第四章___材料的电导性能-101018
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（Scm-1）。
J E
材料按电导率大小可分为： 绝缘体： ζ <10-6S/m 半导体： ζ= 10-6～102 S/m 导 体： ζ >1 S/m 超导体： ζ∝∞ S/m
4.1.2 电导的物理特性
电流是电荷的定向运动，所以有电流必须 有电荷的输运过程。 电荷靠什么输送呢？电荷的载体称为载流 子。任何一种物质，只要存在载流子，就 可以在电场作用下产生导电电流。 物体的导电现象的微观本质是载流子在电 场作用下定向迁移。
预习题
1. 载流子的迁移率的物理意义是什么？
2. 电导率的微观本质是什么？ 3. 什么叫晶体的热缺陷？有几种类型？写出其浓 度表达式？晶体中离子电导分为哪几类？ 4. 载流子的散射有哪几种机构？
5. 举例说明陶瓷的表面效应和晶界效应。
目
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7
录
电导的物理现象 离子电导 电子电导 金属材料的电导 固体材料的电导 半导体陶瓷的物理效应 超导体
课程主要内容及教学学时
本课程是无机非金属材料工程专业的专业基础 课，包括了无机材料的力学、热学、光学、电学、 磁学及其材料的各种耦合性能，例如压电、热电、 光电等。是各个领域在研制和应用无机非金属材料 中对材料提出的基本技术要求，即所谓的材料本征 参数，掌握这类本征参数的物理意义在实际工作中 具有重要的意义。
υ
上式反映了电导率的微观本质:宏观电导率ζ与微观载流子浓度n、 每一种载流子的电荷量q以及迁移率μ的关系。
4.2 离子电导
4.2.1 载流子浓度 1、本征电导的载流子浓度
热缺陷——当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格 内原子热运动，使一部分能量较大的原子离开平衡 位置造成的缺陷。热缺陷无论是离子或空位都可以 在电场作用下定向移动而导电。 弗伦克尔缺陷——正常格点的原子由于热运动进入 晶格间隙，而在晶体内正常格点留下空位。空位和 间隙离子成对产生，浓度相等。 肖特基缺陷——正常格点的原子由于热运动跃迁到 晶体表面，在晶体内正常格点留下空位。对于离子 晶体，为保持电中性，正离子空位和负离子空位成 对产生，浓度相等。
R
L S
4.1.1 电导的宏观参数
V=LE
ห้องสมุดไป่ตู้
I=SJ
电场E
电流密度J
（非均匀导体）
R
L V S I
R与材料性质有关，还与材料的长度及横截面积有关；ρ只 与材料的本性有关，与几何尺寸无关，可评定材料的导电性。
欧姆定律微分式适用于非均匀导体，表示导体中某
点的电流密度正比于该点的电场，比例系数为ζ
第六章 材料的功能转换性能 9
第四章 材料的电导性能
教学目标及基本要求
掌握电导率、电阻率、迁移率等概念及影 响因素，离子电导、电子电导的本质及影 响因素，金属材料及固体材料的电导特性， 半导体陶瓷的物理效应 了解导体材料、半导体材料、超导体材料、 绝缘材料的应用及发展
教学重点和难点
电导率、电阻率、迁移率等概念及影响因 素 离子的电导、电子的电导本质 固体材料的电导特性 半导体陶瓷的物理效应
参加导电的载流子主要是杂质，其载流子浓度决 定于杂质的数量和种类。 由于杂质的存在，不仅增加了载流子数，而且使 点阵发生畸变，使得离子离解能变小。在低温下， 离子晶体的电导主要是杂质电导。 杂质含量相同时，杂质不同产生的载流子浓度不 同；而同样的杂质，含量不同，产生的载流子浓 度不同。
4.2.2 离子迁移率
根据教学计划，本课程计划总学时56学时，均 为课堂教学。
教学方法
本课程主要讲授无机材料的力学、热学、电学、 光学及其耦合的各种物理性能以及它们与材料的 组成和结构之间的关系和变化规律。 在系统讲授经典理论的同时，注重在课堂教学中 引入相关领域的最新研究成果，使同学们既对传 统经典理论有系统地了解和掌握，又对本领域最 新进展有较多的了解，拓宽视野。通过引入授课 教师正在承担科研课题的最新进展，使学生能直 观地了解相关理论的作用及重要性，提高学习兴 趣，产生师生互动，提高教学的有效性和效率。
离子电导的微观机构为离子的扩散(迁移)。 间隙离子在晶格间隙的扩散： 间隙离子处于间隙位置时，受周围离子的作用，处于一 定的平衡位置(半稳定位置)。如果它要从一个间隙位置 跃入相邻原子的间隙位置，需克服一个高度为U0的“势 垒”。完成一次跃迁，又处于新的平衡位置(间隙位置)上 U 1 P exp( ) 。这种扩散过程就构成了宏观的离子的 “迁移”。 6 kT
本征电导的载流子浓度决定于温度和热缺陷形成能 （离解能）E。常温下kT比起E小很多，故只有在高 温下，热缺陷浓度才显著大起来，即固有电导在高 温下才显著。 离解能E和晶体结构有关，在离子晶体中，一般 ES<EF，只有在结构很松、离子半径很小的情况下， 才易形成Flenker缺陷。
2、杂质电导的载流子浓度
无机非金属材料性能
主讲教师: 田 俐，彭美勋 湖南科技大学化学化工学院
课程性质、教学目的与任务
本课程是一门无机非金属材料工程专业本科生重 要专业必选课。本门课的前修课是物理学、固体材料 结构与基础、高等数学。 通过该课程的学习，掌握无机非金属材料的力、 热、光、电、磁及其之间转换性能的物理模型、基本 原理和影响因素；具有分析各性能间的变化规律、性 能控制和改善措施等的能力；学会运用所学知识和理 论从微观的角度去设计材料；了解无机非金属材料研 究领域中的前沿、热点和难点问题及其与本课程知识 点的联系。 培养学生既有扎实的基础理论知识，又有科学的 思维方法，为后续专业课学习打基础。
教材及主要参考书
1、材料物理性能
吴其胜 华东理工大学出版社 2006年
2、无机非金属材料性能
贾德昌，科学出版社，2008年
3、无机材料物理性能 关振铎，清华大学出版社，1989年
课程目录及课时安排
第一章 材料的力学性能 9 第二章 材料的热学性能 9 第三章 材料的光学性能 9 第四章 材料的电导性能 9 第五章 材料的磁学性能 9
电子电导的特征（电子在磁场作用下产生横向移动所致）
因电子质量小，运动容易，而离子的质量 大得多，磁场作用力不足以使之产生横向 位移，因而不存在霍尔效应，由此可检验 材料是否存在电子电导。
离子电导的特征
物体的导电是载流子在电场作用下的定向迁移。 F qE J nq J nq nq E E E μ:载流子在单位电场中的迁移速度
J E
材料按电导率大小可分为： 绝缘体： ζ <10-6S/m 半导体： ζ= 10-6～102 S/m 导 体： ζ >1 S/m 超导体： ζ∝∞ S/m
4.1.2 电导的物理特性
电流是电荷的定向运动，所以有电流必须 有电荷的输运过程。 电荷靠什么输送呢？电荷的载体称为载流 子。任何一种物质，只要存在载流子，就 可以在电场作用下产生导电电流。 物体的导电现象的微观本质是载流子在电 场作用下定向迁移。
预习题
1. 载流子的迁移率的物理意义是什么？
2. 电导率的微观本质是什么？ 3. 什么叫晶体的热缺陷？有几种类型？写出其浓 度表达式？晶体中离子电导分为哪几类？ 4. 载流子的散射有哪几种机构？
5. 举例说明陶瓷的表面效应和晶界效应。
目
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7
录
电导的物理现象 离子电导 电子电导 金属材料的电导 固体材料的电导 半导体陶瓷的物理效应 超导体
课程主要内容及教学学时
本课程是无机非金属材料工程专业的专业基础 课，包括了无机材料的力学、热学、光学、电学、 磁学及其材料的各种耦合性能，例如压电、热电、 光电等。是各个领域在研制和应用无机非金属材料 中对材料提出的基本技术要求，即所谓的材料本征 参数，掌握这类本征参数的物理意义在实际工作中 具有重要的意义。
υ
上式反映了电导率的微观本质:宏观电导率ζ与微观载流子浓度n、 每一种载流子的电荷量q以及迁移率μ的关系。
4.2 离子电导
4.2.1 载流子浓度 1、本征电导的载流子浓度
热缺陷——当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格 内原子热运动，使一部分能量较大的原子离开平衡 位置造成的缺陷。热缺陷无论是离子或空位都可以 在电场作用下定向移动而导电。 弗伦克尔缺陷——正常格点的原子由于热运动进入 晶格间隙，而在晶体内正常格点留下空位。空位和 间隙离子成对产生，浓度相等。 肖特基缺陷——正常格点的原子由于热运动跃迁到 晶体表面，在晶体内正常格点留下空位。对于离子 晶体，为保持电中性，正离子空位和负离子空位成 对产生，浓度相等。
R
L S
4.1.1 电导的宏观参数
V=LE
ห้องสมุดไป่ตู้
I=SJ
电场E
电流密度J
（非均匀导体）
R
L V S I
R与材料性质有关，还与材料的长度及横截面积有关；ρ只 与材料的本性有关，与几何尺寸无关，可评定材料的导电性。
欧姆定律微分式适用于非均匀导体，表示导体中某
点的电流密度正比于该点的电场，比例系数为ζ
第六章 材料的功能转换性能 9
第四章 材料的电导性能
教学目标及基本要求
掌握电导率、电阻率、迁移率等概念及影 响因素，离子电导、电子电导的本质及影 响因素，金属材料及固体材料的电导特性， 半导体陶瓷的物理效应 了解导体材料、半导体材料、超导体材料、 绝缘材料的应用及发展
教学重点和难点
电导率、电阻率、迁移率等概念及影响因 素 离子的电导、电子的电导本质 固体材料的电导特性 半导体陶瓷的物理效应
参加导电的载流子主要是杂质，其载流子浓度决 定于杂质的数量和种类。 由于杂质的存在，不仅增加了载流子数，而且使 点阵发生畸变，使得离子离解能变小。在低温下， 离子晶体的电导主要是杂质电导。 杂质含量相同时，杂质不同产生的载流子浓度不 同；而同样的杂质，含量不同，产生的载流子浓 度不同。
4.2.2 离子迁移率
根据教学计划，本课程计划总学时56学时，均 为课堂教学。
教学方法
本课程主要讲授无机材料的力学、热学、电学、 光学及其耦合的各种物理性能以及它们与材料的 组成和结构之间的关系和变化规律。 在系统讲授经典理论的同时，注重在课堂教学中 引入相关领域的最新研究成果，使同学们既对传 统经典理论有系统地了解和掌握，又对本领域最 新进展有较多的了解，拓宽视野。通过引入授课 教师正在承担科研课题的最新进展，使学生能直 观地了解相关理论的作用及重要性，提高学习兴 趣，产生师生互动，提高教学的有效性和效率。
离子电导的微观机构为离子的扩散(迁移)。 间隙离子在晶格间隙的扩散： 间隙离子处于间隙位置时，受周围离子的作用，处于一 定的平衡位置(半稳定位置)。如果它要从一个间隙位置 跃入相邻原子的间隙位置，需克服一个高度为U0的“势 垒”。完成一次跃迁，又处于新的平衡位置(间隙位置)上 U 1 P exp( ) 。这种扩散过程就构成了宏观的离子的 “迁移”。 6 kT
本征电导的载流子浓度决定于温度和热缺陷形成能 （离解能）E。常温下kT比起E小很多，故只有在高 温下，热缺陷浓度才显著大起来，即固有电导在高 温下才显著。 离解能E和晶体结构有关，在离子晶体中，一般 ES<EF，只有在结构很松、离子半径很小的情况下， 才易形成Flenker缺陷。
2、杂质电导的载流子浓度
无机非金属材料性能
主讲教师: 田 俐，彭美勋 湖南科技大学化学化工学院
课程性质、教学目的与任务
本课程是一门无机非金属材料工程专业本科生重 要专业必选课。本门课的前修课是物理学、固体材料 结构与基础、高等数学。 通过该课程的学习，掌握无机非金属材料的力、 热、光、电、磁及其之间转换性能的物理模型、基本 原理和影响因素；具有分析各性能间的变化规律、性 能控制和改善措施等的能力；学会运用所学知识和理 论从微观的角度去设计材料；了解无机非金属材料研 究领域中的前沿、热点和难点问题及其与本课程知识 点的联系。 培养学生既有扎实的基础理论知识，又有科学的 思维方法，为后续专业课学习打基础。
教材及主要参考书
1、材料物理性能
吴其胜 华东理工大学出版社 2006年
2、无机非金属材料性能
贾德昌，科学出版社，2008年
3、无机材料物理性能 关振铎，清华大学出版社，1989年
课程目录及课时安排
第一章 材料的力学性能 9 第二章 材料的热学性能 9 第三章 材料的光学性能 9 第四章 材料的电导性能 9 第五章 材料的磁学性能 9
电子电导的特征（电子在磁场作用下产生横向移动所致）
因电子质量小，运动容易，而离子的质量 大得多，磁场作用力不足以使之产生横向 位移，因而不存在霍尔效应，由此可检验 材料是否存在电子电导。
离子电导的特征
物体的导电是载流子在电场作用下的定向迁移。 F qE J nq J nq nq E E E μ:载流子在单位电场中的迁移速度