材料的電學(xué)性能(已修改)
2025-08-17 08:25 本頁(yè)面
【正文】 主要內(nèi)容 電導(dǎo)的物理現(xiàn)象 離子電導(dǎo) 電子電導(dǎo) 金屬材料的電導(dǎo) 固體材料的電導(dǎo) 半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng) 超導(dǎo)體 電導(dǎo)率和電阻率 對(duì)一截均勻?qū)щ婓w，存在如下關(guān)系： ? 歐姆定律 ? ? ? ? ? 歐姆定律微分形式 電導(dǎo)的物理現(xiàn)象 電導(dǎo)率和電阻率 Area Length i ρ 電阻率 σ 電導(dǎo)率 ? 微分式說(shuō)明導(dǎo)體中某點(diǎn)的電流密度正比于該點(diǎn)有電場(chǎng) ,比例系數(shù)為電導(dǎo)率 σ ? 電場(chǎng)強(qiáng)度 E－伏特 /厘米 。 ? 電阻密度 J－安培 /厘米 2。 ? 電阻 ρ－歐姆 .厘米 。 ? 電導(dǎo)率 σ－歐姆 1 ? 電流是電荷在空間的定向運(yùn)動(dòng)。 ? 任何一種物質(zhì)，只要存在帶電荷的自由粒子 —— 載流子，就可以在電場(chǎng)下產(chǎn)生導(dǎo)電電流。 ? 金屬中： 自由電子 ? 無(wú)機(jī)材料中： C 電子（負(fù)電子 /空穴） —— 電子電導(dǎo) C 離子（正、負(fù)離子 /空穴） —— 離子電導(dǎo) ? 電導(dǎo)的物理特性 (1) 載流子 電子電導(dǎo)的特征是具有霍爾效應(yīng)。 沿試樣 x軸方向通入電流 I(電流密度 Jx),z軸方向上加一磁場(chǎng) Hz,那么在 y軸方向上將產(chǎn)生一電場(chǎng) Ey,這種現(xiàn)象稱(chēng) 霍爾效應(yīng) 。 ① 霍爾效應(yīng) 圖 41 霍爾效應(yīng)示意圖 Ey產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度 ,霍爾系數(shù)（又稱(chēng)霍爾常數(shù)） RH 霍爾效應(yīng)的起源： 源于磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)電荷所產(chǎn)生的洛侖茲力，導(dǎo)致載流子在磁場(chǎng)中產(chǎn)生洛侖茲偏轉(zhuǎn)。該力所作用的方向即與電荷運(yùn)動(dòng)的方向垂直，也與磁場(chǎng)方向垂直。 zxHy HJRE ????? HH R? 霍爾系數(shù) RH=μ*ρ，即霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率ρ與電子遷移率 μ的乘積。 霍爾系數(shù) RH有如下表達(dá)式： 對(duì)于半導(dǎo)體材料： n型： p型： enRiH1??空穴濃度電子濃度??????iiHiiHnenRnenR,1,1 離子電導(dǎo)的特征是具有電解效應(yīng)。 利用電解效應(yīng)可以檢驗(yàn) 材料是否存在離子導(dǎo)電 可以判定載流子是正離子還是負(fù)離子 ② 電解效應(yīng) 法拉第電解定律：電解物質(zhì)與通過(guò)的電量成正比關(guān)系： 為法拉第常數(shù)為電化當(dāng)量為通過(guò)的電量為電解質(zhì)的量F；C；QgFQCQg /??? (2)遷移率和電導(dǎo)率的一般表達(dá)式 ? 物體的導(dǎo)電現(xiàn)象，其微觀本質(zhì)是載流子在電場(chǎng)作用下的定向遷移。 iiiiiiiqn：nq。Ev：EnqvEJEEJ：nqvJ：Ss ）（??????????? ?????????電導(dǎo)率的一般表達(dá)式位電場(chǎng)中的遷移速度其物理意義為載流在單為載流子的遷移率定義歐姆定律的電荷量通過(guò)單位截面單位時(shí)間////1 離子電導(dǎo) ? 參與電導(dǎo)的載流子為離子 ， 有離子或空位 。 它又可分為兩類(lèi) 。 ? 本征電導(dǎo)： 源于晶體點(diǎn)陣的基本離子的運(yùn)動(dòng) 。 離子自身隨著熱振動(dòng)離開(kāi)晶格形成熱缺陷 。 從而導(dǎo)致載流子 ， 即離子 、 空位等的產(chǎn)生 ， 這尤其是在高溫下十分顯著 。 ? 雜質(zhì)電導(dǎo)： 由固定較弱的離子 （ 雜質(zhì) ） 的運(yùn)動(dòng)造成 ， 由于雜質(zhì)離子是弱聯(lián)系離子 ， 故在較低溫度下其電導(dǎo)也表現(xiàn)得很顯著 。 ? 固有電導(dǎo) (本征電導(dǎo) )中，載流子由晶體本身的熱缺陷提供。晶體的熱缺陷主要有兩類(lèi)： 弗侖克爾缺陷和肖特基缺陷。Frenker缺陷指正常格點(diǎn)的原子由于熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)入晶格間隙，而在晶體內(nèi)正常格點(diǎn)留下空位?？瘴缓烷g隙離子成對(duì)產(chǎn)生。 ? 弗侖克爾缺陷 ： ? (弗侖克爾缺陷中填隙離子和空位的濃度是相等的 ) ? Ef－形成弗侖克爾缺陷所需能量 e x p ( / 2 )ffN N E K T?? 載流子濃度 (1)本征電導(dǎo)的載流子濃度 ????FF FF Vi? 而肖特基缺陷中： ? ? Es－離解一個(gè)陽(yáng)離子和一個(gè)陰離子到達(dá)到表面所需能量 。 ? ? ? 低溫下： KTE， 故 Nf與 Ns都較低 。 只有在高溫下 ， 熱缺陷的濃度才明顯增大 ， 亦即 ， 固有電導(dǎo)在高溫下才會(huì)顯著地增大 。 ? E與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān) ， 一般 EsEf， 只有結(jié)構(gòu)很松 ， 離子半徑很小的情況下 ， 才容易形成弗侖克爾缺陷 。 ? e xp ( / 2 )sNs N E KT??????ClNa VV0?（ 2）雜質(zhì)電導(dǎo)的載流子濃度 ? 雜質(zhì)電導(dǎo) （ extrinsic conduction） 的載流子濃度決定于雜質(zhì)的數(shù)量和種類(lèi) 。 由于雜質(zhì)的存在 ， 不僅增加了載流子數(shù) ， 而且使點(diǎn)陣發(fā)生畸變 ， 使得離子離解能變小 。 在低溫下 ， 離子晶體的電導(dǎo)主要是雜質(zhì)電導(dǎo) 。 如在 Al2O3晶體中摻入 MgO或 TiO2雜質(zhì) OOAlOAl OVgMM g O 32 222 ????? ?? ??OAlAlOAl2 OVTiT i O 32 633 2 ??????? ?? ?很顯然 ， 雜質(zhì)含量相同時(shí) ， 雜質(zhì)不同產(chǎn)生的載流子濃度不同；而同樣的雜質(zhì) ， 含量不同 ， 產(chǎn)生的載流子濃度不同 。 ? 離子遷移率 ? 離子電導(dǎo)的微觀機(jī)構(gòu)為載流子 ─ 離子的擴(kuò)散 。 間隙離子處于間隙位置時(shí) ， 受周邊離子的作用 ， 處于一定的平衡位置 (半穩(wěn)定位置 )。 如要從一個(gè)間隙位置躍入相鄰間隙位置 ，需克服高度為 U0的勢(shì)壘完成一次躍遷 ， 又處于新的平衡位置上 。 這種擴(kuò)散過(guò)程就構(gòu)成了宏觀的離子 “ 遷移 ” 。 ? 由于 U0相當(dāng)大 ， 遠(yuǎn)大于一般的電場(chǎng)能 ， 即在一般的電場(chǎng)強(qiáng)度下 ， 間隙離子單從電場(chǎng)中獲得的能量不足以克服勢(shì)壘進(jìn)行躍遷 ， 因而熱運(yùn)動(dòng)能是間隙離子遷移所需能量的主要來(lái)源 。 ?間隙離子的勢(shì)壘變化 ? ? 單位時(shí)間沿某一方向躍遷的次數(shù) ? ? 離子遷移與勢(shì)壘 U0的關(guān)系 。ν0－間隙原子在半穩(wěn)定位置上振動(dòng)頻率 ? 無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，各方向遷移的次數(shù)都相同，宏觀上無(wú)電荷的定向運(yùn)動(dòng)。故介質(zhì)中無(wú)導(dǎo)電現(xiàn)象。 )/e x p (6 00 kTUvP ??? 加上電場(chǎng)后，由于電場(chǎng)力的作用，使得晶體中間隙離子的勢(shì)壘不再對(duì)稱(chēng)。正離子順電場(chǎng)方向， “ 遷移 ” 容易，反電場(chǎng)方向 “ 遷移 ” 困難。 ? ?kTUUP /)(e x p6 00 ???? ?順? ?kTUUP /)(e
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