电学电子离子导电.ppt
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1、第第1 1节节 材料导电性能概述材料导电性能概述一、电阻与电导基本概念一、电阻与电导基本概念 欧姆定律:欧姆定律:材料的电阻:材料的电阻:即材料的电阻与材料本性、尺寸有关。与长度成正比,与截即材料的电阻与材料本性、尺寸有关。与长度成正比,与截面积成反比。面积成反比。其中其中称称电阻率电阻率或或比电阻比电阻,。,。国际单位:国际单位:,只与材料本性有关,与其尺寸无关,用来,只与材料本性有关,与其尺寸无关,用来评价不同材料的导电性能好坏。评价不同材料的导电性能好坏。电导率电导率:电阻率的倒数,电导率越大,材料导电性越好。:电阻率的倒数,电导率越大,材料导电性越好。为什么不同材料之间导电性具有如此巨
2、大的区别哪?为什么不同材料之间导电性具有如此巨大的区别哪?可用能带理论解释。可用能带理论解释。导导 体体:10 10 。其中其中 纯金属纯金属:10 10 10 10 合金合金:10 10 10 10 。半导体半导体:在在10 10 10 10 。绝缘体绝缘体:10 10 。元素周期表中:元素周期表中:A A、B B族内壳层轨道填满电子,最外层有族内壳层轨道填满电子,最外层有1 1个个s s电子,具有最小的电子,具有最小的;过渡金属:过渡金属:大得多;大得多;B B族:族:范围很宽。范围很宽。5 58 87 77 75 53 39 99 9载流子载流子载流子载流子(carrier;charge
3、 carriercarrier;charge carrier)导电性源于载流子在电场作用下迁移运动。电荷的定向运导电性源于载流子在电场作用下迁移运动。电荷的定向运导电性源于载流子在电场作用下迁移运动。电荷的定向运导电性源于载流子在电场作用下迁移运动。电荷的定向运动产生了电流,电荷的载体称为动产生了电流,电荷的载体称为动产生了电流,电荷的载体称为动产生了电流,电荷的载体称为载流子载流子载流子载流子。载流子是具有电荷的自由粒子载流子是具有电荷的自由粒子载流子是具有电荷的自由粒子载流子是具有电荷的自由粒子,在电场作用下可产生电流。,在电场作用下可产生电流。,在电场作用下可产生电流。,在电场作用下可产
4、生电流。载流子载流子载流子载流子:电子、空穴、正、负离子、杂质电子、空穴、正、负离子、杂质电子、空穴、正、负离子、杂质电子、空穴、正、负离子、杂质。n n不同材料的载流子不同材料的载流子不同材料的载流子不同材料的载流子n n金属金属金属金属 自由电子自由电子自由电子自由电子 (电导率高(电导率高(电导率高(电导率高 导电性好)导电性好)导电性好)导电性好)n n 半导体半导体半导体半导体自由电子、空穴自由电子、空穴自由电子、空穴自由电子、空穴n n离子固体离子固体离子固体离子固体自由电子、空穴、正负离子自由电子、空穴、正负离子自由电子、空穴、正负离子自由电子、空穴、正负离子n n(室温绝缘体(
5、室温绝缘体(室温绝缘体(室温绝缘体 T T高高高高 电导率大)电导率大)电导率大)电导率大)(无机非金属)(无机非金属)(无机非金属)(无机非金属)n n高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料 正负离子、杂质、共轭电子(导电性)正负离子、杂质、共轭电子(导电性)正负离子、杂质、共轭电子(导电性)正负离子、杂质、共轭电子(导电性)二、如何理解材料的电导现象二、如何理解材料的电导现象 必须明确几个问题 参与迁移的是哪种参与迁移的是哪种载流子载流子有关载流子类别类别的问题 carrier sort载流子载流子的数量有多大的数量有多大有关载流子浓度、载有关载流子浓度、载流子流子产生产生过程的问题过程
6、的问题 carrier density载流子载流子迁移速度的大小迁移速度的大小有关载流子输运输运过程的问题 carrier transfer speed1、材料的电导 在一定温度下,自由电子作无规则的热运动,在一定温度下,自由电子作无规则的热运动,在一定温度下,自由电子作无规则的热运动,在一定温度下,自由电子作无规则的热运动,没有定向的流动。没有定向的流动。没有定向的流动。没有定向的流动。当有当有当有当有电场电场电场电场E E的存在时,电子产生定向运动,形成的存在时,电子产生定向运动,形成的存在时,电子产生定向运动,形成的存在时,电子产生定向运动,形成电流,电流的大小用电流,电流的大小用电流,
7、电流的大小用电流,电流的大小用电流强度电流强度电流强度电流强度I I度量。根据度量。根据度量。根据度量。根据导电性导电性导电性导电性原理原理原理原理,可以用,可以用,可以用,可以用载流子的数量、迁移率及所带电量载流子的数量、迁移率及所带电量载流子的数量、迁移率及所带电量载流子的数量、迁移率及所带电量来反映电流的大小。电流强度来反映电流的大小。电流强度来反映电流的大小。电流强度来反映电流的大小。电流强度I I为为为为n n n n 2 2、决定电导率的基本参数决定电导率的基本参数决定电导率的基本参数决定电导率的基本参数 conductanceconductance parameters para
8、meters 载流子电量载流子电量载流子电量载流子电量 电子、空穴、正离子、负离子电子、空穴、正离子、负离子电子、空穴、正离子、负离子电子、空穴、正离子、负离子 载流子数载流子数载流子数载流子数 charge carrier density-charge carrier density-n,-n,个个个个/m/m3 3 载流子迁移率载流子迁移率载流子迁移率载流子迁移率 electron electron mobility-mobility-(物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度)
9、=/E/E电流密度电流密度电流密度电流密度单位时间(单位时间(单位时间(单位时间(1s1s)通过单位截面积的电荷量)通过单位截面积的电荷量)通过单位截面积的电荷量)通过单位截面积的电荷量)J Jnene 电流密度电流密度(J):单位时间(单位时间(1s)通过单位截面)通过单位截面S的电荷量的电荷量.J=nev或或 J=I/S 由由 R=U/I R=l/S E=U/l小练习:小练习:写出各物理量写出各物理量两两之间关系式两两之间关系式 J=E/=E 欧姆定律最一般的形式欧姆定律最一般的形式电导率(电导率()与迁移率()与迁移率():):J/Enev/E=ne载流子的迁移率的物理意义为:载流子在单
10、位载流子的迁移率的物理意义为:载流子在单位电场中的迁移速度。电导率的一般表达式为电场中的迁移速度。电导率的一般表达式为该式反映电导率的微观本质,即宏观电导率该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与微观载流子的浓度n,每一种载流子的电荷量,每一种载流子的电荷量e以及每种载流子的迁移率的关系。以及每种载流子的迁移率的关系。将主要依据此式来讨论电导的性能。将主要依据此式来讨论电导的性能。练习题:练习题:n n一截面为一截面为0.6cm2,长为,长为1cm的金属导体样品,的金属导体样品,设设=8000cm2/Vs,n=1015cm3,试求该样品,试求该样品的电阻的电阻第第2 2节节
11、电子类载流子导电电子类载流子导电2.1 2.1 金属的导电机制与马西森定则金属的导电机制与马西森定则 用量子理论和能带理论可导出用量子理论和能带理论可导出所有材料所有材料的电导率:的电导率:此式完整地反应了晶体导电的物理本质。此式完整地反应了晶体导电的物理本质。量子力学可以证明,当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时,量子力学可以证明,当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时,它将不会受到散射而无阻碍地传播,即它将不会受到散射而无阻碍地传播,即 无穷大,这时无穷大,这时0 0,而,而为无穷为无穷大,即此时的材料是一个理想的导体。大,即此时的材料是一个理想的导体。材料电阻产生的本质:晶
12、体点阵离子的热振动及晶体点阵的不完整性(晶材料电阻产生的本质:晶体点阵离子的热振动及晶体点阵的不完整性(晶体中异类原子、位错和点缺陷等)使晶体点阵的周期性遭到破坏,晶体中的体中异类原子、位错和点缺陷等)使晶体点阵的周期性遭到破坏,晶体中的电子波就会受到散射,电子波就会受到散射,减小,导电性降低。减小,导电性降低。令令 为散射系数,可导出:为散射系数,可导出:即材料的电阻与散射系数成正比。即材料的电阻与散射系数成正比。金属电阻随温度升高而升高原因:金属电阻随温度升高而升高原因:金属材料随温度升高,离子热振动的振幅增大,电子就愈易受到散射,可金属材料随温度升高,离子热振动的振幅增大,电子就愈易受到
13、散射,可认为认为与温度成正比,则与温度成正比,则也与温度成正比。也与温度成正比。金属电阻包括:金属电阻包括:(1)基本电阻基本电阻(T):对应声子散射和电子散射两机制,由热:对应声子散射和电子散射两机制,由热振动产生,与温度有关,振动产生,与温度有关,0K时为时为0。(2)残余电阻残余电阻残残:对应电子在杂质和缺陷上的散射机制,:对应电子在杂质和缺陷上的散射机制,0K时金属的电阻。反应了金属纯度和完整性。时金属的电阻。反应了金属纯度和完整性。马西森定律马西森定律马西森等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率马西森等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率(T)和残余和残余电阻电阻残残组成。组成。即即
14、(T)残残称为称为马西森定律马西森定律。马西森定律忽略了电子各种散射机制间的交互作用,但简明描马西森定律忽略了电子各种散射机制间的交互作用,但简明描述了合金的导电性,低浓度固溶体与实验事实符合的很好。述了合金的导电性,低浓度固溶体与实验事实符合的很好。根据马西森定律,在根据马西森定律,在高温时高温时金属的电阻率基本上取决于金属的电阻率基本上取决于(T),而在而在低温时低温时取决于取决于残残。既然。既然残残是电子在杂质和缺陷上的散射引起是电子在杂质和缺陷上的散射引起的,那么的,那么残残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。的大小就可以用来评定金属的电学纯度。考虑到考虑到残残测量困难,实际上常采用相
15、对电阻率测量困难,实际上常采用相对电阻率(300K)/(4.2K)的大小来评定金属的电学纯度。晶体越纯、越完善,相对电阻率的大小来评定金属的电学纯度。晶体越纯、越完善,相对电阻率越大。许多完整的金属单晶相对电阻率可高达越大。许多完整的金属单晶相对电阻率可高达20000。2.1 2.1 金属的导电机制与马西森定则金属的导电机制与马西森定则2.2冷加工和缺陷对电阻率的影响n n2.2.12.2.1冷加工对电阻率的影响冷加工对电阻率的影响冷加工对电阻率的影响冷加工对电阻率的影响n n室温下测得经过相当大的冷加工变形后室温下测得经过相当大的冷加工变形后室温下测得经过相当大的冷加工变形后室温下测得经过相
16、当大的冷加工变形后纯金属纯金属纯金属纯金属(如铁、(如铁、(如铁、(如铁、铜、银、铝铜、银、铝铜、银、铝铜、银、铝)的电阻率,比未经变形的总共只的电阻率,比未经变形的总共只的电阻率,比未经变形的总共只的电阻率,比未经变形的总共只增加增加增加增加2 266。n n只有只有只有只有金属钨、钼例外金属钨、钼例外,当冷变形量很大时,钨电,当冷变形量很大时,钨电,当冷变形量很大时,钨电,当冷变形量很大时,钨电阻可增加阻可增加阻可增加阻可增加30%-50%30%-50%,钼增加,钼增加,钼增加,钼增加15152020。n n一般一般一般一般单相固溶体经加工后,电阻可增加单相固溶体经加工后,电阻可增加单相固
17、溶体经加工后,电阻可增加单相固溶体经加工后,电阻可增加10102020。而而而而有序固溶体电阻增加有序固溶体电阻增加有序固溶体电阻增加有序固溶体电阻增加100100,甚至更高,甚至更高,甚至更高,甚至更高。也有相反的。也有相反的。也有相反的。也有相反的情况,镍情况,镍情况,镍情况,镍鉻,镍鉻,镍鉻,镍鉻,镍铜铜铜铜锌等中锌等中锌等中锌等中形成形成形成形成K K状态状态状态状态,则冷加,则冷加,则冷加,则冷加工变形将会使合金电阻率降低。工变形将会使合金电阻率降低。工变形将会使合金电阻率降低。工变形将会使合金电阻率降低。n n冷加工引起金属电阻率增加,这同晶格畸变(空位、冷加工引起金属电阻率增加,
18、这同晶格畸变(空位、冷加工引起金属电阻率增加,这同晶格畸变(空位、冷加工引起金属电阻率增加,这同晶格畸变(空位、位错)有关位错)有关位错)有关位错)有关。冷加工引起金属晶格畸变也像原子热振。冷加工引起金属晶格畸变也像原子热振。冷加工引起金属晶格畸变也像原子热振。冷加工引起金属晶格畸变也像原子热振动一样,增加电子散射几率;同时也会引起金属晶体动一样,增加电子散射几率;同时也会引起金属晶体动一样,增加电子散射几率;同时也会引起金属晶体动一样,增加电子散射几率;同时也会引起金属晶体原子间距键合的改变,导致原子间距的改变。原子间距键合的改变,导致原子间距的改变。原子间距键合的改变,导致原子间距的改变。
19、原子间距键合的改变,导致原子间距的改变。2.2.2缺陷对电阻率的影响n n空位、间隙原子以及它们组成、位错等空位、间隙原子以及它们组成、位错等晶晶体缺陷使金属电阻率增加体缺陷使金属电阻率增加。n n根据马西森定律,在根据马西森定律,在极低温度下极低温度下,纯金属,纯金属电阻率主要由其内部缺陷(包括杂质原子)电阻率主要由其内部缺陷(包括杂质原子)决定,即由决定,即由剩余电阻率剩余电阻率 决定决定决定决定。因此,。因此,。因此,。因此,研究研究晶体缺陷对估价单晶体结构完整性有重要晶体缺陷对估价单晶体结构完整性有重要意义意义。n n掌握这些缺陷对电阻的影响,可以研制具有一定掌握这些缺陷对电阻的影响,
20、可以研制具有一定掌握这些缺陷对电阻的影响,可以研制具有一定掌握这些缺陷对电阻的影响,可以研制具有一定电阻的金属。半导体单晶体的电阻值就是根据这电阻的金属。半导体单晶体的电阻值就是根据这电阻的金属。半导体单晶体的电阻值就是根据这电阻的金属。半导体单晶体的电阻值就是根据这个原则进行人为控制的个原则进行人为控制的个原则进行人为控制的个原则进行人为控制的 。2.3固溶体的电阻率n n当形成固溶体时,合金导电性能降低当形成固溶体时,合金导电性能降低当形成固溶体时,合金导电性能降低当形成固溶体时,合金导电性能降低。即使是在导电。即使是在导电。即使是在导电。即使是在导电性好的金属溶剂中溶入导电性很高的溶质金
21、属时,也性好的金属溶剂中溶入导电性很高的溶质金属时,也性好的金属溶剂中溶入导电性很高的溶质金属时,也性好的金属溶剂中溶入导电性很高的溶质金属时,也是如此。是如此。是如此。是如此。n n这是因为在溶剂晶格中溶入溶质原子时,溶剂的晶格这是因为在溶剂晶格中溶入溶质原子时,溶剂的晶格这是因为在溶剂晶格中溶入溶质原子时,溶剂的晶格这是因为在溶剂晶格中溶入溶质原子时,溶剂的晶格发生扭曲畸变,破坏了晶格势场的周期性,从而增加发生扭曲畸变,破坏了晶格势场的周期性,从而增加发生扭曲畸变,破坏了晶格势场的周期性,从而增加发生扭曲畸变,破坏了晶格势场的周期性,从而增加了电子散射几率,电阻率增高。但晶格畸变不是电阻了
22、电子散射几率,电阻率增高。但晶格畸变不是电阻了电子散射几率,电阻率增高。但晶格畸变不是电阻了电子散射几率,电阻率增高。但晶格畸变不是电阻率改变的唯一因素,固溶体电性能尚取决固溶体组元率改变的唯一因素,固溶体电性能尚取决固溶体组元率改变的唯一因素,固溶体电性能尚取决固溶体组元率改变的唯一因素,固溶体电性能尚取决固溶体组元的化学相互作用(能带、电子云分布等)。的化学相互作用(能带、电子云分布等)。的化学相互作用(能带、电子云分布等)。的化学相互作用(能带、电子云分布等)。n n库尔纳科夫指出,在连续固溶体中合金成份距组元越库尔纳科夫指出,在连续固溶体中合金成份距组元越库尔纳科夫指出,在连续固溶体中
23、合金成份距组元越库尔纳科夫指出,在连续固溶体中合金成份距组元越远,远,远,远,在二元合金中最大电阻率在在二元合金中最大电阻率在在二元合金中最大电阻率在在二元合金中最大电阻率在5050原子浓度处原子浓度处原子浓度处原子浓度处,而,而,而,而且可能比组元电阻率高几倍。且可能比组元电阻率高几倍。且可能比组元电阻率高几倍。且可能比组元电阻率高几倍。n n铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体情况有异常,它铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体情况有异常,它铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体情况有异常,它铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体情况有异常,它的电阻率一般不在的电阻率一般不在的电阻率一般不在的电阻率一般不在50
24、50原子处原子处原子处原子处。n n固溶体电阻率固溶体电阻率固溶体电阻率固溶体电阻率 0 0 0 0 n n 0 0 0 0表示固溶体溶剂组元的电阻率;表示固溶体溶剂组元的电阻率;表示固溶体溶剂组元的电阻率;表示固溶体溶剂组元的电阻率;n n 为剩余电阻率,为剩余电阻率,为剩余电阻率,为剩余电阻率,n n C C C C ,C C C C是原子杂质含量是原子杂质含量是原子杂质含量是原子杂质含量n n 表示表示表示表示1 1 1 1原子杂质引起的原子杂质引起的原子杂质引起的原子杂质引起的n n附加电阻率,附加电阻率,附加电阻率,附加电阻率,n n为偏离马西森定律的值为偏离马西森定律的值为偏离马西
25、森定律的值为偏离马西森定律的值n n它与温度和溶质有关,随溶质它与温度和溶质有关,随溶质它与温度和溶质有关,随溶质它与温度和溶质有关,随溶质n n浓度增加,偏离越严重浓度增加,偏离越严重浓度增加,偏离越严重浓度增加,偏离越严重n n实验证明,除过渡族金属外,在实验证明,除过渡族金属外,在实验证明,除过渡族金属外,在实验证明,除过渡族金属外,在n n同一溶剂中溶入同一溶剂中溶入同一溶剂中溶入同一溶剂中溶入1%1%1%1%原子溶质金属所原子溶质金属所原子溶质金属所原子溶质金属所n n引起的电阻率增加,由溶剂和溶质金属引起的电阻率增加,由溶剂和溶质金属引起的电阻率增加,由溶剂和溶质金属引起的电阻率增
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