试谈材料的电性能PPT公开课(27页)
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材料的电性能
Contents：
• 材料电性能的定义 • 导电体 • 绝缘体 • 半导体 • 超导体
1 材料电性能的定义
材料的电性能是指材料在外加电压或 电场作用下的行为及其所表现出来的各种 物理现象。
材料的电性质包括：导电性，介电性， 超导性，热电性，铁电性，及压电性等。
材料按电学性质分类：
材料 导电体 绝缘体 半导体 超导体 如：金属 如：橡胶 如：Si 如：纯铅
本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导 体称为本征半导体
对掺入施主杂质（如五价元素磷、砷 等）
的半导体，导电载流子主要是导带中的电子， 属电子型导电，称N型半导体。掺入受主杂质 （三价元素硼、铝 等）的半导体属空穴型导电， 称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电 子-空穴对，故N型半导体中可存在少量导电空 穴，P型半导体中可存在少量导电电子，它们均 称为少数载流子。
电阻率是微观水平上阻碍电流流动的度量。 电阻是材料形状，尺寸的函数，而电阻率同 密度一样，是材料固有的性质，只与材料的 结构有关，与材料的尺寸无关。
电阻率ρ是表征材料导电性的重要物理量。超导 体，导体，半导体的绝缘体ρ值的大小与范围可分类 如下:
超导体：ρ→0 Ω·m
导体：ρ=10-8～10-5 Ω·m
电场强度的关系曲线（类 2 压电性，热释电性，和铁电性
2 压电性，热释电性，和铁电性 Onnes首先发现汞的超导性以来，至今人们已经发现了成千上万种超导体，因此超导体的存在实际上是一种普遍现象，例如铅、锡等金
似于磁性材料对磁场的关 属，一些合金和化合物具有超导性。
随着冷塑性变形量的增加，晶体中位错增多，从而电阻率提高。
取向，从而得到如图所示的极化强度与电场强度的关系曲线（类似于磁性材料对磁场的关系，故称之为电滞回线）。
电阻率ρ是表征材料导电性的重要物理量。
出很强的电偶极矩，这些 当电压加到两块真空的平行板上时，板上的电荷Q0电压成正比，Q0=C0U，比例系数C0就是电容。
材料的电性质包括：导电性，介电性，超导性，热电性，铁电性，及压电性等。
εr=C/C0=(Q0+Q1)/Q0
板上的电荷在着眼于介电性质时，绝缘体就 称为电介质。介电性的一个重要标志就是材料能 够产生极化现象。
3.2 压电性，热释电性，和铁电性
（1）压电性
1880年，P.居里兄弟发现：当对α-石英晶 体在某些特定方向上加力时，在与力的方向垂 直的平面上出现了正负束缚电荷，这种现象称 为压电效应。
料中有一部分晶体即使在 同压电效应类似，有些晶体可以因温度变化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电效应。
由于苛刻的低温条件严重限制了超导体技术的应用，因此寻求高TC的超导体材料是该领域的主攻目标。 同压电效应类似，有些晶体可以因温度变化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电效应。
无外电场的作用下也表现 在具有热释电性的材料中有一部分晶体即使在无外电场的作用下也表现出很强的电偶极矩，这些电偶极矩在反向电场作用下可以重新
3 绝缘体
橡胶
塑料
陶瓷
玻璃
绝缘材料作为材料使用可以分为绝缘材料和介 电材料两类。
绝缘材料的主要功能是实现电绝缘，如高压绝 缘电瓶所用的氧化铝陶瓷就是一种绝缘材料。 比较常见的介电材料是电容器介质材料，压电 材料等。
绝缘材料和介电材料两者在电子和电气工程中 都起到重要作用。
静电场中介质的极化
（A）真空电容器；（B）介电电容器
2 导电体
金子
铝线
铜线
石墨
2.1 金属的电阻率
表征材料电性质的物理量有：电阻 （R），电阻率（ρ）以及电导率（σ）和其 他性质。
电阻R值与被测试样的几何形状及尺寸 有关：
R= ρL/A
式中:R------电阻（Ω）；ρ------电阻率，Ω·m；
L------材料长度，m；A------材料截面积，m2
压电材料主要用于电能与机械能相互转 换的传感器中，例如拾振器，扩音器，超声 波发生仪，和声纳探测仪等。
（2）热释电性
同压电效应类似，有些晶体可以因温度变 化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电 效应。
热释电材料是压电材料中的一类，它主要 的特点是因温度的变化引起介质极化。
（3）铁电性
在具有热释电性的材
当电压加到两块真空的平行板上时，板上的 电荷Q0电压成正比，Q0=C0U，比例系数C0就是 电容。如果在平板电容的极板间充满某种绝缘体 （电介质），则由于电介质在电场的作用下发生 极化而产生表面束缚电荷，在相同的电压下使平 板电容器极板上的感应电荷增加了Q1，则 Q0+Q1=CU，电容量增加了。电介质引起电容量 增加的比例，称为相对介电常数εr，也称电容率。
由于苛刻的低温条件严重限制了超导体技术的应用，因此寻求高TC的超导体材料是该领域的主攻目标。
热释电材料是压电材料中的一类，它主要的特点是因温度的变化引起介质极化。
到如图所示的极化强度与 本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体
材料的电性能是指材料在外加电压或电场作用下的行为及其所表现出来的各种物理现象。
半导体：ρ=10-5 ～ 107 Ω·m
绝缘体：ρ=107 ～ 1020 Ω·m
2.2 影响电阻率的因素
1、温度的影响。金属中，温度越高，电阻率 越高。
2、杂质的影响。在纯金属中加入少量的合金 元素将增加金属对电子的散射作用，从而使金 属的电阻率增加。
3、冷塑性形变的影响。随着冷塑性变形量的 增加，晶体中位错增多，从而电阻率提高。
1821年塞贝克发现了热能转换为电能的塞贝克效应。
P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域称为PN结 。
如：BaTiO3
系，故称之为电滞回线）。 这类晶体称为铁电体。
电介质，压电体，热释电体和铁电体之间 的关系可用下图表示：
4 半导体
二极管三Leabharlann 管电子产品光伏电池
4.1 半导体相关概念
半导体：材料的电阻率界于金属与绝缘材料 之间的材料。这种材料在某个温度范围内随温度 升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。
电偶极矩在反向电场作用 热释电材料是压电材料中的一类，它主要的特点是因温度的变化引起介质极化。
超导体，导体，半导体的绝缘体ρ值的大小与范围可分类如下: 使超导体的电阻变为零的温度称为零界温度，以TC表示。
下可以重新取向，从而得 如果在一根半导体棒或者金属的两端保持温度差，那就热端的载流子将趋向于冷端运动。
Contents：
• 材料电性能的定义 • 导电体 • 绝缘体 • 半导体 • 超导体
1 材料电性能的定义
材料的电性能是指材料在外加电压或 电场作用下的行为及其所表现出来的各种 物理现象。
材料的电性质包括：导电性，介电性， 超导性，热电性，铁电性，及压电性等。
材料按电学性质分类：
材料 导电体 绝缘体 半导体 超导体 如：金属 如：橡胶 如：Si 如：纯铅
本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导 体称为本征半导体
对掺入施主杂质（如五价元素磷、砷 等）
的半导体，导电载流子主要是导带中的电子， 属电子型导电，称N型半导体。掺入受主杂质 （三价元素硼、铝 等）的半导体属空穴型导电， 称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电 子-空穴对，故N型半导体中可存在少量导电空 穴，P型半导体中可存在少量导电电子，它们均 称为少数载流子。
电阻率是微观水平上阻碍电流流动的度量。 电阻是材料形状，尺寸的函数，而电阻率同 密度一样，是材料固有的性质，只与材料的 结构有关，与材料的尺寸无关。
电阻率ρ是表征材料导电性的重要物理量。超导 体，导体，半导体的绝缘体ρ值的大小与范围可分类 如下:
超导体：ρ→0 Ω·m
导体：ρ=10-8～10-5 Ω·m
电场强度的关系曲线（类 2 压电性，热释电性，和铁电性
2 压电性，热释电性，和铁电性 Onnes首先发现汞的超导性以来，至今人们已经发现了成千上万种超导体，因此超导体的存在实际上是一种普遍现象，例如铅、锡等金
似于磁性材料对磁场的关 属，一些合金和化合物具有超导性。
随着冷塑性变形量的增加，晶体中位错增多，从而电阻率提高。
取向，从而得到如图所示的极化强度与电场强度的关系曲线（类似于磁性材料对磁场的关系，故称之为电滞回线）。
电阻率ρ是表征材料导电性的重要物理量。
出很强的电偶极矩，这些 当电压加到两块真空的平行板上时，板上的电荷Q0电压成正比，Q0=C0U，比例系数C0就是电容。
材料的电性质包括：导电性，介电性，超导性，热电性，铁电性，及压电性等。
εr=C/C0=(Q0+Q1)/Q0
板上的电荷在着眼于介电性质时，绝缘体就 称为电介质。介电性的一个重要标志就是材料能 够产生极化现象。
3.2 压电性，热释电性，和铁电性
（1）压电性
1880年，P.居里兄弟发现：当对α-石英晶 体在某些特定方向上加力时，在与力的方向垂 直的平面上出现了正负束缚电荷，这种现象称 为压电效应。
料中有一部分晶体即使在 同压电效应类似，有些晶体可以因温度变化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电效应。
由于苛刻的低温条件严重限制了超导体技术的应用，因此寻求高TC的超导体材料是该领域的主攻目标。 同压电效应类似，有些晶体可以因温度变化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电效应。
无外电场的作用下也表现 在具有热释电性的材料中有一部分晶体即使在无外电场的作用下也表现出很强的电偶极矩，这些电偶极矩在反向电场作用下可以重新
3 绝缘体
橡胶
塑料
陶瓷
玻璃
绝缘材料作为材料使用可以分为绝缘材料和介 电材料两类。
绝缘材料的主要功能是实现电绝缘，如高压绝 缘电瓶所用的氧化铝陶瓷就是一种绝缘材料。 比较常见的介电材料是电容器介质材料，压电 材料等。
绝缘材料和介电材料两者在电子和电气工程中 都起到重要作用。
静电场中介质的极化
（A）真空电容器；（B）介电电容器
2 导电体
金子
铝线
铜线
石墨
2.1 金属的电阻率
表征材料电性质的物理量有：电阻 （R），电阻率（ρ）以及电导率（σ）和其 他性质。
电阻R值与被测试样的几何形状及尺寸 有关：
R= ρL/A
式中:R------电阻（Ω）；ρ------电阻率，Ω·m；
L------材料长度，m；A------材料截面积，m2
压电材料主要用于电能与机械能相互转 换的传感器中，例如拾振器，扩音器，超声 波发生仪，和声纳探测仪等。
（2）热释电性
同压电效应类似，有些晶体可以因温度变 化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电 效应。
热释电材料是压电材料中的一类，它主要 的特点是因温度的变化引起介质极化。
（3）铁电性
在具有热释电性的材
当电压加到两块真空的平行板上时，板上的 电荷Q0电压成正比，Q0=C0U，比例系数C0就是 电容。如果在平板电容的极板间充满某种绝缘体 （电介质），则由于电介质在电场的作用下发生 极化而产生表面束缚电荷，在相同的电压下使平 板电容器极板上的感应电荷增加了Q1，则 Q0+Q1=CU，电容量增加了。电介质引起电容量 增加的比例，称为相对介电常数εr，也称电容率。
由于苛刻的低温条件严重限制了超导体技术的应用，因此寻求高TC的超导体材料是该领域的主攻目标。
热释电材料是压电材料中的一类，它主要的特点是因温度的变化引起介质极化。
到如图所示的极化强度与 本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体
材料的电性能是指材料在外加电压或电场作用下的行为及其所表现出来的各种物理现象。
半导体：ρ=10-5 ～ 107 Ω·m
绝缘体：ρ=107 ～ 1020 Ω·m
2.2 影响电阻率的因素
1、温度的影响。金属中，温度越高，电阻率 越高。
2、杂质的影响。在纯金属中加入少量的合金 元素将增加金属对电子的散射作用，从而使金 属的电阻率增加。
3、冷塑性形变的影响。随着冷塑性变形量的 增加，晶体中位错增多，从而电阻率提高。
1821年塞贝克发现了热能转换为电能的塞贝克效应。
P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域称为PN结 。
如：BaTiO3
系，故称之为电滞回线）。 这类晶体称为铁电体。
电介质，压电体，热释电体和铁电体之间 的关系可用下图表示：
4 半导体
二极管三Leabharlann 管电子产品光伏电池
4.1 半导体相关概念
半导体：材料的电阻率界于金属与绝缘材料 之间的材料。这种材料在某个温度范围内随温度 升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。
电偶极矩在反向电场作用 热释电材料是压电材料中的一类，它主要的特点是因温度的变化引起介质极化。
超导体，导体，半导体的绝缘体ρ值的大小与范围可分类如下: 使超导体的电阻变为零的温度称为零界温度，以TC表示。
下可以重新取向，从而得 如果在一根半导体棒或者金属的两端保持温度差，那就热端的载流子将趋向于冷端运动。