材料的电性能课件

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1、第2章 材料的电性能,2.1 引言： 电性能：材料对外部电场的响应。 CD播放器：活跃的电子元件-半导体 导线-聚合物包覆的金属导线 电容器：陶瓷 电气化时代：发电机，变压器，电网输送，微电子线路， 集成电路，超导,第2章 材料的电性能,2.1.1 导电性基本规律及描述参量 一个长L，横截面s的均匀导电体，两端加电压V，根据欧姆定律：,电导率单位：西门子每米 S/m,2.1.1 导电性基本规律及描述参量 相对电导率：IACS% 定义：把国际标准纯软铜（在室温20度，电阻率为0.01724.mm2/m）的电导率作为100%，其它导体材料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电阻率。,思考题

2、： 1）IACS% 与S/m的换算关系,2）一根金属棒，电导率为3.5 107 S/m, 长为10m,电阻值为0.08，求截面积。,第2章 材料的电性能,2.1.2 载流子 1.概念：电流是电荷的定向运动，有电流必须有电荷输运过程，电荷的载体为载流子。,物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移,2. 载流子：电子，空穴，正离子，负离子,3. 迁移数tx，也称输运数（transference number) 定义为：,式中： 为各种载流子输运电荷形成的总电导率 表示某种载流子输运电荷的电导率,tx的意义：是某一种载流子输运电荷占全部电导率的分数表示。,第2章 材料的电性能,2.1

3、.2 载流子 4. 载流子与导电性能的关系：,因素：单位体积中可移动的带电粒子数量N 每个载流子的电荷量 q 载流子的迁移率 ,迁移率：受到外加电场作用时，材料中的载流子移动的难易程度,令=v/E，并定义其为载流子的迁移率。其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度。 =Nq,第2章 材料的电性能,2.1.2 载流子 例：一根铝导线（A=1mm2, L=1m)的电阻是0.0283 ，计算电子的体积密度。已知电子的迁移率为1.22 10-3 m2/vs.,2.2 电子类载流导电,2.2.1 金属导电机制,载流子为自由电子,经典理论：所有自由电子都对导电做出贡献。,能带理论，两点基本改进: nef

4、表示单位体积内实际参加热传导的电子数（effect).费米面能级附近参加电传导的电子数 m*为电子的有效质量，考虑晶体点阵对电场作用的结果,令：1/l=为散射系数,电阻的本质 在绝对零度，在具有严格周期性电场的理想晶体中的电子和空穴的运动像理想气体分子在真空中的运动一样，电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。,理想晶体中晶体点阵的周期性受到破坏时，才产生阻碍电子运动的条件。 晶格热振动（温度引起的离子运动振幅的变化） 杂质的引入 位错及点缺陷 在电子电导的材料中，电子与点阵的非弹性碰撞引起电子波的散射是电子运动受阻的本质原因。,3. 马西森定律：,与温度有关,与杂质浓度有关，有温度无关,1. 温

5、度 温度升高，离子振幅愈大，电子愈易受到散射，正比关系,2. 杂质存在，使金属正常结构发生变化，引起额外的散射,2.2.2 电阻率与温度的关系,1) 一般来说，温度越高，电阻率越大。在温度高于室温情况下, 为电阻温度系数：,纯金属： =410-3/ , 铁磁性金属， Fe为610-3/ ， Co为6.610-3/ ， Ni为6.210-3/,2）金属电阻率在不同范围内与温度变化的关系不同,3) 金属熔化时，电阻增高1.5-2倍，金属原子规则排列遭到破坏，增加了对电子散射。 如右图：K，Na正常 但Sb反常，共价键变为金属键 铁磁性金属有时发生反常。 Tc: 居里点 铁磁性金属内d及s壳层电子云

6、相互作用的特点决定的,2.2.3 电阻率与压力的关系,在流体静压下，大多数金属电阻率是下降的：,正常金属： Fe, Co, Ni, Pt, Cu, Ag, Au, Zr, 反常金属： 碱金属，稀土 Ca, Sr, Bi, Sb 有时大的压力使材料由半导体和绝缘体变为导体。,原因： 金属原子间距变小，内部缺陷形态，电子结构，费密能和能带结构都将发生变化，大部分金属电阻率是下降的。,2.2.4 冷加工和缺陷对电阻率的影响,纯金属： 冷加工后纯金属的电阻率增加2%-6%， W的电阻增加30%，Mo增加15-20%,固溶体： 一般增加10%-20% 有序固溶体：100%,反常：Ni-Cr, Ni-Cu

7、-Zn, Fe-Cr-Al等形成K 状态，电阻率降低。,机 理： 冷变形-晶格畸变-增加电子散射几率-导致电阻率增加,马西森定律：,M表示与温度有关的退火金属的电阻率， 剩余电阻率，与温度无关,冷加工金属退火，可以回复到冷加工前金属 的电阻值。,晶格畸变，晶体缺陷导致电阻率增加值为,空位,位错,m，n在0-2之间变化。,空位，间隙原子及它们的组合，位错使金属电阻增加。前二者的作用远超过后者。,2.2.4 冷加工和缺陷对电阻率的影响,空位： 形变 高能粒子辐射中产生， 淬火也可以产生：,位错：位错引起的电阻率的变化与位错密度之间呈线性关系,2.2.5 固溶体的电阻率,形成固溶体的电阻率的变化.,

8、现象：形成固溶体时，合金导电性降低。,机理： 加入溶质原子-溶剂的晶格发生扭曲畸变-破坏了晶格势场的周期性-增加了电子散射几率 固溶体组元的化学相互作用,一般最大在50%处，铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体有异常。,:1%(原子百分比）杂质引起的附加电阻率,Z:溶剂和溶质原子化合价之差,马西森定律,表铜合金的性能 Properties of copper alloy,2.2.5 固溶体的电阻率,有序合金的电阻率： 组元的化学作用加强-导电电子数下降-电阻率增加 晶体离子势场更对称-电子散射的几率下降-电阻率下降 综合作用：电阻率下降（一般）,2.2.5 固溶体的电阻率,不均匀固溶体的电阻率：

9、K状态：在合金元素中含有过渡金属的， Ni-Cr, Ni-Cu-Zn, Fe-Cr-Al等为单相合金，但回火时，电阻有反常升高，加工时电阻率下降。 组元原子在晶体内不均匀分布-内部原子的聚集-增加原子的散射几率-电阻升高 冷加工在很大程度上消除了这种不均匀状态,2.2.5 固溶体的电阻率,小结： 缺陷，杂质，第二组元可以考虑为“缺陷”， 一般而言，均匀分布的缺陷比其呈原子团方式分布时，迁移率降低更多，电阻率上升更多。 问题： 许多工程应用中，要求金属导线具有高强度和高导电率的综合性能，假设足够高的强度可以通过冷加工获得，也可以由固溶强化获得，从电导角度看，采用哪种方式？为什么？,2.3 离子类

10、载流导电,离子电导是带电荷的离子载流子在电场作用的定向运动。 本征导电：晶体点阵的基本离子由于热振动离开晶格，形成热缺陷 杂质导电：参加导电的载流子主要是杂质 2.3.1 离子导电理论： 离子迁移的能量变化如图所示， 位垒V代表陶瓷或玻璃阻力最小路径上的最大位垒。,不存在电场 加上电场,考虑某一间隙离子由于热运动，越过位垒跃迁到邻近间隙位置的情况。根据玻尔兹曼统计规律，单位时间沿某一方向跃迁的次数为 a:与不可逆跳跃相关的适应系数 1.无外加电场时 间隙离子在晶体中各方向的“迁移”次数都相同，宏观上无电荷定向运动，故介质中无电导现象。 2.有外加电场时 由于电场力的作用，晶体中间隙离子的势垒不

11、再对称，如图，对于正离子，受电场力作用，F=qE，F与E同方向，因而正离子顺电场方向“迁移”容易，反电场方向“迁移”困难。,不存在电场 加上电场,设电场E在b2距离上(b为相邻半稳定位置间的距离)造成的位势差 V=Fb2=qEb2=zeEb/2。 则顺电场方向填隙离子单位时间内跃迁的次数为 逆电场方向填隙离子单位时间内跃迁的次数为 每跃迁一次的距离为b，所以载流子沿电场方向的迁移速度 V 可视为 当电场强度较低时， 当电场强度足够强大时（大于10v/cm），,由于电流密度j为 将v代入有： 将P代入并且令：,2.3 离子类载流导电,如果材料存在多种载流子，总的电导率为,2.3.2 离子电导与扩

12、散： 1）离子导电是离子在电场作用下的扩散现象： (1)空位扩散 以空位扩散, MgO中的空位作为载流子扩散； (2)间隙扩散 是间隙离子作为载流子的直接扩散运动，即从某一个间隙位置扩散到另一个间隙位置。 此外，当间隙离子较大时，如果直接扩散必然要产生较大的晶格畸变。因此，这种扩散很难进行。 一般间隙扩散比空位扩散需要更大的能量。 (3)亚晶格间隙扩散 由于间隙离子较难扩散，在这种情况下，往往产生间隙-亚晶格扩散，即某一间隙离子取代附近的晶格离子，被取代的晶格离子进入晶格间隙，从而产生离子移动。此种扩散运动由于晶格变形小，比较容易产生。AgBr中的Ag+就是这种扩散形式。,2.3 离子类载流导

13、电,2）Nernst-Einstein 方程： 陶瓷材料中，由于载流子离子浓度梯度所形成的电流密度为: 式中n为单位体积浓度，x为扩散方向，q为离子电荷量，D为扩散系数。 电场时：,B：离子绝对迁移率,2.3 离子类载流导电,2.3.3 离子导电的影响因素： 1）温度的影响 T增加，电导率升高 高温区：本征导电 低温区：杂质导电 2）离子性质晶体结构 改变导电激活能实现的 熔点高-结合力大-导电激活能高电导率下降 晶体有较大间隙-激活能低-电导率升高 碱卤化物：负离子半径增大-正离子激活能降低-电导率升高 一价正离子尺寸小，电荷少，活化能低 高价正离子，价键强，激活能高，迁移率低，电导率低 N

14、aF 216kJ/mol NaCl 169kJ/mol NaI 118kJ/mol,2.3 离子类载流导电,2.3.3 离子导电的影响因素： 3）点缺陷的影响： 热激活（肖特基、弗兰克尔空位） 不等价掺杂 环境气氛使正负离子化学计量比发生变化 4）快离子导体 固体电解质：具有离子导电的固体物质 某些固体电解质的电导率比正常离子化合物的电导率高出几个数量级（10-2(cm)-1，称为快离子导电。 ZrO2材料中添加含有低价阳离子的氧化物，Na2O、CaO、Y2O3，并形成大量的点缺陷,2.4 半导体,晶体管和微电子线路的出现，使电子工业进行了革命，进入了信息时代。得益于半导体的发展。 2.4.1

15、 本征半导体： 定义：纯净的无结构缺陷的半导体。行为仅仅由固有的性质决定的。导电行为取决于元素或化合物的能带结构。 非本征导电性：由于存在杂质而赋予的导电性。 半导体与绝缘体有相似的能带结构，不过能带间隙较小而已。,2.4 半导体,Si具有金刚石结构，四共价键对称排列，四个价电子均形成共价键， 0K时，电子均处于价带中。 只有大于0K时，才可能由于热激发而使电子跳到导带中导电。,Eg,价带,2.4 半导体,2.4.1 半导体中载流子数量的计算 导带的电子与价带的空穴均是载流子，在本征半导体中导带电子与价带空穴是一一对应的。 根据本征载流子占据能级的概率和对其能带的能态密度进行积分运算等，可得到

16、本征载流子的浓度表达式： ,T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数。 载流子浓度与温度 T 和禁带宽度 Eg 有关。T增加，N显著增加（与温度成指数规律增加）；在同样的温度下，Eg小，则N大， 在T=300K时， Si的 Eg=1.1eV, N=1.51010 cm-3 Ge的 Eg=0.72eV, N=2.41013 cm-3,2.4.2 半导体的电导率（电阻率） 讨论已有的温度的影响。 1）qe与T无关 2）电子与空穴的迁移率随温度升高而直线降低 3）载流子数量随温度升高而呈指数规律增加（占主导） 在有限的温度范围内，温度对迁移率的影响很小。,2.4 半导体,例：1 一种半导体，温度从25度升到53度，电导率提高了2倍，计算该半导体的能带间隙,l