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1、材料的导电性质 电子类型载流子导电行为：金属、合金 离子导电简介 半导体材料的导电性质主要参考资料1 黄昆 原著固体物理学 高等教育出版社 19882 方俊鑫、陆栋主编固体物理学 (上) 上海科学技术出版社 19803 田莳 主编材料物理性能北京航空航天大学出版社 20044 复旦大学，车静光固体物理课件5 郑州大学，蔡彬材料物理性能课件电的重要性电力是现代工业的主要动力，在各行各业中都得到了广泛的应用。电力系统是发电厂、输电线、变电所及用电设备的总称。发电是将水力、火力、风力、核 能和沼气等非电能转换成电能的过程。发电机组发出的电压一般为 610kV。电力系统由发电、输电和配电系统组成。输电
2、就是将电能输送到用电地区 或直接输送到大型用电户。输电网是由 35kV 及以上的输电线路与其相连接的变电所组成，它是电力系统的主要网络。输电是联系发电厂和用户的中间环节。输电过程中，一般将 发电机组发出的 610kV 电压经升压变压器变为 35500kV 高压 ，通过输电线可远距离将电能传送到各用户，再利用降压变压器将 35kV高压 变为 610kV 高压。配电是由 10kV 级以下的配电线路和配电( 降压 )变压器所组成。它的作用是将电能降为 380/220V 低压再分配到各个用户。电力系统的示意图电力系统的示意图水力发电厂220kV地区枢纽所10kV升压变电所至用户配电所10kV10kV升
3、压变电所220kV220kV220kV输电线路220kV35kV35kV负荷变电所35kV火力发电厂10kV为保证供电的可靠性和安全连续性，电力系统将各地区、各种类型的发电机变压器、输电线、配电和用电设备等连成一个环形整体。 发电机把天然存在的各种形式的能转化为电能 为了合理利用这些能源，发电站要修建在靠近这些天然资源的地方 存在远距离输电的问题 从能量的角度看，远距离输电要考虑焦耳热造成的能量损失远距离输电超导技术在远距离输电中的应用前景1998年7 月，我国第一根 Bi 系高温超导材料制成的输电电缆在北京研制成功，并进行首次通电实验，无阻电流达到 1200A。用高温超导材料加工成的细带状电
4、缆，其载流能力是家用铜丝的1200倍。两种减小输电损耗的方案减小 R 减小 I怎样实现 怎样实现特点 特点可行性 可行性由于 Q = I2Rt。 I 减少为原来的 n 分之一 ，Q 就减少为原来的 n2 分之一 。由于 R = L/S，距离一定即 L 一定，选择电阻率 小（铜、铝）、截面积 S 大的导线。耗材多输电线太重，架线困难不适用于 远距离输电可适用于 短距离输电减少的能量损失 很有限由于 P = UI，保证输出功率 P 不变，通过提高电压即采取 高压输电 。可适用于远距离输电1 电导的基本特性欧姆定律 I = V / R微分形式 J =E电阻 R = L/ S电导率 = 1 / 载流子
5、：电荷的载体载流子种类：电子，空穴（金属导体） 质量轻、速度快、电荷的迁移、无物质转移。正、负离子（无机材料） 质量大、迁移速度慢、伴有质量的迁移。质子（有机、生物材料）电流：电荷在电场作用下作定向迁移的运动，是电荷的输运过程导体： 108s/m半导体： 10-610 s/m绝缘体： 10-18 10-6s/m阿诺 索末菲（ Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld）德国著名物理学家；量子力学与原子物理学的开山始祖之一。数学博士；1893年起在格丁根大学任教；1897年，成为克劳斯塔尔工业大学的数学教授；1900年，被委任为亚琛工业大学应用力学系的特别教授；1906
6、年，索末菲荣膺慕尼黑大学新成立的理论物理学院的主任。(1868.12.51951.4.26)主要科学成就：对于理论物理的贡献十分巨大，索末菲在数学方面做了许多重要的贡献，给予狭义相对论更踏实的数学基础；发现了精细结构常数，是电磁相互作用中电荷之间耦合强度的无量纲度量。一生得过无数的荣誉，像马克斯 普朗克奖章，洛仑兹奖章 (Lorentz Medal) ，奥斯特奖章 (Oersted Medal)。他唯一没有得到的是诺贝尔奖，但他曾经被提名 81 次之多，多过任何其它物理学家。索末菲的博士学生，维尔纳 海森堡与沃尔夫冈 泡利，后来都因为在理论量子力学领域的贡献，分别获得了诺贝尔奖。恩里科 费米（
7、 Enrico Fermi ）美籍意大利裔物理学家；量子力学和量子场论的创立者之一1922年在比萨大学获得物理学博士；1927年，成为罗马大学的理论物理学教授；1938年，任哥伦比亚大学教授；1942年，任芝加哥大学物理学教授；1938年，由于在人工放射性和慢中子方面的工作，被授予了诺贝尔物理学奖(1901.9.291954.11.28)主要科学成就：被称为现代物理学的最后一位通才，对理论物理学和实验物理学均做出了重大贡献。他是量子力学和量子场论的创立者之 一。首创了弱相互作用（衰变）的费米理论，负责设计建造了世界首座自持续链式裂变核反应堆。他还是曼哈顿计划的主要领导者。以他的名字命名 的有费
8、米黄金定则、费米 -狄拉克统计、费米子、费米面、费米液体及费米常数等等。他的学生中有六位获得过诺贝尔物理学奖。为纪念这位物理学家，费米国家实验室和芝加哥大学的费米研究所都以他的名字命名。费利克斯 布洛赫 (Felix Bloch)瑞士著名物理学家；1905年 10月23 日出生于瑞士的苏黎世；上完中学后，进入苏黎世的联邦工业大学；通过薛定谔、德拜等教授的课程，他逐渐熟悉了量子力学 ；后来到德国莱比锡大学跟海森伯继续研究；1928年获得博士学位；1934年起在斯坦福大学任教，后加入美国籍。1952年，因发展了核磁精密测量的新方法以及一些有关的发现，与珀塞尔分享了诺贝尔物理学奖(1905.10.2
9、31983.9.10)主要科学成就：对近代物理（特别是固体物理）的贡献十分巨大，他年仅 23岁时所发表的学位论文金属的传导理论，已提供了金属与绝缘体结构的近代图象，成为当代许多半导体器件的理论基础。他的独创性与多样性的固体物理的研究工作，使得他的名字至少与五个定律或概念联系在一起，那就是： 布洛赫波函数、布洛赫自旋波、布洛赫壁，布洛赫方程、布洛赫 T3/2定律等 。2 电子的导电适用对象：金属或半导体经典自由电子理论：m: 电子质量 n: 电子密度 e: 电子电荷 l: 平均自由程 v: 平均速度FFFvmlen*2=量子自由电子理论：只有 Fermi 面附近能级上的电子才对导电做出贡献。vm
10、lne2=EF=5eV， m* 910-31 kg， vF (2Ef/m)1/2 1.3106 m/s。由于随温度升高， EF缓慢降低，几乎不变，故可近似为一常数。已知地球半周长 L 3.146300kmt = L/ vF 12s 电子从地球一端跑到另一端的时间一、金属导电机制根据 Bloch 的能带理论，在绝对零度，电子波包通过一个理想晶体点阵时，不会被散射，因而电阻应为零。这与实际情况不符。实验现象：电阻率随温度变化；极低温下也有电阻（剩余电阻）电阻起因： 实际晶体总是不完整的：杂质、缺陷、表面，以及晶体中原子的热运动，会偏离周期性势场。 周期性势场的相干性被破坏，电子受散射，产生电阻。金
11、属的电阻机制电子声子相互作用图像 只考虑电子 声子相互作用，电子面对的不是静止晶格，电阻产生根源就是声子与电子的相互作用的散射机制 电子散射：电子从外场中吸收能量，受声子散射 与声子（晶格）交换能量 与晶格相互作用，激发晶格振动 声子；电子通过这种形式，将能量传递给声子；当然也可以反过来， 电子从晶格中吸收能量。主要是通过改变动量，达到平衡时，形成稳定电流。处理问题的思路 如何考虑散射导致的电阻？ 在外场作用下，电子的状态会发生变化，非平衡；电子受声子的散射、碰撞，恢复平衡，这是一种非平衡过程，如何处理？ 可以把输运过程归结为对电子分布函数的影响考虑受晶格散射后电子分布函数的变化；分布函数随时
12、间的变化满足 Boltzmann 方程；Boltzmann 方程中碰撞项太复杂，采用弛豫时间近似。 如何描写晶格散射与弛豫时间的关系？关键：绝热近似加微扰，而微扰与温度有关，可得弛豫时间与温 度的关系，从而得到电阻与温度的关系。 外场的作用仍用半经典处理。二、 Boltzmann 方程分布函数 f ：t 时刻，在第 n 能带中，在 (r,k) 相空间附近单位体积内电子数。热平衡状态下，体系均匀，分布与 r 无关，电子系统的分布是Fermi 分布电子在电场作用下产生漂移，偏离平衡态。电子受到无规散射，即碰撞使电子失去外电场中获得的定向运动，重新建立新的平衡。这是不可逆的。碰撞产生两种效应： 能量
13、耗散 系统趋于平衡Boltzmann 方程解该方程的困难在于碰撞项。弛豫时间近似：考虑偏离平衡不远时，分布的时 间变化率与偏离的程度和单位时间里碰撞的次数，或弛豫时间有关。恢复平衡所需要的时间， 。散射矩阵 k,k是单位时间内，由于碰撞，电子从 k 态散射到 k 态的几率。 为散射角。三、金属电导率形式上同经典公式相同，但用有效质量和弛豫时间的概念。电导（阻）率的温度依赖关系主要取决于电子声子散射过程，可以得到：低温下 T5高温下 T经验公式（ Bloch-Grueneisen 公式）：=TxxDDeedxxMATT/0565)1)(1()(*)(2mEneF =注意：金属材料在极低温下，电子
14、声 子散射作用可忽略时，如果电子电子散射起主导作用时，低温下 T2（ Landau 的 Fermi 液体理论）1, T (2/3)D：电声作用， T2, T 2104 += )(0TMatthiessen 定则的修正 为 Matthiessen 定则的偏离，与温度和溶质浓度有关。通常随着浓度增加，偏离越严重。2)( Zba +=Norbury-Lide 定则：过渡族金属除外，固溶体电阻率 与溶剂和溶质金属的价数有关，二者差别（ DZ）越大，增加的电阻率越大。如果二元合金形成连续的固溶体，即完全无序的成份连续可变的固溶体，电阻率可写成库尔纳科夫：在连续固溶体中合金成分距组元越远，电阻率越高，对二
15、元合金，最大电阻率在 50原子浓度附近。但实验也有反常情况。+=)1()(00xxT 高浓度固溶体的电阻x 为组份一方面：当固溶体有序后，其合金组元化学作用加强，电子结合更强，从而使导电电子数减少，剩余电阻率增加。另一方面：晶体离子势场在有序化时 更加对称有序，从而降低电子散射几率，减小合金剩余电阻率。通常该因素占主要作用。因此，合金有序化时电阻率降低。 有序合金的电阻=22)(1)1( cqccA斯米尔诺夫：根据合金成分及远程有 序度，计算了有序合金的剩余电阻率，并假设 0K 时无电阻，只有原子有序排列被破坏时才有电阻，得到 0K 时的剩余电阻率c：第一组元的相对原子浓度， 第一类结点（第一组元占据的）相对浓度，q 第一类结点被相应原子占据的可能性， A 为与组元性质相关的参数， 长程有序度。Thomas首先发现，并称此组织状态为 K状态。起因 固溶体不均匀组织 ： “相内分解” 导致了不均匀组织，不形成固定的相，但会发生聚集（1000 个原子）。聚集尺寸与电子自由程相当，增加散射几率，提高合金电阻率。冷加工将破坏这种不均匀组织并得到普通无序的固溶体 ，导致合金电阻率随冷加工工作量而降低。在含过渡族金属的
