2.1 材料的电导(材料物理性能)
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4
6）欧姆定律的微分形式：
J E
电流密度J：安培/厘米2(A/cm2)； 电场强度E：伏特/厘米(V/cm)； 电导率σ：欧姆-1 〃厘米-1 (Ω-1 〃cm -1).
适用于非均匀导体。说明导体中某点的电流密度正比于 该点的电场。 比例系数为电导率σ，常用单位有：Ω-1〃cm-1 ，Ω-1〃m-1 ， S〃m-1 1S（西门子）=1Ω-1
纯离子电导不呈现霍尔效应
霍尔器件对材料的要求
要得到大的霍尔电压关键 是选择霍尔系数大（即迁移 率高、电阻率低）。 半导体迁移率高电阻率适 中是制造霍尔元件较理想的 材料。 由于电子迁移率比空穴迁 移率大，所以霍尔元件多采 用N型材料。 其次，霍尔电压大小与材 料的厚度成反比，因此，薄 型的霍尔器件输出电压较片 状要高得的多。
发生分裂，孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的
准连续能带。若晶体由N个原子（或原胞）组成，则每个能 带包括N个能级，其中每个能级可被两个自旋相反的电子所 占有，故每个能带最多可容纳 2N 个电子（见泡利不相容原 理）。
把电子可以具有的能级所组成的能带称为允带。能
带与能带间的不连续区域称为禁带，禁带与允带相互交替。
8
9）电导率的测量
内侧两电极间电压为V 适用于高导电率材料 电极间距离为l 试样截面积为S
l I S V
四端电极法
9
二、电导的物理特性
电流是电荷在空间的定向运动。
1．载流子：带电荷的自由粒子
金属导体 中的载流子：自由电子 电子(负电子，空穴) 无机材料 中的载流子 离子(正、负离子，空位)。
霍尔效应若在x方向通以电流在z方向上加以磁场则在y方向电极两侧开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场称霍尔效应反映霍尔效应强弱的重要参数判断的方法是按图一所示的电流和磁场的方向若测得的值是正值样品属n型否则为p型
Chengdu University of Technology
第2章 材料的电导
在许多情况下，材料的导电性能比力学性能和热学还重要。 导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材 料和绝缘材料等都是以材料的导电性能为基础的。
霍尔效应的起源：源于磁场中运动电
荷所产生的洛仑兹力，导致载流子在
磁场中产生洛仑兹偏转。该力所作用 的方向即与电荷运动的方向垂直，也 与磁场方向垂直。
15
(2)电解效应
电解现象：离子的迁移伴随着一定的质量 变化，离子在电极附近发生电子得失，产 生新的物质，这就是电解现象。 法拉第电解定律： 电解物质与通过的电量成正比: g = CQ = Q/F g为电解物质的量，Q为通过的电量， C为电化当量，F为法拉第常数。
介质处在外电场中， 则作用于每一个载流子的 力等于qE。
J = nqv
17
J E 和 J = nqv
电导率: σ = J / E = nqv / E
载流子的迁移率: 令μ=v/E为载流子的迁移率。 μ物理意义:载流子在单位电场中的迁移速度。 电导率：σ
= nqμ
宏观电导率σ 与微观载流子的浓度n，每一种载 流子的电荷量q以及每种载流子的迁移率有关。
导体、半导体、绝缘体的能带中电子分布的情
况各具有明显的特征，导体中存在未满带(由于电子
未充满或能带重叠)。绝缘体的特征是价电子所处的 能带都是满带，且满带与相邻的空带之间存在一个较 宽的禁带。半导体的能带与绝缘体的相似，但半导体 的禁带要狭窄得多(一般在1eV左右)。
导体、半导体、绝缘体的区别。
自由电子在定向移动的过程不断与正离子发生碰撞，使电
子移动受阻，因而产生电阻。
金属中的离子与自由电子示意图
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
量子自由电子理论的主要内容：金属中正离子形成的电 场是均匀的，价电子不被原子所束缚，可以在整个金属中自由
地运动。
它与经典电子理论的根本区别是自由电子的运动必须服从 量子力学的规律。
电解效应可以检验材料是否存在离子电导，并 且可以判定载流子是正离子还是负离子
16
4.迁移率和电导率
物体的导电现象的微观本质：载流子在电场作用下的定向迁移
单位体积内参加导电的自由电 荷为nq。在外电场作用下。每一载 流子在E方向发生漂移平均速度为 v(cm/s)。则单位时间(1s)通过单位 截面S的电荷量为：
（a）导
体
（b)半导体
(c)绝缘体
图2.1
导体、半导体和绝缘体的能带模型示意图
思考： 前两种理论都忽略了金属离子
的作用，同时还假设在金属内部存在均匀的势 能。事实上电子是在由金属离子组成的非均匀 势场中运动的。因而得出的导电机理有很大的 局限性，能带理论就解决了这个问题。
3. 固体能带理论
• 孤立原子的外层电子处于能级分立的轨道上。但当原子彼 此靠近时，外层电子就不再仅受原来所属原子的作用，还要 受到其他原子的作用，原子间距减小时，电子云重叠，能级
10
2.电子电导和离子电导
离子电导：载流子为离子的电导称为离子电导； 电子电导：载流子为电子的电导称为电子电导。
e
e
e
e e
e e
e
e e
e
e
M M M M M M M X X X X X X X
11
典型材料的电导值如下：
12
3、区别电子电导和离子电导的方法：
(1) 霍尔效应
若在X方向通以电流，在z方向上加以磁场，则在Y 方向电极两侧开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场 称霍尔效应
7
表面电阻率的测量
Rs
r2
r1
ln r2 / r1 dx s s 2 x 2
表面电阻率不是表征材料本身特性的参数，而是一个 有关材料表面污染特性的参数。
因为体积电阻总是要被或多或少地包括到表面电阻的 测试中去，因此只能近似地测量表面电阻。 测得的表面电阻值主要反映被测试样表面污染的程度。
18
三、电导理论
导电性的物理本质研究的三个理 论阶段
（1）经典自由电子理论
（2）量子自由电子理论 （3）能带理论
1.经典电子理论
经典电子理论认为：正离子形成的电场是均匀的，自 由电子运动的规律遵循经典力学气体分子的运动规律。 在没有外电场作用时，金属中的自由电子沿各方向运 动的几率相同，不产生电流；施加外电场后，自由电子获 得附加速度，沿外电场方向发生定向的移动，形成电流。
作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要求更 高，以追求尽可能高的太阳能利用效率。
一、电导参数
1）电流强度I: 2）电流密度J: 中， J= I / S
I= V / R
在形状规则的均匀材料
3）电场强度E：电场强度是均匀的，E= 4）电阻率ρ：
V/L
ρ=R（S/L）
5）电导率σ： 电阻率的倒数定义为电导率，σ=1/ρ。
E y RH J x H z
1 ni e
R
霍尔迁移率μH： H
ni e
RH
判断的方法是按图一所示 的电流和磁场的方向，若测得 的V 的值是正值，样品属N型， 否则，为P型。 判断时一定要注意到电流、 磁场和霍尔电压的值必同时为 正时才成立。 利用霍尔效应可检验材料是否 存在电子电导。
5
7）体积电阻、表面电阻
图中的电流由两部分组成：
Rs反映材料表面污染程 度，与环境有关； Rv反映材料的导电能力
6
8）体积电阻率、表面电阻率
S
4
r1
r2
2
RV V
r1 r2 2
2
4h
体积电阻率的测量
V
r1 r2 V I 4h
体积电阻率可作为选择绝缘材料的一个参数，电 阻率随温度和湿度的变化而显著变化。 体积电阻率的测量常常用来检查绝缘材料是否均 匀，或者用来检测那些能影响材料质量而又不能用其 他方法检测到的导电杂质。
本章主要讲授材料电导的概念、种类与机制。 本章的重点是电子电导与离子电导类型、特点与导电机理。 难点是能带理论及电子电导的载流子迁移率和浓度与能带理 论的关系。
电学性能的应用
长距离传输电力的金属导线应该具有很高的导 电性，以减少由于电线发热造成的电力损失。
陶瓷和高分子的绝缘材料必须具有不导电性， 以防止产生短路或电弧。
具有空能级允带中的电子是自由的，在外电场的作用下参
与导电，所以这样的允带称为导带。允带中所有的能级都 被电子占满，这种能带称为满带。没有电子的能带，称为 空带（见图2.1）。满带中的电子对于导电是没有贡献的， 只有在导带中的电子（称为自由电子）才对导电有贡献， 这些电子来自原子结构中外层轨道上的价电子。
6）欧姆定律的微分形式：
J E
电流密度J：安培/厘米2(A/cm2)； 电场强度E：伏特/厘米(V/cm)； 电导率σ：欧姆-1 〃厘米-1 (Ω-1 〃cm -1).
适用于非均匀导体。说明导体中某点的电流密度正比于 该点的电场。 比例系数为电导率σ，常用单位有：Ω-1〃cm-1 ，Ω-1〃m-1 ， S〃m-1 1S（西门子）=1Ω-1
纯离子电导不呈现霍尔效应
霍尔器件对材料的要求
要得到大的霍尔电压关键 是选择霍尔系数大（即迁移 率高、电阻率低）。 半导体迁移率高电阻率适 中是制造霍尔元件较理想的 材料。 由于电子迁移率比空穴迁 移率大，所以霍尔元件多采 用N型材料。 其次，霍尔电压大小与材 料的厚度成反比，因此，薄 型的霍尔器件输出电压较片 状要高得的多。
发生分裂，孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的
准连续能带。若晶体由N个原子（或原胞）组成，则每个能 带包括N个能级，其中每个能级可被两个自旋相反的电子所 占有，故每个能带最多可容纳 2N 个电子（见泡利不相容原 理）。
把电子可以具有的能级所组成的能带称为允带。能
带与能带间的不连续区域称为禁带，禁带与允带相互交替。
8
9）电导率的测量
内侧两电极间电压为V 适用于高导电率材料 电极间距离为l 试样截面积为S
l I S V
四端电极法
9
二、电导的物理特性
电流是电荷在空间的定向运动。
1．载流子：带电荷的自由粒子
金属导体 中的载流子：自由电子 电子(负电子，空穴) 无机材料 中的载流子 离子(正、负离子，空位)。
霍尔效应若在x方向通以电流在z方向上加以磁场则在y方向电极两侧开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场称霍尔效应反映霍尔效应强弱的重要参数判断的方法是按图一所示的电流和磁场的方向若测得的值是正值样品属n型否则为p型
Chengdu University of Technology
第2章 材料的电导
在许多情况下，材料的导电性能比力学性能和热学还重要。 导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材 料和绝缘材料等都是以材料的导电性能为基础的。
霍尔效应的起源：源于磁场中运动电
荷所产生的洛仑兹力，导致载流子在
磁场中产生洛仑兹偏转。该力所作用 的方向即与电荷运动的方向垂直，也 与磁场方向垂直。
15
(2)电解效应
电解现象：离子的迁移伴随着一定的质量 变化，离子在电极附近发生电子得失，产 生新的物质，这就是电解现象。 法拉第电解定律： 电解物质与通过的电量成正比: g = CQ = Q/F g为电解物质的量，Q为通过的电量， C为电化当量，F为法拉第常数。
介质处在外电场中， 则作用于每一个载流子的 力等于qE。
J = nqv
17
J E 和 J = nqv
电导率: σ = J / E = nqv / E
载流子的迁移率: 令μ=v/E为载流子的迁移率。 μ物理意义:载流子在单位电场中的迁移速度。 电导率：σ
= nqμ
宏观电导率σ 与微观载流子的浓度n，每一种载 流子的电荷量q以及每种载流子的迁移率有关。
导体、半导体、绝缘体的能带中电子分布的情
况各具有明显的特征，导体中存在未满带(由于电子
未充满或能带重叠)。绝缘体的特征是价电子所处的 能带都是满带，且满带与相邻的空带之间存在一个较 宽的禁带。半导体的能带与绝缘体的相似，但半导体 的禁带要狭窄得多(一般在1eV左右)。
导体、半导体、绝缘体的区别。
自由电子在定向移动的过程不断与正离子发生碰撞，使电
子移动受阻，因而产生电阻。
金属中的离子与自由电子示意图
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
量子自由电子理论的主要内容：金属中正离子形成的电 场是均匀的，价电子不被原子所束缚，可以在整个金属中自由
地运动。
它与经典电子理论的根本区别是自由电子的运动必须服从 量子力学的规律。
电解效应可以检验材料是否存在离子电导，并 且可以判定载流子是正离子还是负离子
16
4.迁移率和电导率
物体的导电现象的微观本质：载流子在电场作用下的定向迁移
单位体积内参加导电的自由电 荷为nq。在外电场作用下。每一载 流子在E方向发生漂移平均速度为 v(cm/s)。则单位时间(1s)通过单位 截面S的电荷量为：
（a）导
体
（b)半导体
(c)绝缘体
图2.1
导体、半导体和绝缘体的能带模型示意图
思考： 前两种理论都忽略了金属离子
的作用，同时还假设在金属内部存在均匀的势 能。事实上电子是在由金属离子组成的非均匀 势场中运动的。因而得出的导电机理有很大的 局限性，能带理论就解决了这个问题。
3. 固体能带理论
• 孤立原子的外层电子处于能级分立的轨道上。但当原子彼 此靠近时，外层电子就不再仅受原来所属原子的作用，还要 受到其他原子的作用，原子间距减小时，电子云重叠，能级
10
2.电子电导和离子电导
离子电导：载流子为离子的电导称为离子电导； 电子电导：载流子为电子的电导称为电子电导。
e
e
e
e e
e e
e
e e
e
e
M M M M M M M X X X X X X X
11
典型材料的电导值如下：
12
3、区别电子电导和离子电导的方法：
(1) 霍尔效应
若在X方向通以电流，在z方向上加以磁场，则在Y 方向电极两侧开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场 称霍尔效应
7
表面电阻率的测量
Rs
r2
r1
ln r2 / r1 dx s s 2 x 2
表面电阻率不是表征材料本身特性的参数，而是一个 有关材料表面污染特性的参数。
因为体积电阻总是要被或多或少地包括到表面电阻的 测试中去，因此只能近似地测量表面电阻。 测得的表面电阻值主要反映被测试样表面污染的程度。
18
三、电导理论
导电性的物理本质研究的三个理 论阶段
（1）经典自由电子理论
（2）量子自由电子理论 （3）能带理论
1.经典电子理论
经典电子理论认为：正离子形成的电场是均匀的，自 由电子运动的规律遵循经典力学气体分子的运动规律。 在没有外电场作用时，金属中的自由电子沿各方向运 动的几率相同，不产生电流；施加外电场后，自由电子获 得附加速度，沿外电场方向发生定向的移动，形成电流。
作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要求更 高，以追求尽可能高的太阳能利用效率。
一、电导参数
1）电流强度I: 2）电流密度J: 中， J= I / S
I= V / R
在形状规则的均匀材料
3）电场强度E：电场强度是均匀的，E= 4）电阻率ρ：
V/L
ρ=R（S/L）
5）电导率σ： 电阻率的倒数定义为电导率，σ=1/ρ。
E y RH J x H z
1 ni e
R
霍尔迁移率μH： H
ni e
RH
判断的方法是按图一所示 的电流和磁场的方向，若测得 的V 的值是正值，样品属N型， 否则，为P型。 判断时一定要注意到电流、 磁场和霍尔电压的值必同时为 正时才成立。 利用霍尔效应可检验材料是否 存在电子电导。
5
7）体积电阻、表面电阻
图中的电流由两部分组成：
Rs反映材料表面污染程 度，与环境有关； Rv反映材料的导电能力
6
8）体积电阻率、表面电阻率
S
4
r1
r2
2
RV V
r1 r2 2
2
4h
体积电阻率的测量
V
r1 r2 V I 4h
体积电阻率可作为选择绝缘材料的一个参数，电 阻率随温度和湿度的变化而显著变化。 体积电阻率的测量常常用来检查绝缘材料是否均 匀，或者用来检测那些能影响材料质量而又不能用其 他方法检测到的导电杂质。
本章主要讲授材料电导的概念、种类与机制。 本章的重点是电子电导与离子电导类型、特点与导电机理。 难点是能带理论及电子电导的载流子迁移率和浓度与能带理 论的关系。
电学性能的应用
长距离传输电力的金属导线应该具有很高的导 电性，以减少由于电线发热造成的电力损失。
陶瓷和高分子的绝缘材料必须具有不导电性， 以防止产生短路或电弧。
具有空能级允带中的电子是自由的，在外电场的作用下参
与导电，所以这样的允带称为导带。允带中所有的能级都 被电子占满，这种能带称为满带。没有电子的能带，称为 空带（见图2.1）。满带中的电子对于导电是没有贡献的， 只有在导带中的电子（称为自由电子）才对导电有贡献， 这些电子来自原子结构中外层轨道上的价电子。