强度。J=E=E/J：通过导体的电流密度，即单位时间通过传导方向上的单位截面积的电量；E：导体所处的电场强度；：电阻率；：电导率，为电阻率

3、的倒数。意义：通过材料的电流密度与其所处的电场强度成正比，比例系数为电导率。工程中——相对电导率(IACS%)表征导体材料的导电性能。将国际标准软纯铜的电导率（20C下的电阻率=1.724×10-8m）定义为100%，其他导体材料的电导率与之相比的百分数即为该材料的相对电导率。例如Fe的相对电导率仅为17％。欧姆定律91、载流子（电荷的自由粒子）无机材料中的载流子可以是电子（负电子，空穴），离子（正、负离子，空位）。载流子为离子的电导为离子电导，载流子为电子的电导为电子电导。10二、电导的物理特性2、迁移率和电导率的一般表达式物体的导电现象，其

4、微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。设单位截面积为，在单位体积内载流子数为，每一载流子的电荷量为，则单位体积内参加导电的自由电荷为。11电导率为令（载流子的迁移率）。其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度。12电导率的一般表达式为上式反映电导率的微观本质，即宏观电导率与微观载流子的浓度n，每一种载流子的电荷量q以及每一种载流子的迁移率的关系。13导电性区分金属材料与非金属材料根源在于能带的差异！绝缘体、半导体、金属导体导电性的巨大差异14它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。固体按导电性能的高低可以分为导体半导体绝缘体15导体能带结构

5、Eg价带导带价带导带价带导带导带部分填满没有禁带导带价带重叠导体16在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。从能带图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。E导体17电子完全占满价带。导带是空的。满带与空带之间有一个较宽的禁带热能或外加电场，不足以使共有化电子从低能级（满带）跃迁到高能级导带上去。所以不能形成电流。绝缘体能带结构Eg价带导带绝缘体18半导体半导体能带结构Eg价带导带T=0K，电子完全占满价带。导带是空的。具有绝缘体的特征。禁带宽度很窄，当外界条件变化时（如光照、温度变化），价带中的电子跃

6、迁到导带上去，同时在价带中出现等量的空穴，在电场作用下电子和空穴都能参与导电。19材料导电性能差异的三要素材料的能带结构，每个带的宽窄满带和空带之间能隙的大小。价带被充满，或只是部分被充满20三种固体电子理论的比较经典自由电子论量子自由电子论能带理论统计玻耳兹曼费米－狄拉克费米－狄拉克力学经典力学，热力学量子力学量子力学势能—均匀势周期势边界—周期边界周期边界优点计算金属电导率、热导率解决前面模型的不足解决前面全部问题缺点不能准确预测电子平均自由程及比热不能解释导体、半导体、绝缘体应用已不使用金属固体固体、晶体216.1.1自由电子近似下的导电性(E

7、lectricalconductivityunderfree-electronapproximation)22经典自由电子理论——材料中的自由电子作无规则热运动。设电场强度为E，材料单位体积内的自由电子数为n，电子两次碰撞的平均自由时间（弛豫时间）为，电子的平均漂移速度为v，电子的电量为e，质量为m，则价电子受到的力电场存在时，电子受电场力作用作加速运动。电子与晶格原子碰撞时停止，即运动受到阻力。自由电子与晶格中的原子碰撞是电阻的来源。23所以有l=v为电子的平均自由程。电流密度所以电导率成功地推导出了导体的电导率，电子导电为主时，还可推出导体电

8、导率与热导率的关系。但实际测得的电子平均自由程比理论估计的大得多。24考虑量子效应，在自由电子近似下，仅费米