第二讲电导理论

X Y
霍尔效应
本质：载流子收到洛伦兹力 霍尔系数：
15
EH RH js B
信号与系统
霍尔效应与载流子浓度
1 电子导电：RH ne
1 空穴导电： RH pe
霍尔系数还可以写成：
意义

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测定载流子浓度： n，p
测定载流子类型
信号与系统
热电效应

第一热电效应：塞贝克效应
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信号与系统
RH
H
信号与系统
电子导电陶瓷的应用—半导体陶瓷

压敏效应


PTC效应
表面效应 塞贝克效应 光生伏特效应：
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源自文库
信号与系统
压敏效应及应用
含义：
压敏效应指对电压变化敏感的
非线性电阻效应，即在某一临
界电压下，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。
温度！
8
信号与系统
电导率决定关系
ne pe h * * m mh
2 2

载流子浓度： n，p

金属>半导体>绝缘体：电导率金属>半导体>绝缘体 半导体载流子浓度随温度升高而指数增加：半导体电 导率随温度升高而增加。

金属载流子浓度随温度变化不大：金属电导率随温度 变化不大？
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信号与系统
热电效应

第二热电效应：帕耳帖效应
含义：两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在 直流电流时，两个接头之间将产生温差。这就是珀尔帖
（Peltier）效应。它是塞贝克效应的反效应。
原理：电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热 （制冷）量的多少与电流的大小成正比，比例系数称为 “帕耳帖系数。 应用：热电致冷器（Thermo Electric cooling，TEC）
信号与系统
电导率决定关系
ne pe h * * m mh
2 2

弛豫时间： τ ， τ h

金属的弛豫时间τ随温度升高而减小：电导率下降
载流子散射概率：
1


1
L I

1
10
晶格振动散射 电离杂质散射
信号与系统
金属的电阻率与纯度
0 T
金属的总电阻包括金属的基本电阻和溶质（杂质）电阻。
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信号与系统
陶瓷导电的特点

同一导电陶瓷中含有多种载流子：离子、电子、空
穴、质子

总的电导率是各种载流子贡献电导率的代数和
i
i
课本P7，表1-2
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信号与系统
离子导电陶瓷
含义：如果陶瓷材料的离子电导率比电子电导率大许多，
并且材料中的载流子几乎全部为离子，此时的陶瓷材料称为 离子导电陶瓷。
信号与系统
第一篇：电性材料
主讲：马文英
E-mail：mwy@cuit.edu.cn
课件共享密码：dzcl
1
信号与系统
电性材料
含义：在电场的作用下，载流子能够自由
移动的材料。
包含：金属材料、导电陶瓷、电阻材料、
半导体材料、超导材料等 任何导电物质都可以看作是电性材料
2
信号与系统
纲
1 3
要
参考书：《电子与光电子材料》朱建国 《电子材料导论》李言荣
32
护以及设备的避雷器等。
信号与系统
PTC效应及应用
含义：
正温度系数效应(positive temperature coefficient) 指在某一温度
下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象
主要应用—PTC热敏电阻：
是一种具温度敏感性的半导体电阻，一旦超过一定的温度 (居里温度) 时，它的电阻值随着温度的升高几乎是呈阶跃式的 增高。
ZnO压敏电阻的电压-电流特性曲线
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信号与系统
压敏效应及应用
V I C

压敏电阻的电压-电流特性常表示为：
α：非线性指数；α值大于1，其值越大，压敏特性越好； C：为相当于电阻值的量，是一常数。
常用材料：
ZnO压敏电阻，配方是ZnO及其添加物Bi2O3和Pr6O11；
应用：
ZnO压敏电阻已广泛用于半导体和电子仪器的稳压和过压保
半导体热敏电阻：加热器、敏感元件、开关

超导体：足够低的温度下，电阻突然降为零
5
信号与系统
从材料角度看电阻
不同的电阻类型由不同的材料构成。
L 电阻公式： R S
电导率：

？
1

6
信号与系统
金属导电过程—电子输运
金属两端加电场——自由电子匀速移动——稳定的电流
受力平衡：
电场力+散射或碰撞力
电子服从统计分布： 玻耳兹曼微分—积分方程
请查看固体物理！
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信号与系统
电导率公式
ne pe h * * m mh
2 2
电子
空穴
弛豫时间：如果电子 n，p：电子及空穴浓度 分布函数在某个时刻 m*，m*h：电子及空穴的有效质量 偏离了平衡的费米统 计分布，那么在碰撞 τ ， τ h：电子与空穴的弛豫时间 的作用下，它将按指 e：单个电子电量 数回复到平衡分布， 特征回复时间即为弛 豫时间。

x5dx e x 11 e x
ρ(T)：温度T时金属的电阻率；


A：金属特性常数；
M：金属原子质量；
AT T 0.5 D , T 2 4M D

θD：金属晶体的德拜温度，如Ni=450K，Ag=220K，Zn=305K，。
结论：
1. 低温时， T<0.5θD，金属电阻率与温度T的5次方成正比 2.12 高温时， T>0.5θD，金属电阻率与温度T成正比
在普通陶瓷如钛酸钡、二氧化钛、二氧化锡和氧化锌等，只要掺入 微量的其他金属氧化物，它们就会变得有导电能力，它们的电阻介于 绝缘体和金属之间，人们称它们为导电陶瓷。
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信号与系统
导电陶瓷的分类

离子导电陶瓷：如快离子导电陶瓷 电子导电陶瓷：如半导体陶瓷
生活中的半导体陶瓷 电蚊香：热敏陶瓷 各种传感器：如体温计，几秒响应速度；煤气报警器
离子导电材料在结构上满足的三个条件：
① 晶格中导电离子可能占据的位置比实际填充的离子数目多
很多； ② 邻近导电离子之间的势垒不太大； ③ 晶格中存在有导电离子运动的通道
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信号与系统
离子导电陶瓷的应用—快离子导电陶瓷
含义：快离子导电陶瓷是指电导率可以和液体电解质或熔
盐相比拟的固态离子导体，又称为电解质陶瓷。
导电离子
银:Ag+ 铜:Cu+ 钠:Na+ 锂:Li+ 钾:K+ 氢:H+ 氟:F氯:Cl氧:O2-
类型
阳离 子导 电体
举例
a-AgI RbCu3Cl4 Na2O.11Al2O3 Li3N, Li14Zn(GeO4)4 KxMgr/2Ti8-x/2O16(x=1,6) H3(PW12O40).29H2O β-PbF2 SnCl2 ZrO2(氧化锆)
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信号与系统
PTC效应及应用

温度热敏元件：利用PTC电阻-温度特性，用于各种家用电
器的过热报警器以及马达的过热保护。

限流元件：应用于电子电路的过流保护、彩电的自动消磁；
近年来广泛应用于冰箱、空调机等的马达启动。

恒温发热元件：在家用电器方面，从诸如电子灭蚊器、电
热水壶、电吹风、电饭锅等小功率发热元件发展到用于干燥机、
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信号与系统
热电效应

第三热电效应：汤姆逊效应
含义：当一段均匀材料A的两端具有温差时，则当流过 电流时，材料的放热或吸热现象称为汤姆逊效应。注意，
它是电阻产生的焦耳热以外的放热或吸热现象。
原理：材料温度不均匀时，温度高处的载流子比温度 低处的载流子动能大，便会从温度高端向温度低端扩散， 在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，必然伴随 吸热和放热现象。
如果用能量比半导体禁带宽度 还大的光照射p-n结，半导体吸 收光能，电子从价带激发至导 带，价带中产生空穴。p区的电 子向n区移动，n区的空穴向p区 移动，结果产生电荷积累，p区 带正电，n区带负电，从而产生 电位差。
应用：太阳能电池
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信号与系统
太阳能路灯
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信号与系统
课堂小结

掌握：

阴离 子导 电体
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信号与系统
快离子导电陶瓷举例—二氧化锆陶瓷
氧传感器：汽车发动机控制空气-燃料比例，减少污染气体
排放，提高燃料利用率。


高温燃料电池：直接将燃料变化成电能，工作在高温下，
反应速度快。

热力学检测：它是一种电热元件，其电阻随温度变化而很
敏感，可以用作温度传感器等。
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信号与系统
13
常金属，如碱金属、稀土金属等，如钙锶等。
信号与系统
1.1电导理论

电性材料的电阻

霍尔效应 热电效应
陶瓷导电性能


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信号与系统
霍尔效应与载流子浓度
Z
霍尔效应：
当电流(X方向)垂直于外磁场(Y方 向)通过导体时，在导体的垂直于磁场 和电流方向(Z方向)的两个端面之间会 出现电势差，这一现象便是霍尔效应。 这个电势差也被叫做霍尔电势差。
电性材料的电导率公式？并说明它受哪些因素的影响？如何影响？ 金属的电阻率是如何组成的？它与哪些因素有关？关系如何？ 什么是霍尔效应？它在哪些方面有重要的应用？ 热电效应包含哪三种？分别有哪些应用？ 导电陶瓷的分类？半导体陶瓷有哪些应用？

了解：

导电陶瓷的特点
离子导电陶瓷及应用
电子导电陶瓷
含义：如果陶瓷材料的电子或空穴电导率比离子电导率大
许多，并且材料中的载流子几乎全部为电子或空穴，此时的
陶瓷材料称为电子导电陶瓷。
特点：
① 具有霍尔效应；
② 可利用霍尔效应和塞贝克效应区分电子和空穴； ③ 电导率可以通过霍尔效应或塞贝克效应测量。例如它是霍 尔系数与霍尔迁移率的比。
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电导理论
导电材料
电阻材料 超导材料 半导体材料
2 3 4 3 5
3
信号与系统
1.1电导理论


电性材料的电阻
霍尔效应 热电效应


陶瓷导电性能
4
信号与系统
1.1电导理论
电阻：物质对电流的阻碍作用，是反映材料
导电性能的物理量。

标准电阻：高精度、高稳定性电阻
金属热电阻：电阻随温度的升高而线性增加
应用：能源方面的无污染的高能钠硫电池、燃料电池等。
特点：
① 存在可迁移离子并存在迁移通道；
② 电子载流子浓度可忽略；
③ 温度降低，晶体结构从无序变为有序，离子电导率下降； ④ 用尺寸较大的离子替代晶格中的离子可使无序相稳定；
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⑤ 材料在相变温度时发生的相变可以突变，也可以缓变。
信号与系统
典型的快离子导电陶瓷
热电效应

第一热电效应：塞贝克效应
含义：塞贝克（Seeback）效应，又称作第一热电效应， 它是指在两种不同导电材料构成的闭合回路中，当两个
接点温度不同时，回路中产生的电势使热能转变为电能
的一种现象。半导体塞贝克效应优于金属塞贝克效应。
原理：接触点载流子扩散的结果。
应用：热电偶，测量温度。
18
20
应用：还未发现具体应用。
信号与系统
1.1电导理论

电性材料的电阻
霍尔效应 热电效应



陶瓷导电性能
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信号与系统
陶瓷导电现象

一般的陶瓷不导电，是良好的绝缘体。如氧化硅、 氮化硅、氧化铝等。

某些氧化物高温下可以导电：碳化硅(1450°C)； 氧化锆(2000°C)

对陶瓷掺杂可得到导电陶瓷。
暖风机房等的大功率峰窝状发热元件。在工业上具有多种用途， 如电烙铁、石油汽化发热元件、汽车冷启动恒温加热器等。
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信号与系统
表面效应及应用
含义：
半导体陶瓷的电导率随着所接触气体分子的种类不同而 变化的现象
原理：
半导体表面吸附气体时，半导体和吸附气体分子（或气体分子分 解后形成的基团）之间由于电子的转移（即使电子的转移不那么 显著）产生电荷的偏离。对电导率的影响来判断吸附气体的类型 和吸附状态。
信号与系统
金属的电阻率与压力
p 0 1 p
金属的电阻率与压力关系：

ρ(0)： 在真空条件下的电阻率；
p：压力； α：电阻压力系数，一般为-10-5~-10-6，但也可能为正数；
结论：
1. 电阻压力系数为负时，电阻率随压力升高而下降，称为正 常金属，如金、银、铜、铁等。 2. 电阻压力系数为正时，电阻率随压力升高而增加，称为反
马西森定则：

ρ0：与溶质有关的电阻率 ρ’(T)：与温度有关的电阻率；
结论：
1. 低温时， ρ0 起主要作用：极低温度下(4.2K)测定的电阻率；
称为金属残留电阻率；可以测量金属的纯度。
2. 高温时， ρ’(T)起主要作用
11
信号与系统
金属的电阻率与温度

D T
0
纯金属的电阻率满足：
AT 5 T 6 MD 布洛赫-格林爱森公式：
应用：利用表面电导率变化来检测各种气体的存在和浓度。
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信号与系统
塞贝克效应及应用
含义：
指在两种不同导电材料构成的闭合回路中，当两个接点温度 不同时，回路中产生的电势使热能转变为电能的一种现象。
应用：测量导体类型，电子or空穴？
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信号与系统
光生伏特效应
含义：
光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。