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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
2、导带，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2 A族，外壳层价电子数为3,d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,E,e,v,电子在自由程终点
3、获得的定向迁移速度 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
4、为显著。因为溶剂的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Cu3Zn8）主
6、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Rx Rx=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，
8、保温足够的时间，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
9、隙的大小。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（自由电子和
10、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
12、只留下五价掺杂正离子。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
13、.25合金超导导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Tc 2、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
14、差电位 热端高能电子向冷端扩散，结果热端带正电（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）,600,1,2,25,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,
15、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,+q,P,d,P,P,Pqd,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）,