材料的電學性能材料物理

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1、 5.1 5.1 電導性能電導性能 5.2 5.2 無機材料的電導無機材料的電導 5.3 5.3 半導體陶瓷的物理效應半導體陶瓷的物理效應 5.4 5.4 超導體超導體 5.5 5.5 介電性能介電性能 5.6 5.6 介質損耗介質損耗 5.7 5.7 介電強度介電強度5.1 5.1 電導性能電導性能一、電導的宏觀參數一、電導的宏觀參數二、電導的物理特性二、電導的物理特性三、離子電導與電子電導三、離子電導與電子電導四、導電性的測量四、導電性的測量一、電導的宏觀參數一、電導的宏觀參數電導率與電阻率電導率與電阻率(Electrical conductivity and Resistivity)導電

2、：在材料兩端施加電壓導電：在材料兩端施加電壓 時，材料中有電流時，材料中有電流 通過，通過，這種現象稱為這種現象稱為“導電導電”。RVI 歐姆定律：歐姆定律：（均勻導體）（均勻導體）SLR材料電阻材料電阻電阻率電阻率SJI J：電流密度：電流密度 A/cm2S：橫截面積：橫截面積 cm2電流均勻：電流均勻：電場強度均勻：電場強度均勻：LEV E：電場強度：電場強度 V/cmL：長度：長度 cmRLESJ EERSLJ1SLR：電阻率電阻率 cmLRS：電導率：電導率-1cm-1 Scm-1 S為西門子（為西門子（Siemens）1電阻率：電阻率：電導率電導率:電阻電阻 不僅與材料本性有關，而且

3、與導體的幾何形狀有關，不僅與材料本性有關，而且與導體的幾何形狀有關，電阻率電阻率 只與材料本性有關，與導體的幾何形狀無關。只與材料本性有關，與導體的幾何形狀無關。EEJ歐姆定律的微分形式：歐姆定律的微分形式：非均勻導體非均勻導體根據導電性能的好壞，材料分為：根據導電性能的好壞，材料分為：導體：導體：1010m半導體：半導體：10-2 1010 m材料的導電能力決定于其結構與導電本質。材料的導電能力決定于其結構與導電本質。越小，越小，越大，材料的導電性能就越好。越大，材料的導電性能就越好。2.體積電阻與體積電阻率體積電阻與體積電阻率SVIII體積電流體積電流表面電流表面電流體積電阻：體積電阻：表

4、面電阻：表面電阻：VVIVR/SSIVR/SVRRR111總電流：ShRVVRV 反映材料的導電能力反映材料的導電能力 Rs 與表面環境有關，不反映材料的導電能力與表面環境有關，不反映材料的導電能力 體積電阻率體積電阻率v(cm)是表征材料電阻性能的本征參數，是表征材料電阻性能的本征參數，只與材料有關。只與材料有關。板狀樣品厚度板狀樣品厚度cmcm板狀樣品電極面積板狀樣品電極面積cmcm2 2關鍵是測量材料的體電阻。關鍵是測量材料的體電阻。板狀試樣板狀試樣h電極電極管狀試樣管狀試樣xldxdRVV212ln2221rrlxdxlRVrrVV圓片試樣圓片試樣abgr1hr2主電極主電極 a 環形

5、電極環形電極 g 全電極全電極 b VE I若兩環形電極若兩環形電極a，g間為等電位，其表面電阻可忽略。間為等電位，其表面電阻可忽略。21rS主電極主電極a的有效面積：的有效面積：21rhRVVhrIVhrRVV2121221)(4rrS221)(4rrhShRVVVIVhrrV4)(221精確測定的經驗公式：精確測定的經驗公式：3.表面電阻與表面電阻率表面電阻與表面電阻率板狀試樣板狀試樣電極電極blRSS電極間的距離電極間的距離電極的長度電極的長度表面電阻率表面電阻率S(),s 不反映材料性質，只決定于樣品不反映材料性質，只決定于樣品表面狀態，可通過實驗測出。表面狀態，可通過實驗測出。圓片試

6、樣圓片試樣I habgVx2ln21221rrxdxRsrrssIVrrs12ln2二、電導的物理特性二、電導的物理特性1.載流子載流子電荷在空間的定向運動形成電流，電荷的自由粒子就電荷在空間的定向運動形成電流，電荷的自由粒子就是載流子。是載流子。電子（電子，空穴）電子（電子，空穴）離子（正、負離子，空位）離子（正、負離子，空位）無機非金屬材料中的載流子：無機非金屬材料中的載流子：金屬導體中的載流子：金屬導體中的載流子：自由電子自由電子電子電導、離子電導電子電導、離子電導 電子電導和離子電導具有不同的物理效應，利用其特有電子電導和離子電導具有不同的物理效應，利用其特有的物理效應可以判斷和確定材

7、料的電導性質。的物理效應可以判斷和確定材料的電導性質。2.電導率的一般表達式電導率的一般表達式物體導電現象的微觀本質：物體導電現象的微觀本質：載流子在電場作用下的定載流子在電場作用下的定向遷移。向遷移。單位體積內的載流子數為單位體積內的載流子數為 n（cm-3）每一載流子的荷電量為每一載流子的荷電量為q單位體積內參加導電的自由電荷為單位體積內參加導電的自由電荷為nq每一載流子在電場方向的平均速度為每一載流子在電場方向的平均速度為v（cm/s）單位時間（單位時間（1s）通過單位面積）通過單位面積S的電荷量，即的電荷量，即電流密度電流密度：nqvJ EEJEnqvEJ/遷移率遷移率(mobilit

8、y)：單位電場下載流子的移動速度：單位電場下載流子的移動速度v/E（cm2/sV）nqu若同時有數種載流子，總電導率：若同時有數種載流子，總電導率：iiiiiqni反映了電導率的微觀本質：宏觀電導率反映了電導率的微觀本質：宏觀電導率與微觀載流子濃與微觀載流子濃度度n，電荷量，電荷量q與遷移率與遷移率的關系。的關系。3.電導的物理效應電導的物理效應當沿試樣當沿試樣x x軸方向通入電流密度為軸方向通入電流密度為J Jx x的電流，同時在的電流，同時在z z軸軸方向加上磁場強度為方向加上磁場強度為HzHz的磁場，的磁場，由于磁場的作用，速度由于磁場的作用，速度為為v vx x的電子受到磁場力的電子受

9、到磁場力F FH H的作用力，磁場力使電子產生的作用力，磁場力使電子產生偏移在偏移在y y方向上形成電場，方向上形成電場，這一現象稱為霍爾效應，產這一現象稱為霍爾效應，產生的電場稱之為霍爾場生的電場稱之為霍爾場E EH H=E Ey y。xyzFy=eEy（EH：霍爾場）：霍爾場）HZJxFH=Hzevx（磁場力）（磁場力）平衡狀態（電子受到的電場力與磁場力平衡）：平衡狀態（電子受到的電場力與磁場力平衡）：xzHevHeE霍爾系數霍爾系數:RH1/ne nevJ xzHvHEneJv/xzHxzHJHRJHneE1根據電導率公式根據電導率公式n e，可得到霍爾遷移率可得到霍爾遷移率H H：HH

10、R在一定實驗條件下，通過測定在一定實驗條件下，通過測定RH和和，可以求出載流子濃度，可以求出載流子濃度n和遷移率和遷移率 電解現象：離子遷移伴隨著一定的質量變化，離子在電解現象：離子遷移伴隨著一定的質量變化，離子在電極附近發生電子得失（電化學反應），電極附近發生電子得失（電化學反應），產生新的物質。產生新的物質。電解物質與通過的電量呈正比。電解物質與通過的電量呈正比。zFQCQg/g g電解物質的量（電解物質的量（molmol）Q Q通過的電量（通過的電量（C C）C C電化當量（電化當量（mol/Cmol/C）z z電解物質的化合價電解物質的化合價F F法拉第常數，法拉第常數，9.64879

11、.648710104 4 C/mol C/mol 固體電解質的電解效應實驗原理固體電解質的電解效應實驗原理 MX型化合物，電解時通過電量為型化合物，電解時通過電量為Q。載流子有。載流子有M、X和和e三種。通三種。通過的總電流可分為遷移數分別為過的總電流可分為遷移數分別為te-，tx-和和tM+三個分電流。三個分電流。遷移數：指定種類的載流子所運載的電流與總電流之比。遷移數：指定種類的載流子所運載的電流與總電流之比。M(I)MX(I)MX(II)MX(III)M(II)-(1-te-)Mg+tX-MXg0-tX-MXg+(1-te-)Mg(tM+MtX-X)ge-te-QX-tX-QM+tM+Q

12、gXtMtXM)(Tubandt法原理（法原理（M,X,MX）分別為各物質原子量或分子量）分別為各物質原子量或分子量+-電電極極電電極極:)()(IMXIMgXtMtgXtMtMtMtgMXtMtMttgMXtMtXMXXXMXXXexe)()()1()1(gMXtgMtXe)1(tM+MtX-X)g M(II)MX(II):1.離子電導離子電導離子晶體中的電導主要是離子電導。離子晶體中的電導主要是離子電導。固有離子電導（本征電導）（高溫顯著）固有離子電導（本征電導）（高溫顯著）雜質電導（低溫顯著）雜質電導（低溫顯著）離子電導的分類：離子電導的分類：晶體點陣的基本離子隨著熱振動離開晶格形成熱晶

13、體點陣的基本離子隨著熱振動離開晶格形成熱缺陷（離子或空位），這些帶電的熱缺陷就是離缺陷（離子或空位），這些帶電的熱缺陷就是離子電導的載流子。子電導的載流子。固定較弱的離子運動造成，主要是雜質離子。固定較弱的離子運動造成，主要是雜質離子。二、離子電導與電子電導二、離子電導與電子電導interstitial atom 間隙原子間隙原子Vacancy空位空位substitutional atom置換原子置換原子interstitial atom間隙原子間隙原子點缺陷示意點缺陷示意間隙雜質原子間隙雜質原子置換雜質原子置換雜質原子弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷熱熱 缺缺 陷陷本征電導載流子

14、：本征電導載流子：弗侖克爾缺陷（弗侖克爾缺陷（Frenkel defect）肖特基缺陷（肖特基缺陷（Schottky defect）晶體熱缺陷晶體熱缺陷)2exp(kTENnff,Frenkel defect：間隙離子和空位的濃度相等。：間隙離子和空位的濃度相等。N-單位體積內離子結點數單位體積內離子結點數Ef-F缺陷形成能缺陷形成能k-Boltzman常數常數T熱力學溫度熱力學溫度,Schottky defect：空位濃度：空位濃度)2exp(kTENnssN單位體積內離子對的數目單位體積內離子對的數目EsS缺陷形成能缺陷形成能討論：討論：濃度取決于濃度取決于T、，Tn，En 一般離子晶體：

15、一般離子晶體：E s Ef雜質離子載流子濃度取決于雜質的數量和種類。雜質離子載流子濃度取決于雜質的數量和種類。雜質電導載流子：雜質電導載流子：離子電導的微觀機構：載流子即離子的擴散，所以離離子電導的微觀機構：載流子即離子的擴散，所以離子電導與離子擴散難易有關。子電導與離子擴散難易有關。0U位置位置x勢能勢能U)exp(600kTUp 0：間隙原子的振動頻率。：間隙原子的振動頻率。熱運動宏觀上無電導現象熱運動宏觀上無電導現象 無外加電場時間隙離子運動狀況無外加電場時間隙離子運動狀況外加電場外加電場E E間隙離子運動狀況間隙離子運動狀況外加電場改變了原周期作外加電場改變了原周期作用勢壘，沿用勢壘，

16、沿x方向每一個方向每一個原子間距原子間距，勢壘相對降，勢壘相對降低低qE 0UABUEq2/A B 克服勢壘克服勢壘U0-UB A 克服勢壘克服勢壘U0+U2 UqEkTUUpkTUUpABBA/)(exp6/)(exp60000ABBApppkTUkTUkTU/exp/exp)/exp(600間隙離子遷移速度間隙離子遷移速度:pvkTUkTUkTU/exp/exp)/exp(600單位時間間隙離子沿電場方向的凈躍遷次數為單位時間間隙離子沿電場方向的凈躍遷次數為:電場強度不大時，電場強度不大時，UkT，指數式可展開簡化為：，指數式可展開簡化為：/11U kTU kTUekTUekT kTUkT

17、Uv2)/exp(600EkTUkTqv)/exp(6020遷移速度簡化為：遷移速度簡化為：2 UqE載流子沿電場方向的遷移率為：載流子沿電場方向的遷移率為：)/exp(6002kTUkTqEvv 離子遷移率與電場強度無關離子遷移率與電場強度無關v 遷移率與晶體結構有關遷移率與晶體結構有關(、U0、0)v 指數項受溫度影響較大指數項受溫度影響較大討論：討論：在弱電場作用下，在弱電場作用下，：晶格間距（：晶格間距（cm）0：間隙離子的振動頻率（：間隙離子的振動頻率（hz)q：間隙離子的電荷數（：間隙離子的電荷數（C)k：波爾茲曼常數：波爾茲曼常數 0.86 104（eV/K）U0：無外加電場時間

18、隙離子的勢壘（：無外加電場時間隙離子的勢壘（eV）qnSchottky defect引起的引起的本征離子電導率：本征離子電導率：)exp()21(exp6)exp(6)2exp(022022kTWAkTEUkTqNkTUkTqkTENssssssWs電導活化能，包括缺陷形成能與遷移能電導活化能，包括缺陷形成能與遷移能As常數常數 本征離子電導率一般表達式：本征離子電導率一般表達式：)exp()exp(111TBAkTWAB1W/kA1常數常數 雜質離子電導率一般表達式：雜質離子電導率一般表達式：)exp(22TBAA2N2q2 2 6kTB2B1，12BBee雜質電導率比本征電導率大得多，雜質

19、電導率比本征電導率大得多，離子晶體的電導主要為雜質電導離子晶體的電導主要為雜質電導。物質中存在多種載流子，總電導率：物質中存在多種載流子，總電導率：iiiTBA)exp(雜質離子濃度雜質離子濃度離子擴散機構離子擴散機構載流子：空位載流子：空位載流子：間隙原子載流子：間隙原子“接力式接力式”運動運動 溫度溫度隨著溫度的升高，離子電導按指數規律增加。隨著溫度的升高，離子電導按指數規律增加。晶體結構晶體結構 熔點高，晶體結合力大，活化能高，電導率低；熔點高，晶體結合力大，活化能高，電導率低；正離子電荷少，半徑小，活化能低，電導率高；正離子電荷少，半徑小，活化能低，電導率高；晶體結構致密，間隙離子遷移

20、困難，電導率低。晶體結構致密，間隙離子遷移困難，電導率低?；罨埽ɑ罨埽╓）形成離子電導的離子型晶體必須具有兩個條件形成離子電導的離子型晶體必須具有兩個條件:v 電子載流子濃度??；電子載流子濃度??；v 離子晶格缺陷濃度大并參與電導。離子晶格缺陷濃度大并參與電導。晶格缺陷晶格缺陷離子電導的關鍵：離子性晶格缺陷的形成及其濃度大小離子電導的關鍵：離子性晶格缺陷的形成及其濃度大小 ,熱激勵生成晶格缺陷（熱激勵生成晶格缺陷（F F、S S缺陷）缺陷）,不等價固溶摻雜生成晶格缺陷不等價固溶摻雜生成晶格缺陷,非化學計量比產生晶格缺陷（氣氛，壓力非化學計量比產生晶格缺陷（氣氛，壓力）Y2O3 2Y Zr+V

21、O+3OOZrO22ZrO2 2Zr.Y+Oi+3OOY2O3離子型缺陷的產生總或多或少的伴隨著電子的產生，呈現離子型缺陷的產生總或多或少的伴隨著電子的產生，呈現出電子電導。出電子電導?？傠妼孰x子電導率電子電導率?？傠妼孰x子電導率電子電導率。eihheeedddieneneZn|nd，ne，nh分別為離子缺陷、電子和空穴的濃度分別為離子缺陷、電子和空穴的濃度 d，e，h分別為離子缺陷、電子和空穴的遷移率分別為離子缺陷、電子和空穴的遷移率 Zd 離子缺陷的有效價數離子缺陷的有效價數穩定穩定ZrO2的氧脫離形成氧空位：的氧脫離形成氧空位：OO 1/2O2+VO+2e-離子遷移數：離子遷移數：電

22、子遷移數：電子遷移數：)/(/)/(/eieeeeiiiitt99.099.0iitt離子電導體離子電導體混合電導體混合電導體2.電子電導電子電導電子電導的載流子是電子或空穴（電子空位），電子電電子電導的載流子是電子或空穴（電子空位），電子電導主要發生在導體（金屬）和半導體中。導主要發生在導體（金屬）和半導體中。自由電子在外電場自由電子在外電場E的作用下，作加速運動的作用下，作加速運動經典力學理論經典力學理論加速度：加速度：E電場強度電場強度e電子電荷量電子電荷量m電子質量電子質量meEa ne晶格熱振動、雜質、缺陷的作用（碰撞）使電子產生散射，晶格熱振動、雜質、缺陷的作用（碰撞）使電子產生散

23、射，兩次碰撞之間的平均時間為兩次碰撞之間的平均時間為2，電子的平均速度為：，電子的平均速度為：meEv/松弛時間松弛時間 與晶格缺陷及溫度有關，溫度越高，晶體缺陷越多，電子與晶格缺陷及溫度有關，溫度越高，晶體缺陷越多，電子散射幾率越大，散射幾率越大，越小。越小。meEv實際晶體中的電子不是實際晶體中的電子不是“自由自由”的，必須考慮晶格場對電子的，必須考慮晶格場對電子的作用。的作用。量子力學理論量子力學理論電子有效質量電子有效質量m*（考慮了晶格場對電子的作用）（考慮了晶格場對電子的作用）12222*)(4dkdhm 電子能量電子能量hPlank常數常數k 波矢量波矢量(波數波數)自由電子：自

24、由電子：mm*晶體中的電子：晶體中的電子：emm*meEv電子和空穴的有效質量電子和空穴的有效質量m*取決于材料性質，取決于材料性質，由載流子的由載流子的散射決定。散射決定。散射弱散射弱,長長,高。高。摻雜濃度和溫度對摻雜濃度和溫度對的影響的影響,本質上是對載流子散射強弱本質上是對載流子散射強弱的影響。的影響。晶格散射晶格散射晶格振動晶格振動:半導體晶體中規則排列的晶格半導體晶體中規則排列的晶格,在其晶格在其晶格點陣附近產生的熱振動。點陣附近產生的熱振動。晶格散射晶格散射:由晶格振動引起的散射。由晶格振動引起的散射。溫度溫度 晶格振動晶格振動 晶格散射晶格散射 低摻雜半導體遷移率隨溫度升高而大

25、幅下降的原因。低摻雜半導體遷移率隨溫度升高而大幅下降的原因。電離雜質散射電離雜質散射高摻雜濃度時，半導體遷移率高摻雜濃度時，半導體遷移率 隨溫度變化較小。隨溫度變化較小。電離雜質產生的正負電中心對載流子的吸引或排斥作用電離雜質產生的正負電中心對載流子的吸引或排斥作用,導致散射。導致散射。+eh摻雜濃度摻雜濃度:摻雜濃度摻雜濃度 散射散射 溫度溫度:溫度溫度 載流子運動速度載流子運動速度 吸引或排斥吸引或排斥 散射散射 能帶理論能帶理論晶體中電子能級間的間隙很小，所以能級的分布可以看晶體中電子能級間的間隙很小，所以能級的分布可以看成是準連續的，稱為能帶。成是準連續的，稱為能帶。禁帶：禁帶：禁止電

26、子具有的能級組成的能帶。禁止電子具有的能級組成的能帶。允帶：允帶：電子可以具有的能級組成的能帶。電子可以具有的能級組成的能帶。電子可以具有允帶中各能級的能量，但允帶中每個能級只能允許有電子可以具有允帶中各能級的能量，但允帶中每個能級只能允許有兩個自旋反向的電子存在。兩個自旋反向的電子存在。導帶：導帶：具有空能級允帶中的電子是自由的，在外加電場具有空能級允帶中的電子是自由的，在外加電場作用下參與導電，這樣的允帶稱為導帶。作用下參與導電，這樣的允帶稱為導帶?？漳芗墸嚎漳芗墸涸蕩е形幢惶顫M電子的能級。允帶中未被填滿電子的能級。滿帶：滿帶：所有能級均被電子填滿的允帶。所有能級均被電子填滿的允帶。禁帶禁

27、帶晶體中并非所有電子和價電子都參與導電，只有導帶中晶體中并非所有電子和價電子都參與導電，只有導帶中的電子或價帶頂部的空穴才能參與導電。的電子或價帶頂部的空穴才能參與導電。本征電導：本征電導：導帶中的電子電導和價帶中的空穴電導同時存在。導帶中的電子電導和價帶中的空穴電導同時存在。本征電導的載流子電子和空穴的濃度相等。本征電導的載流子電子和空穴的濃度相等。本征電導體：本征電導體：具有本征電導特性的半導體。具有本征電導特性的半導體。電子電子空穴空穴導帶底部能級導帶底部能級費米（費米（Fermi）能級）能級價帶頂部能級價帶頂部能級電子存在幾率為電子存在幾率為1/21/2的能級的能級本征半導體中的載流子

28、（電子與空穴）由熱激發產生，其本征半導體中的載流子（電子與空穴）由熱激發產生，其濃度與溫度呈指數關系。濃度與溫度呈指數關系。Nc：導帶的有效狀態密度：導帶的有效狀態密度k：波爾茲曼常數：波爾茲曼常數h：普朗克常數：普朗克常數me*：電子有效質量：電子有效質量T：絕對溫度：絕對溫度kTEENnfcce)(exp導帶電子濃度：導帶電子濃度：232*)/2(2hkTmNeV根據根據Fermi統計理論：統計理論：價帶中的空穴濃度：價帶中的空穴濃度：NV：價帶的有效狀態密度：價帶的有效狀態密度mh*：空穴有效質量：空穴有效質量kTEENnVfVhexp232*)/2(2hkTmNhVN等效狀態密度等效狀

29、態密度)2exp(kTENnnghe43*232)()2(2hemmhkTNhenn VcVcfNNkTEEEln21)(21n 型半導體：型半導體：摻入施主雜質的半導體。摻入施主雜質的半導體。載流子：多余的電子載流子：多余的電子p 型半導體：型半導體：摻入受主雜質的半導體（空穴半導體）。摻入受主雜質的半導體（空穴半導體）。載流子：空穴載流子：空穴5 5價雜質砷價雜質砷4 4價半導體硅價半導體硅3 3價雜質硼價雜質硼4 4價半導體硅價半導體硅施主能級施主能級受主能級受主能級kTEENNnDCDCe2)(exp)(21NC導帶的有效狀態密度導帶的有效狀態密度ND單位體積中施主原子個數單位體積中施

30、主原子個數ED施主能級施主能級EiEC-ED,電離能電離能kTENNiDC2exp)(21低溫（低溫（EC-ED Eg)：DcDCfNNkTEEEln21)(21低溫（低溫（EA-EV Eg)：kTENNkTEENNniAVVAAVh2exp)(2exp)(2121NV價帶的空穴狀態密度價帶的空穴狀態密度NA受主雜質濃度受主雜質濃度EA受主能級受主能級Ei電離能電離能,Ei=EA-EVVAAVfNNkTEEEln21)(21nq電子導體中，載流子電子和空穴的濃度、遷移率常不一電子導體中，載流子電子和空穴的濃度、遷移率常不一樣，計算時需分別考慮。樣，計算時需分別考慮。ekTENenenheghh

31、ee)()2exp(e 和和h分別為電子與空穴的遷移率分別為電子與空穴的遷移率ekTENNekTENeiDCheg)2exp()()()2exp(21本征電導性，第一本征電導性，第一項與雜質濃度無關項與雜質濃度無關第二項與施主雜第二項與施主雜質濃度質濃度N ND D有關有關高溫時，第一項起主要作用高溫時，第一項起主要作用低溫時，第二項起主要作用低溫時，第二項起主要作用本征半導體或高溫時的雜質半導體的電導率與溫度的關系本征半導體或高溫時的雜質半導體的電導率與溫度的關系:溫度變化不大時，溫度變化不大時，0 可視為常數?？梢暈槌?。ln與與1/T成直線關系。成直線關系。由直線斜率可求出禁帶寬度由直線

32、斜率可求出禁帶寬度Eg。)2/exp(0kTEgkTEkTEgg2/lnln)2/exp(00ekTENNekTENeiAVheg)2exp()()()2exp(21第二項與受主雜質第二項與受主雜質濃度濃度N NV V有關有關實際晶體：實際晶體：一種電子導電機構一種電子導電機構低溫：雜質電子電導低溫：雜質電子電導高溫：本征電子電導高溫：本征電子電導存在兩種雜質存在兩種雜質v 溫度溫度溫度變化不大時，電導率與溫度呈指數關系。電導率溫度變化不大時，電導率與溫度呈指數關系。電導率對溫度的依賴關系主要取決于濃度項。載流子濃度與對溫度的依賴關系主要取決于濃度項。載流子濃度與溫度符合指數式。溫度符合指數式

33、。低溫區：雜質電子電導低溫區：雜質電子電導高溫區：本征電子電導高溫區：本征電子電導中溫區：飽和，雜質完全離解，載流子濃度不隨溫度中溫區：飽和，雜質完全離解，載流子濃度不隨溫度變化變化v 雜質缺陷雜質缺陷施主雜質施主雜質 受主雜質受主雜質 價控半導體價控半導體lnnelnnh本征區飽和區ne ND-NAnh NA-ND1/T)(2/)()(2/)(DhAVAAeDDCNnNkEEBNnNkEEBkEBg2四、導電性的測量四、導電性的測量電導的宏觀參數電導的宏觀參數電導的物理特性電導的物理特性電導率電導率 (1/(1/)體積電阻率：體積電阻率：反映材料的導電能力反映材料的導電能力 表面電阻率表面電

34、阻率載流子（電子、離子）載流子（電子、離子）nqu電導的物理效應電導的物理效應霍爾效應（電子電導）霍爾效應（電子電導）電解效應（離子電導）電解效應（離子電導）離子電導與電子電導離子電導與電子電導圓片試樣圓片試樣小小 結結離離子子電電導導v載流子：載流子：熱缺陷：熱缺陷：F缺陷、缺陷、S缺陷缺陷)exp()exp(111TBAkTWAv遷移率遷移率v載流子濃度載流子濃度v電導率電導率v載流子：載流子：雜質離子雜質離子v遷移率遷移率v載流子濃度載流子濃度)exp(22TBAv電導率電導率電電子子電電導導v載流子：載流子：電子或空穴電子或空穴v遷移率遷移率v載流子濃度載流子濃度v電導率電導率v載流子

35、：多余電子載流子：多余電子v遷移率遷移率v載流子濃度載流子濃度v電導率電導率v遷移率遷移率v載流子濃度載流子濃度v電導率電導率v載流子：空穴載流子：空穴5.2 5.2 無機材料的電導無機材料的電導一、無機材料電導的混合法則一、無機材料電導的混合法則二、電流吸收現象二、電流吸收現象三、電化學老化現象三、電化學老化現象無機材料：無機材料：多晶多相多晶多相 結構復雜（晶界、相界、氣孔）結構復雜（晶界、相界、氣孔）一、無機材料電導的混合法則一、無機材料電導的混合法則陶瓷材料陶瓷材料假設陶瓷材料由晶粒和晶界組成，界面和局部電場假設陶瓷材料由晶粒和晶界組成，界面和局部電場變化等影響因素可以忽略。變化等影響

36、因素可以忽略。nBBnGGnTVV G、B：晶粒、晶界的電導率：晶粒、晶界的電導率VG、VB：晶粒、晶界的體積分數晶粒、晶界的體積分數n=-1n=-1串連串連n=1n=1并聯并聯n 0n 0均勻分散狀態均勻分散狀態將式將式(4-1)(4-1)微分微分若若n 0，則，則即即材料電導的對數混合法則材料電導的對數混合法則BnBBGnGGTnTdnVdnVdn111BBBGGGTTdVdVdBBGGTVVlnlnln二、電流吸收現象二、電流吸收現象給陶瓷加上直流電壓后，其電流先隨時間減小，然后才能給陶瓷加上直流電壓后，其電流先隨時間減小，然后才能穩定，即其電阻需要經過一定的時間才能穩定。切斷電源穩定，

37、即其電阻需要經過一定的時間才能穩定。切斷電源后，將電極短路，出現反向電流，并隨時間減小到零。后，將電極短路，出現反向電流，并隨時間減小到零。吸收電流吸收電流漏電電流漏電電流原因：原因：外加電場作用下，正負離子定向移動，集聚在外加電場作用下，正負離子定向移動，集聚在在電極或生成新的物質；在電極或生成新的物質；不均勻結構（雜質、晶格畸變、晶界、氣孔不均勻結構（雜質、晶格畸變、晶界、氣孔等）引起電荷集聚。等）引起電荷集聚?？臻g電荷的積累，即空間電荷，改變了外電場在空間電荷的積累，即空間電荷，改變了外電場在陶瓷內的電位分布，引起電流變化。陶瓷內的電位分布，引起電流變化。電流吸收現象主要發生在電流吸收現

38、象主要發生在離子電導為主的陶瓷材料中離子電導為主的陶瓷材料中。電。電子電導為主的陶瓷材料，由于電子遷移率很高，不存在空子電導為主的陶瓷材料，由于電子遷移率很高，不存在空間電荷和吸收電流現象。間電荷和吸收電流現象。三、電化學老化現象三、電化學老化現象電化學老化：電場作用下，由于化學變化引起材料性電化學老化：電場作用下，由于化學變化引起材料性能不可逆的惡化。能不可逆的惡化。原因：原因：離子在電極附近發生氧化還原反應。離子在電極附近發生氧化還原反應。必要條件：必要條件：介質中的離子至少有一種參加電導。介質中的離子至少有一種參加電導。5.3 5.3 半導體陶瓷的物理效應半導體陶瓷的物理效應一、壓敏效應

39、一、壓敏效應二、二、PTCPTC效應效應三、三、SeebackSeeback效應效應一、壓敏效應（一、壓敏效應（Varistor Effect）對電壓變化敏感的非線性電阻效對電壓變化敏感的非線性電阻效應，即在某一臨界電壓下，電阻應，即在某一臨界電壓下，電阻非常大，幾乎無電流通過，超過非常大，幾乎無電流通過，超過該臨界電壓（敏感電壓），電阻該臨界電壓（敏感電壓），電阻迅速降低，電流通過。迅速降低，電流通過。ZnO壓敏電阻：壓敏電阻：穩壓和過壓保護、避雷器穩壓和過壓保護、避雷器二、二、PTC效應（效應（Positive Temperature Coefficient）在材料（價控在材料（價控BaT

40、iO3）相變點）相變點附近（居里點），電阻率隨溫附近（居里點），電阻率隨溫度上升發生突變，顯著提高，度上升發生突變，顯著提高，即所謂的即所謂的PTCPTC現象?，F象。應用：應用：過熱保護、過流保護、恒過熱保護、過流保護、恒溫發熱體（電飯鍋、電吹溫發熱體（電飯鍋、電吹風機等）風機等）三、三、Seeback 效應（溫差電動勢效應）效應（溫差電動勢效應）由于溫度梯度使多數載流子從熱端擴散到冷端，結果在由于溫度梯度使多數載流子從熱端擴散到冷端，結果在半導體兩端就產生溫差電動勢，這種現象稱為溫差電動半導體兩端就產生溫差電動勢，這種現象稱為溫差電動勢效應。勢效應。n型半導體型半導體T1 T2-+-T1T2

41、+T1T2-V Vp型半導體型半導體5.4 5.4 超導體超導體一、超導電性一、超導電性二、超導體的基本特征二、超導體的基本特征三、超導體的性能指標三、超導體的性能指標四、超導體的研究進展與應用四、超導體的研究進展與應用一、一、超導電性超導電性超導電性：在一定的低溫條件下，材料超導電性：在一定的低溫條件下，材料突然失去電阻的現象稱為超突然失去電阻的現象稱為超導電性。導電性。1911年，年，荷蘭科學家荷蘭科學家卡茂林卡茂林昂內斯昂內斯（Kamerlingh Onnes）發現：在溫度附）發現：在溫度附近，水銀的電阻突然下降到無法測量的近，水銀的電阻突然下降到無法測量的程度，或者說電阻為零。程度，或

42、者說電阻為零。臨界溫度臨界溫度Tc：材料由正常態（有電阻）變為超導態的溫度。材料由正常態（有電阻）變為超導態的溫度。零電阻、等電位零電阻、等電位超導體：超導體：具有超導電性物質。具有超導電性物質。二、二、超導體的基本特征超導體的基本特征1.完全導電性（零電阻）完全導電性（零電阻）放在磁場中的環形超導體，冷卻到低溫使其變為超導態，放在磁場中的環形超導體，冷卻到低溫使其變為超導態，把外磁場突然去掉，由于磁感應作用圓環內產生感生電流，把外磁場突然去掉，由于磁感應作用圓環內產生感生電流，由于電阻為零，感生電流永不衰竭，稱為永久電流。由于電阻為零，感生電流永不衰竭，稱為永久電流。2.完全抗磁性（完全抗磁

43、性（Meissner效應）效應）處于超導狀態的金屬，不管其經歷如何，內部磁感應強處于超導狀態的金屬，不管其經歷如何，內部磁感應強度度B始終為零。始終為零。v 外加磁場不能進入超導體的內部；外加磁場不能進入超導體的內部；v 原來處于磁場中的正常態樣品，當溫度下降使其變為原來處于磁場中的正常態樣品，當溫度下降使其變為超導體時，也會把原來在體內的磁場完全排出去。超導體時，也會把原來在體內的磁場完全排出去。超導態對磁通的排斥超導態對磁通的排斥正常態正常態超導態超導態三、三、超導體的性能指標超導體的性能指標1.臨界轉變溫度臨界轉變溫度Tc：由正常態變為超導態的溫度由正常態變為超導態的溫度臨界轉變溫度越高

44、越好，越有利于利用。臨界轉變溫度越高越好，越有利于利用。超導體具有屏蔽磁場和排出磁通的性能。超導體具有屏蔽磁場和排出磁通的性能。2.臨界磁場臨界磁場Hc：保持超導態的最大磁場強度保持超導態的最大磁場強度當當TTc，將超導體放入磁場中，如果磁場強度高于臨界，將超導體放入磁場中，如果磁場強度高于臨界磁場強度，則磁力線穿過超導體，超導體被破壞成為正磁場強度，則磁力線穿過超導體，超導體被破壞成為正常態。常態。3.臨界電流密度臨界電流密度Jc：保持超導態的最大輸入電流密度保持超導態的最大輸入電流密度如果輸入電流所產生的磁場與外磁場之和超過臨界磁場，如果輸入電流所產生的磁場與外磁場之和超過臨界磁場，則超導

45、態被破壞，這時輸入的電流為臨界電流則超導態被破壞，這時輸入的電流為臨界電流Ic，相應的，相應的電流密度稱為臨界電流密度電流密度稱為臨界電流密度Jc。四、四、超導體的研究進展與應用超導體的研究進展與應用金屬及金屬化合物金屬及金屬化合物以以1975年、的年、的“庫柏電子對庫柏電子對”超導理論模型超導理論模型最最為著名。認為超導現象源于電子為著名。認為超導現象源于電子-聲子相互作用產聲子相互作用產生的電子對。生的電子對。該理論預言：金屬和金屬間化合物中的超導體的該理論預言：金屬和金屬間化合物中的超導體的Tc不超過不超過30K。氧化物超導體氧化物超導體至今還沒有被人完全接受的超導理論模型。至今還沒有被

46、人完全接受的超導理論模型。1.研究進展研究進展 為了尋找為了尋找Tc更高的超導體，從更高的超導體，從60年代開始在氧化物年代開始在氧化物中尋找超導體。中尋找超導體。1986年，瑞士的年，瑞士的J.G.Bednorz和發現和發現Tc為為35K的的Na-La-Cu系氧化物超導體系氧化物超導體，獲得諾貝爾獎。，獲得諾貝爾獎。1987年，中國科學家趙忠賢等人得到年，中國科學家趙忠賢等人得到Tc在液氮以上在液氮以上溫度的溫度的Y-La-Cu-O系超導體系超導體，即所謂的，即所謂的123材料。材料。超導薄膜、線材相繼問世。超導薄膜、線材相繼問世。目前已發現超導溫度大目前已發現超導溫度大133K以上的超導氧化物。以上的超導氧化物。著名的超導化合物：著名的超導化合物：Nb3Sn（Tc）Nb3Ge（Tc）超導儲能磁體超導儲能磁體 超導磁懸浮列車超導磁懸浮列車 2.應用應用高溫超導變壓器高溫超導變壓器 超導核磁共振層析成像儀超導核磁共振層析成像儀 超導計算機超導計算機 超超 導導 市市 場場 預預 測測 1993年世界銀行的國際超導工業峰會上預測，年世界銀行的國際超導工業峰會上預測，到到2020年世界超導產品的銷售總額將達年世界超導產品的銷售總額將達244億美元。億美元。