材料物理复习题-导电性能

材料的导电性能
填空题
1. 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。

2. 能够携带电荷的粒子称为载流子。

在金属、半导体和绝缘体中携带电荷的载流子是电子，而在离子化合物中，携带电荷的载流子则是离子。

3. 控制材料的导电性能实际上就是控制材料中的载流子的数量和这些载流子的移动速率。

4. 能带理论主要有三种近似理论，它们分别是：近自由电子近似；赝势法；紧束缚近似法。

5. 作为精密电阻材料的以铜镍合金为代表。

6. 作为电热合金的电阻材料则不能使用铜镍合金，对于使用温度为900—1350℃的电热合金，常用镍铬合金。

当使用温度更高时，需要采用陶瓷电热材料。

7. 物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。

8. 反映电导率的微观本质（即宏观电导率）与微观载流子的浓度、每一种载流子的电荷量、以及每一种载流子的迁移率有关。

9. 纯金属的导电性取决于原子的电子结构。

温度升高时，原子的振动幅度变大，对载流子的阻碍作用也增加，电导率下降。

10. 物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。

11. 电子电导的特征是具有霍尔效应。

12. 利用霍尔效应可检验材料是否存在电子电导。

13. 离子电导的特征是存在电解效应。

14. 离子晶体中的电导主要为离子电导。

15. 离子晶体中的电导主要为离子电导，包括本征电导和杂质电导。

16. 对于固有电导，其载流子由晶体本身的热缺陷提供，其包括弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。

17. 热缺陷的浓度决定于温度T和离解散能E。

18. 离子晶体他的杂质电导，载流子的浓度决定于杂质的数量和种类。

19. 离子扩散机构主要有：空位扩散、间隙扩散、亚晶格间隙扩散。

20. 固体电解质的总电导率为离子电导率和电子电导率之和。

21. 电子电导的载流子包括电子或空穴。

22. 电子电导主要发生在导体和半导体中。

23. 平均自由运动时间的长短是由载流子的散射的强弱来决定的。

24. 本征导电的载流子电子和空穴的浓度是相等的。

25. 杂质半导体分为n型半导体和p型半导体。

判断题
1. 控制材料的导电性能实际上就是控制材料中的载流子的数量和这些载流子的移动速率。

对于金属材料来说，载流子的移动速率特别重要。

2. 控制材料的导电性能实际上就是控制材料中的载流子的数量和这些载流子的移动速率。

对于半导体材料来说，载流子的数量更为重要。

3. 量子自由电子论与经典自由电子论的主要区别在于电子运动服从量子力学原理，而不是牛顿力学原理。

4. 载流子的迁移率物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度。

5. 第一类超导体的超导临界温度随着磁场强度的增加而下降。

6. 大多数超导材料都属于第二类超导体，除了受温度和磁场强度影响外，当超导体里流过的电流密度大于临界值Jc时也会失去超导性。

7. 霍尔效应的产生是由于电子在磁场作用下，产生横向移动的结果，离子的质量比电子大得多，磁场作用力不足以使它产生横向位移，因而纯离子电导不呈现霍尔效应。

8. 电解效应可检验陶瓷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。

9. 在高温下，离子晶体内热缺陷浓度才显著大起来，即固有电导在高温下显著。

10. 和固有电导不同，在低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定。

11. 电导率-温度曲线中的转折点并不一定都是由两种不同的离子导电机构引起的，也可以由其他不同的导电机构引起。

如刚玉瓷在低温下发生杂质离子电导，高温下则发生电子电导。

12. 只离子晶体才能成为固体电解质，共价键晶体和分子晶体都不能成为固体电解质。

13. 并非所有的离子晶体都能成为固体电解质。

14. 空穴好象一个带正电的电荷，因此空穴导电也是属于电子电导的一种形式。

15. 掺入施主杂质的半导体称为n型半导体。

16. 掺入受主杂质的半导体称为p型半导体。

（或空穴型半导体）
17. 大部分玻璃是离子电导，但有少部分是电子电导。

18. 陶瓷材料导电机构有电子电导又有离子电导。

19. 电流吸收现象主要发生在离子电导为主的陶瓷材料中。

概念题
1. 电子气：根据经典自由电子论，金属是由原子点阵组成的，价电子是完全自由的，可以在整个金属中自由运动，就好像气体分子能在一个容器内自由运动一样，故可以把价电子看成“电子气”。

2. 等效势场是指在原子结合成固体的过程中，变化最大的是价电子，而内层电子的变化较小，所以可以把原子核和内层电子看成是一个离子实(ion core)与价电子(valence electron)构成的等效势场。

3. 超导现象：随着温度的降低，电阻会逐渐降低。

有些材料在冷却到某一低温T下时，材料的电阻变为零，电流可以在材料中无限地流动，会呈现超导状态。

4. 迈斯纳(Meissner)
5. 霍尔效应：沿试样X轴方向通入电流I(电流密度J x)，Z轴方向加一磁场H z，那么在y轴方向将产生一电场E y，这一现象称为霍尔效应。

6. 电解效应：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。

7. 固体电解质：具有离子电导的固体物质称为固体电解质。

8. 本征电导：空带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在，称为本征电导。

9. 空穴导电：如果存在外界作用(如热、光辐射)，则价带中的电子获得能量，可能跃迁到导带中去。

这样，不仅在导带中出现了导电电子，而且在价带中出现了这个电子留下的空位，叫做空穴。

在外电场作用下，价带中的电子可以逆电场方向运动到这些空位上来，而本身又留下新的空位。

换句话说，空位顺电场方向运动，所以称此种导电为空穴导电。

10. 本征半导体：空带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在，称为本征电导。

本征导电的载流子电子和空穴的浓度是相等的。

这类载流子只由半导体晶格本身提供，所以叫本征半导体。

11. 双碱效应：双碱效应是指当玻璃中碱金属离子总浓度较大时(占玻璃组成25—30％)，碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。

当两种碱金属浓度比例适当时，电导率可以降到很低。

12. 压碱效应：压碱效应是是指在含碱破璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低，相应的阳离子半径越大，这种效应越强。

13. 电流吸收现象：测量陶瓷电阻时，经常可以发现，加上直流电压后，电阻需要经过一定的时间才能稳定。

切断电源后，将电极短路，发现类似的反向放电电流，并随时间减小到零，随时间变化的这部分电流称为吸收电流，最后恒定的电流称为漏导电流，这种现象称为吸收现象。

14. 电化学老化：电化学老化是指在电场作用下，由于化学变化引起材料电性能不可逆的恶化。

15. 压敏效应：压敏效应是指对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压以下，电阻值非常之高，几乎无电流通过；超过该临界电压(敏感电压)，电阻迅速降低，让电流通过。

16. 超导体：所谓超导体就是在液氦甚至液氮的低温下，具有零阻导电现象的物质。

简答题
1. 晶体中原子排列具有周期性，那么晶体中的势场也具有周期性，称为周期性势场。

在周期性势场中运动的电子的能量状态受到周期性势场的影响，将产生一系列变化。

周期性势场具有以下特点。

①能带理论的出发点是固体中的电子不再束缚于个别的原子，而是在整个固体内运动，称为共有化电子。

②在讨论共有化电子的运动状态时，假定原子实处在平衡位置，而把原子实偏离平衡位置的影响看成微扰。

2. 对于晶体的离子电导可以分为哪两类，分别有什么特点？
1．源于晶体点阵的基本离子的运动——固有离子电导（或本征电导）。

特点：离子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷。

这种热缺陷无论是离子或者空位都是带电的，因而都可作为离子电导载流子。

显然固有电导在高温下特别显著。

2．固定较弱的离子的运动造成的（主要是杂质离子）——杂质电导。

特点：杂质离子是弱联系离子，所以在较低温度下杂质电导表现得显著。

3 载流子的散射主要有以下两方面的原因：
(1)晶格散射
半导体晶体中规则排列的晶格，在其晶格点阵附近产生热振动，称为晶格振动。

由于这种晶格振动引起的散射叫做晶格散射。

温度越高，晶格振动越强，对载流子的晶格散射也将增强。

在低掺杂半导体中，迁移率随温度升高而大幅度下降的原因就在于此。

(2)电离杂质散射
杂质原子和晶格缺陷都可以对载流子产生一定的散射作用。

但最重要的是由电离杂质产生的正负电中心对载流子有吸引或排斥作用，当载流子经过带电中心附近，就会发生散射作用。

如图3.19所示。

电离杂质散射的影响与掺杂浓度有关。

掺杂越多，载流子和电离杂质相遇而
被散射的机会也就越多。

电离杂质散射的强弱也和温度有关。

温度越高，载流子运动速度越大，因而
对于同样的吸引和排斥作用所受影响相对就越小，散射作用越弱。

这和晶格散射
情况是相反的，所以在高掺杂时，由于电离杂质散射随温度变化的趋势与晶格散
射相反，因此迁移率随温度变化较小。

3. 碱金属离子浓度对玻璃电导率的影响。

纯净玻璃的电导一般较小，但如含有少量的碱金属离子就会使电导大大增加。

这是由于玻璃的结构松散，碱金属离子不能与两个氧原子联系以延长点阵网络，从而造成弱联系离子，因而电导大大增加。

在碱金属氧化物含量不大的情况下，电导率σ与碱金属离子浓度有直线关系。

到一定限度时，电导率指数增长。

这是因为碱金属离子首先填充在玻璃结构的松散处，此时碱金属离子的增加只是增加电导载流子数。

当孔隙被填满之后继续增加碱金属离子，就开始破坏原来结构紧密的部位，使整个玻璃体结构进一步松散，因而活化能降低，导电率指数式上升。

4. 含有变价过渡金属离子的某些氧化物玻璃呈现出电子电导性。

最有名的是磷酸钒和磷酸铁玻璃。

硫属化物玻璃是以As，Te，S，Se等为主，添加Si，Ge，Sb等形成多成分系玻璃。

硫属化物多成分系玻璃由于成分不同，具有特有的玻璃化区域和物理状态。

其中以Si-As-Te系玻璃研究较多。

该系材料在其玻璃化区域内呈现出半导体性质；在玻璃化区域以外，存在着结晶化状态，形成多晶体，表现出金属电导性。

大多数硫属化物玻璃的电导过程为热激活过程，与本征半导体的电导相似。

这是因为非晶态的半导体玻璃存在很多悬空键和区域化的电荷位置，从能带结构来看，在价带和导带之间存在很多局部能级，因此对杂质不敏感。

从而难于进行价控，难于形成p-n结。

采用SiH4的辉光放电法所形成的非晶态硅，由于悬空键被H所补偿成为争α-Si：H，能实现价控，并在太阳能电池上获得应用。

论述题
1. 为什么大多数的陶瓷和高分子材料的导电性都很低的？但有些特殊的材料却具有不错的导电性，这又是问什么？离子材料中的导电性往往需要通过离子的迁移来实现，因为这类材料中的禁带宽度较大，电子难以跃迁到导带。

所以大多数的离子材料是绝缘体。

如果在离子材料中引入杂质或空位，能够促进离子的扩散，改善材料的导电性。

当然，高温也能促进离子扩散，进而改善导电性。

高分子材料中的电子都是共价键结合的，所以高分子材料的禁带宽度都非常大，电导率也非常低。

因此高分子材料常用作绝缘体。

有时，低电导率也会对材料造成损害。

例如，电子设备的外壳会积累静电，使得电磁辐射穿透高分子材料，损坏内部的固体器件。

还有，如果闪电击中了正在飞行的飞机的由高分子复合材料制成的机翼，有可能造成重大事故。

解决这些问题的方法有两种，一是在高分子材料中引入添加
剂，改善材料的导电性，二是开发本身就具有导电性的高分子材料。

添加离子化合物可以减少高分子的电阻。

这些离子会迁移到高分子材料的表面而吸附潮气，进而消除静电。

也可以通过添加碳黑等导电性填充物来减少高分子材料的静电。

但是，有机导体和有机超导体的发现，扩展了导电材料的范围。

导电塑料的发现还获得了2000年诺贝尔化学奖。

2. 影响离子电导率的因素
1．温度随着温度的升高，σ随T按指数规律增加。

图3.14表示含有杂质的电解质的电导率随温度的变化曲线。

由图可见，①在低温下(曲线1)杂质电导占主要地位。

这是由于杂质活化能比基本点阵离子的活化能小许多的缘故。

②在高温下(曲线2)，固有电导起主要作用。

因为热运动能量的增高，使本征电导的载流子数显著增多。

这两种不同的导电机构，使曲线出现了转折点A。

2．晶体结构，σ随活化能W(U)按指数规律变化，而活化能反映离子的固定程度，它与晶体结构有关。

那些熔点高的晶体，晶体结合力大，相应活化能也高，电导率就低。

碱卤化合物离子活化能的数据可以看出，负离子半径↑，正离子活化能显著↓；离子电荷的高低对活化能也有影响。

一价正离子尺寸小，电荷少，活化能小；高价正离子，价键强，所以活化能大，故迁移率较低。

图5·15(a)，(b)分别表示离子电荷、半径与电导(扩散)的关系；除了离子的状态以外，晶体的结构状态对离子活化能也有影响。

显然，结构紧密的离子晶体，由于可供移动的间隙小，则间隙离子迁移困难，即其活化能高，因而可获得较低的电导率。

3．晶格缺陷
离子晶体要具有离子电导的特性，必须具备以下两个条件：
(1)电子载流子的浓度小； (2)离子晶格缺陷浓度大并参与电导。

因此离子性晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键。

而影响晶格缺陷生成和浓度的主要原因是： (1)由于热激励生成晶格缺陷。

理想离子晶体中离子不可能脱离晶格点阵位置而移动。

但是由于热激励，晶体中产生肖特基缺陷（V″A和V··B）或弗仑克尔缺陷(A··i和V″A)；(2)不等价固溶掺杂形成晶格缺陷。

例如在AgBr中掺杂Cd Br2，从而生成Cd·Ag和V′Ag；
(3)离子晶体中正负离子计量比随气氛的变化发生偏离，形成非化学计量比化合物，因而产生晶格缺陷。