第八章材料的电学性能

J nq
E
1
载流子浓度
2
载流子类型
3
载流子迁移率
3.材料的结构与导电性
❖导体和非导体的区别： ➢ 金属导体有两种情况：
1、价带和导带重叠，无禁带（a） 2、价带未被价电子填满，本身即为导带（b）
价电子即为自由电子，金属导体在温度较低的 情况下仍有大量自由电 子，导电能力强大。 ➢ 而非导体（包括 绝缘体和半导体），在 导带和价带之间存在禁 带，如图（c）
4）热处理对电阻率的影响
❖ 金属冷加工后，若进行再结晶退火，则可使电阻 降低，尤其当退火温度接近再结晶温度时（再结 晶退火），电阻可以恢复到冷加工前的水平。
❖ 但当退火温度高过再结晶温度时，电阻反而增大 ，这是再结晶后新晶粒阻碍了电子运动造成的。
❖ 淬火能固定金属在高温时空位的浓度，从而产生 残余电阻。淬火温度越高，空位浓度越高，则残 余电阻率越大。
表 材料的分类及其电导率
材料
电阻率
电导率
超导体 导体
半导体 绝缘体
0 10-8-10-5 10-5-107 107-1018
∞ 105-108 10-7-105 10-18-10-7
2.决定电导率的因素
❖ 1）载流子 电流是带电荷无机材料：离子——离子电导
❖ 半导体和绝缘体的区别 ➢ 对于绝缘体，禁带的宽度较大，满带中的电子没
有活动的余地，即使在禁带上的能带完全是空带 ，电子也没法跳过禁带产生电流。 ➢ 对于半导体，禁带宽度 较窄，在电子受热振动等 因素的影响下就可以激发 跳过禁带进入空带，在空 带中产生电流。
4、金属的导电性能
❖ 金属中有载流子存在，能带结构也适宜自由电子 运动产生电荷。是否金属中电阻会趋近于0？
物体导电现象的本质 就是载流子的定向迁移
❖2）载流子迁移率
❖设有一单位面积的导体 ❖单位体积内载流子数目为n ❖每个载流子携带电荷量为q ❖沿长度方向施加强度为E的电场 ❖载流子发生迁移的平均速度为v
单位时间内通过 截面的电荷为
J nqv
J nqv
EE
载流子迁移率μ ——单位电场下 载流子漂移速度
❖ 量子力学证明，电子波在绝对零度下通过理想晶 体点阵时，将不会收到任何散射无阻碍的传播， 此时ρ=0，而σ为无穷大。
❖ 由于温度引起的离子运动（热运动）振幅的变化， 同时晶体中异类原子、位错、点缺陷等都会使理想 晶体点阵的周期性遭到破坏。
❖ 在晶体点阵遭到破坏的地方，电子波受到散射（不 相干散射），即产生电阻，降低导电性。
１）电阻率与温度的关系
❖ 一般情况下，金属的温度愈高，电阻也愈大。 ❖ 在低温下，电阻率主要 取决于ρ残。高温下电阻 率基本上取决于ρ(T)。 ❖ 通常，金属熔化后电阻
增加1.5－2倍，因为
熔化时金属原子规则排列 遭到破坏，从而增强了对 电子的散射，电阻增加。
但锑反常。随温度升高，电阻增加；但熔化后电阻反而 减小－－共价键合转变为金属键合。
马基申定律
❖ 材料的总电阻包括基本电阻(由温度引起的电阻) 和溶质（杂质）浓度引起的电阻之和。 即ρ=ρ（T）+ρ’
ρ（T）——与温度有关的金属基本电阻，即纯金属 的电阻
ρ’——取决于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的 参与电阻。 化学缺陷：杂质原子、合金元素 物理缺陷：空位、间隙原子、位错等
➢对于理想晶体ρ=ρ（T）
２）电阻率与受力的关系
❖ 拉力作用下，原子之间间距增大，点阵畸变增大， 导致电阻增大。金属的电阻率和拉力关系可表示为：
ρ＝ρ０（１＋βσ）
ρ０：未加载荷时的电阻率； β：压力系数（－１０５～１０６） σ：拉应力
❖ 流体静压下，压应力使原子间距减小，畸变减小， 与拉力效果相反，金属的电阻率可表示为：
1）固溶体的电阻
5、合金的导电性
❖ 形成固溶体后，合金的导 电性能降低了。即使是在 低导电性的金属溶剂中加 入高导电性能的金属溶质 也是如此。
❖ 随着固溶原子的增多，导 电性能逐渐降低！
材料的电学性能
主要讲解内容
❖1.1 电导的物理现象 ❖1.2 离子电导 ❖1.3 电子电导 ❖1.4 金属与合金宏观电学性能参量的测量方法及
其在金属与合金研究中的应用。
8.1 导电性能
8.1.1 概述
——1、导电性表征
❖ 当材料两端施加电压V时， 材料中有电流I通过，这种
性能称为导电性。
❖ 如果测出材料两端的电压
ρ＝ρ０（１＋ψP） ρ０：真空下的电阻率； ψ：压力系数（－１０５～１０６） P：压力
３）冷加工对电阻率的影响
冷加工引起金属电阻率增加： 由于冷加工引起金属晶格畸变和晶体缺陷增多， 特别是空位浓度的增加，增加电子反射几率；同时 也会引起金属晶体原子间键合的改变，导致原子间 距的改变。
举例：
❖ 纯金属（Al，Cu，Fe，Ag）增加2～6％； ❖ 钨增加30～50％；钼增加15～20％
便于工程测量 便于研究使用
电阻率 电导率
表征材料的导电能力
材料类别
铝 银 金 铜
σ/(Ω·cm)1
3.8*105 6.3*105 4.3*105 6.0*105
材料类别 σ/(Ω·cm)-1
尼龙 聚碳酸酯 聚乙烯 聚丙烯
10-12~10-15 5*10-17 <10-16 <10-15
❖根据电导率和电阻率分类：
I SJ
同样 电场强度也是均
匀的 VLE
RU I
R L
S
5
J1E
➢ 电阻率倒数为电导率，即 1 ，上式可写为
J E
•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。
•σ的量纲为 1•m1或 S / m
•工业上常用相对电导率（IACS%）来表征材料的导电能力。 •把国际标准软纯铜（20℃时电导率为0.01724Ω·mm2/m） 的电导率作为100%，其他材料的电导率与之相比的百分数 即为该材料的相对电导率。 如铁的IACS%为17%，铝的IACS%为65%
差为U，又测得材料中通过
的电流为I，则材料的电阻
大小 R U I
欧姆定律
❖ 对不同的材料R不仅取决于材料本身的性质，还与材料 的尺寸有关。
R L
S
❖ ρ称为电阻率或比电阻，单位为Ω.m ❖ ρ只与材料特性有关，而与导体的几何尺寸无关
电阻率ρ可以用来评价材料导电性的好坏！
在这样一个形状规则的均 匀材料，电流是均匀的， 电流密度J在各处是一样的， 总电流强度