第十章材料的电学性能

此外,电磁波在传播过程中被离子点阵散射,相 互干涉而形成电阻
实际金属内部存在的缺陷和杂质产生的静态 点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变,对电磁 波产生散射.
材料性能学
Materials Properties
量子自由电子理论较好地解释了金属导电 的本质,但它假定金属中的离子所产生的势 场是均匀的,显然这与实际情况有一定差异.
材料性能学
三个临界参数的关系
Materials Properties
要使超导体处于超导状态，必须将它置于三 个临界值Tc、Hc、Ic之下。三者缺一不可，任 何一个条件遭到破坏，超导状态随即消失
材料性能学
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BCS理论
超导电性来源于电子间通过声子作媒介所产生的 相互吸引作用。当这种作用超过电子间的库仑排 斥作用时，电子会形成束缚对（即库柏对）
材料性能学
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n型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半
导体，也称为（电子半导体）
p 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导
体，也称为（空穴半导体）
本征半导体和杂质半导体的电导率与温 度的关系:
0 exp( Eg / 2kT)
材料性能学
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材料性能学
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第一类超导体:在临界磁场以下显示超导性,超 过临界磁场便立即转变为正常态的超导体
第二类超导体:有两个临界磁场, 下临界磁场Hc1,上临界磁场Hc2. Hc1比Hc2低一个数量级.外磁场 小于Hc1,处于完全抗磁状态.介 于Hc1与Hc2之间时,处于超导态 与正常态的混合状态,磁场部分 地穿透到超导体内部,电流在超 导体内部分流动.等于Hc2,超导 部分消失,转变为正常态.
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材料性能学
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(2)完全抗磁性(迈斯纳效应)
1933 年 迈 斯 纳 和 奥 森 菲 尔 德 把锡单晶球超导体在磁场 (H≤Hc) 中 冷 却 ． 在 达 到 临 界 温度Tc以下，超导体内的磁 通线一下子被排斥出去；或 者先把超导体冷却至Tc以下， 再通以磁场，这时磁通线也 被排斥出去。即在超导状态 下，超导体内磁感应强度B＝
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材料性能学
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外加电场对金属中自由电子的能量状态的影响
外电场使向着其正向运动的电子能量降低， 反向运动的电子能量升高．
材料性能学
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由于能量的变化,使部分能量较高的电子转向 电场正向运动的能级,从而使正反向运动的电子 数不等,使金属导电.也就是说,不是所有的自由 电子都参与了导电,而是只有处于较高能态的自 由电子参与导电.
单个原子时的能量状态,而所有价电子却按
量子化规律具有不同的能量状态,即具有不
同的能级. 在一价金属中,自由电子的动能
E

h2
8 2m
K
2
材料性能学
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h2
式中： 8 2m
为常数， K

2
，称为波数频率，
它是表征金属中自由电子可能具有的能量状态的参
数
物质在超低温下,失去电阻的性质称为超导电 性.
具有超导电性的物质称为超导体.
超导体在电阻消失前的状态称为常导状态
电阻消失后的状态称为超导状态。
超导体从常导态转变为超导态的温度就叫做 临界温度，以Tc表示。
材料性能学
超导体的两个基本特性
①完全导电性(零电阻现象) 理想的金属晶体没有电 阻-常导体的零电阻现象, 实际金属由于存在原子 的热运动、晶格缺陷和 杂质,存在剩余电阻率.实 际金属的电阻在某一温 度下突然为零-超导体的 零电阻现象
v
,单位体积内的自由
电子数为n,则电导率为


ne2l

2m v

ne2 2m

t
式中,m为电子质量,e是电子电荷, 为两次碰撞 之间的平均距离
材料性能学
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金属的导电性取决于自由电子的数量、平 均自由程和平均运动速度.
局限性:
• 自由电子数量越多导电性越好,事实是二、 三价金属的价电子虽然比一价金属的多,但 导电性反而比一价金属还差.
材料性能学
2 导电机理
Materials Properties
（1 ）金属及半导体的导电机理
①经典电子理论
在金属晶体中,离子构成晶格点阵,并形成均 匀的电场,价电子是完全自由的(自由电子)
电子的运动遵循经典力学气体分子的运动 规律
无外加电场时,电子向各个方向运动的几率 相同,对外不表现电流
材料性能学
材料性能学
Materials Properties
半导体的能带结构与绝缘体相同,所不同的是 它的禁带比较窄,电子跳过禁带不像绝缘体那 么困难.如果存在外界作用(如热、光辐射等), 则价带中的电子就有能量可能跃迁到导带中 去,在价带中同时出现空穴.在外电场的作用 下,电子和空穴会定向移动而产生电流.
R
式中:R为材料电阻,其值不仅与材料的性 质有关,而且还与试验材料的长度L及截面
积S有关,因此
R L
S
材料性能学
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式中,ρ是比例系数,称为电阻率. 电阻率在数值上等于单位长度和电位面积上导 电体的电阻值,可写为
RS
L
•由于电阻率只与材料本性有关,而与导体的几何 尺寸无关,因此评定导电性的基本参数是ρ而不是 R.
材料性能学
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空带中的电子导电和价带中的空穴导电同时 存在的导电方式称为本征电导.本征电导的特 点是参加导电的电子和空穴的浓度相等.具有 本征电导特性的半导体称为本征半导体(完全 纯净的、结构完整的半导体晶体).
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是 掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。称为 杂质半导体.
• 按照气体动力学的关系,ρ应该与温度T的平 方根成正比,但实验结果ρ与T成正比.
• 不能解释超导现象的产生
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②量子自由电子理论
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金属中正离子形成的电场是均匀的,价电 子与离子间没有相互作用,且为整个金属所 有,可以在整个金属中自由运动
金属中每个原子的内层电子基本保持着
(2) 无机非金属的导电机理
无机非金属材料电导的载流子可以是电子、 电子空穴,或离子、离子空穴.
载流子是电子或电子空穴的电导称为电子 式电导,载流子是离子或离子空位的称为离 子式电导.
材料性能学
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①离子晶体的导电机理
离子晶体中能产生离子迁移,称为离子电导 第一类源于晶体点阵中基本离子的运动,称 为离子固有电导或本征电导.这种离子自身随 着热振动的加剧而离开晶格阵点,形成热缺陷. 热缺陷的浓度随温度的升高而增大,因此本征 电导率σs与温度的关系可用下式表示:
当电子对之中的某一个电子被散射时,另一个与其 相关的电子会发生同样反应,电子对将不发损耗能 量,即杂质原子和缺陷不能对其进行有效的散射,从 而表现出超导性.
温度越高，成对的电子数量越少，结合程度越差。 当达到临界温度时，库柏对全部拆散成单个的正 常电子roperties
玻璃的电阻率和温度与组成有关,在通常情 况下是绝缘体
玻璃与晶体的比较，玻璃具有：
•
结构疏松
•
组成中有碱金属离子
•
势垒不是单一的数值，有高有低
导电的粒子：
•
离子
•
电子
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(3) 超导电性
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1911年,荷兰物理学家昂内斯发现,水银温度 在4.2K以下,电阻为零.
超导材料的种类及性能
1 常规超导体
元素、合金和化合物超导体的超导转变温度较低(Tc ＜30K)，其超导机理基本能用BCS理论解释，因而又 被称为常规超导体或传统超导体。
1）超导元素 在所有金属元素中，约有半数具有超 导电性．超导元素近50种。在常压下已有27种超导元 素，其中临界温度最高的是Nb（9.26K），其次是锝 (8.22K）。超导元素中，除v、Nb、锝是属于第Ⅱ类 超导体外，其余的均为第Ⅰ类超导体。在超导元素中， 常压下唯一可实用的是Nb，可加工成薄膜。
第虑二.进类入超混导合体状，态在后H,超c1以导下体，中超Ic也导按部第分一在类磁超力导线体和考电 流作用下，产生洛伦兹力,使磁通在超导体发生运动， 消耗能量。换言之，等于产生了电阻，临界电流为零。 由于超导体的杂质、缺陷等，其内部总存在着阻碍磁 通运动的力(叫钉扎力)，只有电流继续增加，洛伦兹 力增加至可以克服“钉扎力”时,磁力线才开始运动， 此时的电流即超导体的临界电流。
s As exp( Es / kT)
式中:As与Es均为材料的特性常数;k为波尔兹曼常数;T为绝对 温度. Es与可迁移的离子从一个空位跳到另一个空位的难易 程度有关,通常称为离子激活能,而As取决于可迁移的离子数.
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第二类离子电导是结合力比较弱的离子运 动造成的,这些离子主要是杂质离子,因而称 为杂质电导.
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第十章 材料的电学性能
导电性能 热电性能 半导体导电性的敏感效应