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1、第二章 材料的电学性能 导电性 晶体的能带 金属和合金的导电性 导电性的测量和应用 半导体的电学性能 绝缘体的电学性能 超导电性 热电性 压电性 磁电性导电性 电阻与材料性能和尺寸的关系 电阻率 电导率 电阻温度系数 导体（纯金属10-810-7m， 合金10-710-5m ） 半导体（10-3109m） 绝缘体（109m）元素周期表A族，碱金属，外壳层价电子数为1，其价电子在外 加电场作用下由价带跃迁到导带，形成电流。因此只 有那些电子未填满能带的材料才有导电性。A族，外壳层价电子数为1贵金属，d壳层填满、与原子核有强交互作用，使s壳层 电子与核作用大大减弱，其价电子在外加电场作用下进 入导
2、带，导电性极好。d壳层填满，与原子和有强交互作用，使s壳层电子 与核作用大大减弱，其价电子在外加电场作用下进 入导带，导电性极好。A族，外壳层价电子数为2。Mg的3p能带与3s能带重叠 ，3s上的电子可跃迁到3p能带上，也有较好的导电性。A族，外壳层价电子数为2A族，外壳层价电子数为3d壳层电子逐渐填满过渡金属。Fe原子形成晶体时4s能带 与3d能带重叠。由于价电子核内层电子有强的交互作用，铁 的导电性稍差。d壳层电子逐渐填满过渡金属金属的导电理论 经典电子理论 金属晶体为正离子电子 气 外加电场时，自由电子定 向迁移，形成电流。自由 电子与正离子机械碰撞产 生电阻Eev电子在自由程终点获得的
3、定向迁移速度平均速度电流密度电阻率表达式散射系数a加速度t两次碰撞时间间隔E电场强度m电子质量n单位体积自由电子数在量子理论中为n*，代表 单位体积内实际参加导电 的电子数e电子电荷v电子速度L电子平均自由程影响导电性的因素 温度升高，离子热振动加剧，原子 无序度加大，使电子散射几率加大 ，电阻率加大 冷加工使晶格畸变，使电子散射几 率加大，原子间距有所改变，电阻 率加大 压力通常使电阻率降低 热处理通过晶格畸变、点缺陷、 晶粒尺寸的变化影响电阻率D合金的导电性连续固溶体，最大电阻 率通常在50原子浓度 处。主要是异类原子引 起溶剂晶格畸变。溶质为过渡元素时，电 阻率增大更为显著。因 为溶剂的
4、部分价电子会 进入过渡元素未填满的d 或f电子层，减少了有效 电子数。用做电热合金 和电阻合金。马基申定律 低浓度下固溶体电阻 溶剂电阻（晶格热振 动，电子散射），与温度 有关，绝对零度时为零。 残余电阻（合金原子， 空位、间隙原子及位错等 ），与温度无关。 低浓度下溶质原子引起的残余电阻与温度无关，固溶体的 电阻温度系数低于纯金属，而固溶体电阻率随温度变化的 斜率与纯金属相同。 高浓度下， 和 均随温度变化。 含有过渡金属元素时（如加入Mn），可能出现锰铜精密电阻合金，具有低的电阻温度系数。有序固溶体的导电性 固溶体有序化使点阵规律 性加强，减小电子散射， 使导电性加强。 冷加工破坏固溶体的
5、有序 度，增加电阻率。 电阻测量法是研究有序固 溶体的有效方法。不均匀固溶体（K状态）的电阻 固溶体中存在溶剂原子的偏聚区成分波动或原子排列短 程有序，故能强烈地散射电子，使电阻率增加。 回火能促使偏聚区的形成。 加热到高温或进行强烈的冷加工，使偏聚区消失，可降低 电阻率。 铝铜合金。加热到单相区固溶；淬火形成过饱和单相固溶 体；加温时效，析出GP区、，等。 可用电阻分析法研究铝合金的时效过程。铝合金在180时效5 秒钟，铜原子的偏聚金属化合物的导电性 金属化合物（如FeAl3,NiAl3）的导电性通常比其 组元的导电性低得多，主要是金属键部分地为共 价键或离子键所代替。 电子化合物（如Cu3
6、Zn8）主要是金属键结合，导 电性介于固溶体和金属化合物之间。 间隙相(如TiC)具有金属键和的特性，导电性较好 。多相合金的导电性 当合金为退火态、无织构，且组成相的电导率相近时（电 导率之比约0.751.75），双相合金的导电性符合各项合 金相加规律。 p、q为体积百分数。 c1、c2为质量百分数。两相片状组织导电方向导电方向导电性的测量 电桥法（单电桥，双电桥克服附加电阻） 直流电位差计测量法（消除连线电阻和接触电阻 ） 半导体电阻的测量（四探针法） 绝缘体电阻的测量（电容和冲击检流计测量法）1、工作电流标准化（K到N）2、求待测电动势（K到X）3、求待测电阻RxRx=R标Ux/U标特点
7、：消除连线电阻和接触 电阻电阻分析的应用 合金的时效 合金的有序无序转变 固溶体的溶解度 淬火钢的回火Al-Cu合金时效步骤： 1、加热到单相区固溶 2、淬水，得到过饱和固溶 体 3、在室温或加热时效：a. 析出GP区（与基体共格） b. 析出（与基体共格） c. 析出（与基体半共格） d. 析出CuAl2（与基体非共格）， 并聚集长大。基体Cu含量减少，电 阻下降。铝合金在180时效5 秒钟，铜原子的偏聚25时效产生的GP区在215保 温时又溶回到基体中，形成均 匀固溶体，电阻下降。合金的有序无序转变（有序结构电阻率低）测量方法：1、将不同成分的试样加热到略低 于共晶（共析）转变温度t0，保
8、温 足够的时间，然后淬火得到过饱和 固溶体。2、把淬火试样加热到低于t0的各 个温度保温，使组织达到平衡。3、然后再淬火到室温测量电阻率 ，作出-B曲线。4、找出转折点对应的浓度，即为 各温度下B在A中的溶解度。淬火钢的回火1、110马氏体分解，正方度 下降，电阻率降低。含C量越 高，马氏体脱溶分解（电阻率 下降）越急剧。2、230残余奥氏体分解，基 体C含量减少，电阻率下降。材料的疲劳过程缺陷密度增高、裂纹的形成，使试样电阻增加。半导体的电学性能 半导体中电子的能量状态能带 满带、禁带和导带 本征半导体 N型半导体 P型半导体 PN结的特性由于电子能否由价带跃迁到空的导带中，主要取决于能隙
9、的大小。C、Si、Ge、Sn的能隙分别为5.4eV、1.1eV、 0.67eV和0.08eV。可以算得室温（27）下上述元素中进入 导带的电子几率分别为1.2x10-47、2.5x10-10、1.5x10-6和0.17 。故金刚石为绝缘体，锡可算作导体，而硅、锗即为半导体 。 本征半导体纯净的无结构缺陷半导体单晶，如单晶Si。 半导体受到热激发，满带中的部分价电子跃迁到空带中，形 成自由电子和空穴。两者成对出现。 无外电场作用，自由电子和空穴运动无规则，不产生电流。 加外电场，电子逆电场方向运动，空穴顺电场方向运动，形 成电流。故自由电子和空穴统称为载流子。本征半导体的电学性能 本征载流子（自
10、由电子和空穴）浓度相等： 迁移率单位场强下自由电子和空穴的平均漂移速度 电流密度单位面积的电流 电阻率和电导率掺杂半导体 N型半导体 P型半导体N型半导体在本征半导体中掺入五价元素杂质（P、As、Sb等，形成多余价电子。 该多余价电子能量状态较高，在常温下能进入导带，使自由电子浓度极大提 高。五价元素称为施主杂质（提供多余电子）N型半导体（电子型半导体）中，自由电子的浓度大，称为多数载流子， 简称多子。电流由自由电子产生。本征激发产生的空穴被自由电子复合，故空穴的数量少，称为少子。N型半导体电导率随温度的变化随温度的增加，越来越多的施主杂质电子能进入导带，最后直到所有 杂质电子全部进入导带。当
11、达到这一温度时，称为施主耗尽。此时电 导率为常数（因为温度太低，无本征电子及空穴的导电）。 通常选择在施主耗尽即平台温度的范围内工作。P型半导体在本征半导体中掺入三价元素杂质（B、Al、Ga、In，形成高浓度空穴。 在常温下价带中的价电子能进入三价元素的空穴，而在价带在产生空穴。三价元素称为受主杂质（能接受价电子）。P型半导体（空穴型半导体）中，空穴的浓度大，称为多数载流子，简称 多子。电流由空穴产生。本征激发产生的自由电子被空穴复合，故自由电子的数量少，称为少子。PN结的产生及特性P区中空穴向N区扩散，在交接面的P区中只留下三价掺杂负离子。 N区 中自由电子向P区扩散，在交接面的N区中只留下
12、五价掺杂正离子。故在交 接面形成空间电荷区。空间电荷区形成由N指向P区的内电场和内建电位差，阻止空穴和自由电 子的扩散，最终扩散和漂移达到动态平衡。无外加电场，PN区内无电流。PN结的单向导电性外加正向电压， PN区内建电位差减小，空穴和自由电子的扩散和漂移的平 衡被打破，扩散大于漂移，产生P指向N的正向电流。U越大，电流越大。外加反向电压， PN区内建电位差增大，扩散小于漂移，以致与停止。但产 生N指向P的反向电流。由于是少子产生，故电流极小。上述机制形成了PN结的单向导电性。这是构成半导体二极管和三极管的基 础。超导电性超导体的特性1、完全导电性有报导说用Nb0.75Zr0.25合金超导导
13、线制成的超导螺线管，估计其超导 电流衰减时间不小于10万年。超导体没有电阻，因而是等电位的，其中没有电场。2、完全的抗磁性迈斯钠效应试样表面产生感应磁场，抵消外磁场。评价超导材料的性能指标：1、临界转变温度Tc2、临界磁场强度Hc(T)两类超导体超导现象的物理本质超导态时，电子与晶格点阵相互作用，使电 子克服静电斥力而相互吸引，组成电子对 库柏电子对，通过晶格的阻力为零。超导态电子结成库柏对时能量比正常态的两 个电子的能量低。温度和磁场破坏库柏对的 稳定性。温度越低，超导体越稳定。热电性赛贝克效应 赛贝克效应（材料不同，组成闭合回路，两接头存在温差） 热电势率温差电位热端高能电子向冷端扩散，结
14、果热端带正电（缺少电子）， 冷端带负电（有富余电子），由热端指向冷端的温差电场阻 止了电子的进一步扩散，最终形成稳定的温差电位差。热电偶回路的热电势由温差电位差和接触电位差构成 E热电偶测温铂铑铂，镍铬镍铝，铜康铜12对应的温差（575）25600（测量端温度）6001225热电子效应热电子发射机理 固体受热（W等，加热1000以上）， 内部自由电子动能足够大，就会溢出固 体表面形成热电子发射。 应用方式加热，形成热电子发射电场下形成定向运动聚焦、调制形成电子束轰击荧光屏形成光学图象用于显像管、示波器、电子显微镜等阴极阳极压电性 电偶极矩P（矢量）与电荷间距d及电荷量q的关系Pqd 压电性的本
15、质是晶体受力变形，导致正负电荷中心分离， 晶体对外显示电偶极矩，表面出现束缚电荷。 纵向压电效应，横向压电效应 正压电效应力 电荷 逆压电效应电荷 力 应用：超声发生器，加速度传感器，点火器等-q+qPdPPPqd纵向压电效应横向压电效应磁电性 普通金属的霍尔效应 半导体的霍尔效应 磁生电动势 磁感生电动势普通金属的霍尔效应电荷在磁场中运动所受的作用力(正电荷用右手定则，负电荷用左手定则)洛伦兹力 与电场力 平衡电位差为 有关系式霍尔系数迁移率半导体的霍尔系数大N型半导体电子是载流子，RH为负（A面为负电荷）P型半导体空穴是载流子，RH为正（A面为正电荷）本征半导体中电子和空穴同时起作用（成对出现），无霍尔效应。霍尔效应可以判断载流子的类型（正电荷或负电荷）
