材料的导电性能
材料导电性能
材料导电性能
材料的导电性能是指材料在外加电场作用下，电子在材料内部的传输能力。
导
电性能是材料的重要物理性能之一，对于材料的应用具有重要的意义。
在现代科技领域中，导电材料被广泛应用于电子器件、光伏材料、电磁屏蔽材料等领域，因此对材料的导电性能进行研究具有重要意义。
材料的导电性能受多种因素的影响，其中包括材料的结构、成分、晶体结构等
因素。
导电材料通常分为金属导体和半导体两大类。
金属导体的导电性能主要取决于其自由电子的浓度和迁移率，而半导体材料的导电性能则受到杂质、缺陷、温度等因素的影响。
材料的导电性能可以通过电导率来表征。
电导率是描述材料导电性能的物理量，通常用σ表示，单位为（Ω·cm）^-1。
电导率越大，表明材料的导电性能越好。
金属材料通常具有较高的电导率，而半导体材料的电导率则介于金属和绝缘体之间。
在实际应用中，我们常常需要根据具体的要求来选择合适的导电材料。
例如，
在电子器件中，我们通常选择电导率较高的金属材料作为导线，以保证电子的顺畅传输；在光伏材料中，我们则需要选择能够有效转化光能的半导体材料。
除了常规的金属和半导体材料，近年来，碳纳米材料也成为了研究的热点之一。
碳纳米材料具有优异的导电性能和热导性能，因此被广泛应用于柔性电子器件、导电涂料、导电纤维等领域。
总的来说，材料的导电性能是材料科学研究中的重要内容之一。
随着科技的不
断发展，对导电材料的需求也在不断增加，因此对导电性能的研究也将会变得更加深入和广泛。
希望通过对导电性能的研究，能够为材料科学的发展和应用提供更多的可能性。
材料的导电性能
材料性能
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第十章
材料的导电性能
§10.2电子导电机理 电子导电机理
二.量子自由电子理论
把量子力学的理论引入对金属电子状态的认识， 把量子力学的理论引入对金属电子状态的认识 ， 称之为 量子自由电子学说 ， 具体讲就是金属的费密 索末菲的自 费密—索末菲 量子自由电子 学说， 具体讲就是金属的 费密 索末菲 的自 学说 由电子理论。 该理论同意经典自由电子学说认为价电子是 由电子理论 。 该理论同意经典自由电子学说 认为价电子是 完全自由的， 完全自由的 ， 但量子自由电子学说认为自由电子的状态不 服从麦克斯韦—玻尔兹曼统计规律而是服从费密 狄拉克 服从麦克斯韦 玻尔兹曼统计规律而是服从费密—狄拉克 玻尔兹曼统计规律而是服从费密 Fermi-Dirac)的量子统计规律 的量子统计规律。 (Fermi-Dirac)的量子统计规律。故该理论利用薛定谔方程 求解自由电子的运动波函数， 计算自由电子的能量。 求解自由电子的运动波函数 ， 计算自由电子的能量 。 下面 较具体地介绍该理论应用量子力学观点， 较具体地介绍该理论应用量子力学观点 ， 得到的金属中电 子能量结构和状态的结果。 子能量结构和状态的结果。 材料性能 第十章 材料的导电性能
材料性能
第十章
材料的导电性能
§10.2电子导电机理 电子导电机理
第二节
电子导电机理
对固体电子能量结构、状态及其导电机理的认识， 对固体电子能量结构、状态及其导电机理的认识，开始于对金属电 子状态的认识。人们通常把这种认识大致分为三个阶段。 子状态的认识。人们通常把这种认识大致分为三个阶段。 自由电子学说， 最早是经典的自由电子学说 主要代表人物是德鲁特(Drude)和洛兹 最早是经典的自由电子学说，主要代表人物是德鲁特 和洛兹 (Lorentz) 。 第二阶段是把量子力学的理论引入对金属电子状态的认识， 第二阶段是把量子力学的理论引入对金属电子状态的认识，称之为 量子自由电子学说，具体讲就是金属的费密(Fermi) —索末菲 量子自由电子学说，具体讲就是金属的费密 索末菲 (Sommerfel)的自由电子理论。 的自由电子理论。 的自由电子理论 第三个阶段就是能带理论 能带理论。 第三个阶段就是能带理论。能带理论是在量子自由电子学说基础上 建立起来的，经过 多年的发展 多年的发展， 建立起来的，经过70多年的发展，成为解决导电问题的较好的近似理 半导体材料和器件发展的理论基础 发展的理论基础， 金属领域中可以 领域中可以半定量 论，是半导体材料和器件发展的理论基础，在金属领域中可以半定量 地解决问题。 地解决问题。
材料的导电性能
36
5.2.3 导电材料与电阻材料
电阻测试方法
1. 二探针法 R = Rsample + Rcontact R = V/I r = (RA)/L 特征：适用于高导电率材料
37
L A
V
Ohmeter
I
5.2.3 导电材料与电阻材料
电阻测试方法
L 2. 四探针法 I = V1/R1 A
I
V2 R1 V1
6
5.2.1 能带结构
电子的分布规律： 多电子的原子系统中,核外电子在不同的壳层上的 分布遵从下面两条基本原理： 1.泡利不相容原理 一个原子系统内，不能有两个或两个以上电子具 有完全相同的量子态(n ,l ,ml ,ms)。 利用泡利不相容原理可以计算各个壳层中可能占 有的最多电子数。
7
5.2.1 能带结构
虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似， 但这些材料的禁带宽度Eg 较小。实际上，锡的禁 带宽度小得使它具有类似导体的导电性。而禁带 宽度Eg稍大一点的锗和硅成了典型的半导体。
28
表5.2一些材料的禁带宽度Eg（eV）
材料
C(金刚石)
禁带宽度 Eg 5.48 1.12 0.67
InAs
TiO2(锐钛矿) ZnO In2O3 SrTiO3 ZrO2
材料的导电性能与测试方法
材料的导电性能与测试方法材料的导电性能对于许多领域的应用具有重要意义，从电子学到能源领域都需要高效的导电材料。
本文将探讨材料的导电性能以及一些常用的测试方法。
一、导电性能的影响因素材料的导电性能受到多种因素的影响，以下是其中一些主要因素：1. 材料结构：材料的晶体结构以及晶格缺陷都会影响导电性能。
晶格缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
2. 杂质：杂质可以影响材料的导电性能。
有些杂质可以增加导电性，而另一些杂质可能导致导电性能下降。
3. 温度：温度对于材料的导电性能也有很大的影响。
一般情况下，随着温度的升高，材料的导电性能会增强。
4. 应力：外加应力也可以改变材料的导电性能。
在某些情况下，应力可以使材料的导电性能增加，而在其他情况下则会减弱。
二、导电性能测试方法下面介绍几种常用的材料导电性能测试方法：1. 电阻率测试：电阻率是用来描述材料导电性能的一个重要参数。
可以通过四探针法或者两探针法来测量材料的电阻率。
四探针法可以消除接触电阻的影响，得到更准确的电阻率测试结果。
2. 导电性能测试：导电性能测试通常是通过测量材料的电导率来进行的。
电导率是电阻率的倒数。
可以使用四探针法或者两探针法来进行测量。
3. Hall效应测试：Hall效应测试是一种测量材料导电性能的方法，通过测量材料中的Hall电压和磁场之间的关系来确定电导率、载流子浓度和载流子类型。
4. 微观结构分析：对于复杂的材料，如多组分合金或复合材料，可以通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等技术来分析材料的微观结构和晶体结构，从而进一步理解材料的导电性能。
5. 有限元模拟：有限元模拟是一种通过数值计算方法来模拟材料的导电性能的技术。
通过建立材料的几何模型和物理模型，可以模拟材料在不同条件下的导电性能，为实验提供指导和验证。
总结：本文讨论了材料的导电性能与测试方法。
导电性能的影响因素包括结构、杂质、温度和应力等。
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。
电子材料的导电性能分析
电子材料的导电性能分析电子材料是现代电子技术中不可或缺的基础材料，其导电性能对于电子设备的性能和功能起着至关重要的作用。
本文将从导电性能的定义、常见测量方法、影响因素以及提升导电性能的途径等方面进行分析和讨论。
一、导电性能的定义导电性能是指材料导电的能力，通常通过电导率来表征。
电导率是描述材料导电性能的物理量，单位是西门子/米（S/m）。
电导率越高，材料的导电性能就越好。
二、导电性能的测量方法1. 四探针法：四探针法是一种常用的测量材料导电性能的方法。
它利用四个探针分别接触材料的表面，形成一个电流通路，通过测量电流和电压的关系来计算材料的电阻和导电率。
2. 电阻率计法：电阻率计也是一种常见的测量导电性能的工具。
它通过在材料上施加一定的电压，测量通过材料的电流大小，从而计算出电阻和电导率。
3. Hall效应测量法：Hall效应是一种描述导电性能的现象，通过测量材料中磁场引起的电压差来计算出载流子的类型、浓度和迁移率等参数，进而得到材料的导电性能。
三、影响导电性能的因素1. 材料的载流子类型和浓度：导电性能与材料内部载流子的类型（电子或正孔）和浓度相关。
一般来说，电子是主要的载流子，浓度越高，导电性能越好。
2. 材料的晶格结构和净化度：晶格结构的完整性和净化度对导电性能起着重要的影响。
杂质、缺陷和晶格畸变等因素都会降低导电性能。
3. 温度：温度对导电性能有显著影响。
一般来说，随着温度的升高，导电性能会增加，但在一定温度范围内，导电性能可能会出现饱和现象。
四、提升导电性能的途径1. 选择合适的导电材料：根据具体的应用需求，选择具有良好导电性能的材料是提升导电性能的重要途径。
例如，金属、导电聚合物等材料具有较高的导电性能。
2. 优化材料的制备工艺：通过优化材料的制备工艺，可以改善材料的结晶性和纯度，从而提升导电性能。
例如，采用先进的沉积技术、控制材料的热处理参数等。
3. 掺杂和合金化：适度的掺杂和合金化可以改变材料的电子结构和晶格结构，从而提高导电性能。
材料的导电性和导电材料
材料的导电性和导电材料材料的导电性是指物质对电流的导电能力，而导电材料则是能够有效传递电流的物质。
在现代科技发展的背景下，导电性和导电材料在电子技术、能源科学以及材料科学领域具有重要的应用和研究价值。
本文将从材料的导电性机制以及常见的导电材料两个方面展开讨论。
一、材料的导电性机制材料的导电性主要是由材料内部的电荷输运机制决定的。
根据材料内部电荷的输运方式不同，导电性可分为金属导电和半导体导电两种类型。
1. 金属导电金属导电主要是由于金属材料中自由电子的存在。
在金属中，金属原子的电子外层的原子轨道部分被“束缚”关住，形成价带；而电子外层的自由电子则呈现出一种“流动”状态，构成导体的导带。
当电场作用于金属材料时，自由电子在电场力的驱动下开始运动，形成电流。
2. 半导体导电半导体导电则是因为半导体材料的导带结构与金属不同。
在半导体中，导带与价带之间存在能带隙，即能量差。
当外部施加电场或接受能量激发时，电子可以突破能带间的能量差，从价带跃迁到导带，形成载流子，进而导致电流的传递。
二、常见的导电材料1. 金属材料金属材料是最常见的导电材料之一，具有良好的导电性能。
铜、银、铝等金属都属于优良导体，被广泛应用于电线、电路等电子元件的制造。
金属的导电性能好，是由于金属结构中自由电子的存在。
2. 半导体材料半导体材料导电性能介于导体和绝缘体之间。
硅和锗是最常见的半导体材料，具有广泛的应用前景。
半导体材料的导电性可以通过控制材料的掺杂来改变。
P型半导体和N型半导体的结合可以形成PN结，通过施加电场或外界激发，控制电子在导带和价带之间的跃迁，实现对电流的控制。
3. 导电聚合物近年来，导电聚合物也成为研究热点。
导电聚合物是一种特殊的有机材料，具有高导电性和可塑性，可以制备成薄膜、纤维等形式。
常见的导电聚合物有聚对苯二甲酸乙二酯（PEDOT）和聚噻吩（PTh）等。
导电聚合物被广泛应用于柔性电子、聚合物太阳能电池等领域。
除了以上提到的常见导电材料外，还存在着许多特殊的导电材料，如碳纳米管、石墨烯等。
自编教材第四章_材料的导电性能
第四章 材料的导电性能材料的导电性能是材料物理性能的重要组成部分，导体材料在电子及电力工业中得到广泛的应用，同时，表征材料导电性的电阻率是一种对组织结构敏感的参量，所以，可通过电阻分析来研究材料的相变。
本章主要讨论材料的导电机理，影响材料导电因素以及导电性能参数的测量和应用。
还对材料的超导电性能、热电性能以及半导体性能等作简要介绍。
第一节 材料的导电性一、 电阻与导电的基本概念当在材料的两端施加电压V 时，材料中有电流I 流过，这种现象称为导电，电流I 值可用欧姆定律表示，即I = RV (4-1) 式中：R 为材料电阻，其值不仅与材料的性质有关，而且还与其长度L 及截面积S 有关，因此R = ρSL (4-2) 式中：ρ称为电阻率，它在数值上等于单位长度和单位面积上导电体的电阻值，可写为 ρ = R L S(4-3)由于电阻率只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸无关，因此评定材料导电性的基本参数是ρ而不是R 。
电阻率的单位为Ω· m (欧·米)。
在研究材料的导电性能时，还常用电导率σ，电导率σ为电阻率的倒数，即σ =1 (4-4) 电导率的单位为Ω-1· m -1。
式（4-3）和式（4-4）表明，ρ 愈小，σ 愈大，材料导电性能就越好。
根据导电性能的好坏，常把材料分为导体、半导体和绝缘体。
导体的ρ 值小于10-2 Ω· m ；绝缘体的ρ值大于1010Ω· m ；半导体的ρ值介于10-2 ~ 1010Ω· m 之间。
虽然物质都是由原子所构成的，但其导电能力相差很大，这种现象与是物质的结构与导电本质有关。
二、导电的物理特性1、载流子电流是电荷在空间的定向运动。
任何一种物质，只要有电流就意味着有带电粒子的定向运动，这些带电粒子称为载流子。
金属导体中的载流子是自由电子，无机材料中的载流子可以是电子（负电子、空穴）、离子（正、负离子，空位）。
载流子为离子或离子空穴的电导称为离子式电导，载流子为电子或电子空穴的电导称为电子式电导。
实验一材料导电性能的测量
(2)将电压选择开关置于所需要的测试电压位置上，将 “倍率选择”旋至所 需要的位置。 (在不了解测试值的数 量级时，倍率应从低次方开始选择。)
(3)将“放电、测试”开关放在“测试”位置，检查应选 择的位置，打开输
入短路开关(即按钮抬起来)，读取加上测试电压1分钟时， 指示电表显示的电阻值。读数完毕，将“倍率”打回 “10-1”档。
(2) 分别计算各种材料的电阻率和相对电导率； (3)根据实验结果分析铜和铜合金导电性和成分的关系； (4)对实验中出现的一些问题进行讨论。
ln
D2 D1
(2)
式中π—3.1416； D2一保护电极的内径 (cm)；D1一测量电极的直径 (cm)；1n一自然对数。
数据及处理
(1)用所得的测试数据分别计算各试样的体积电阻率ρV， 及表面电阻率ρS，将计算结果填入下表的相应格内． (2)根据所做实验试分析产生误差的原因，及采取哪些缩小 误差的措施。
一、目的要求
1、掌握材料导电性能（电阻率、电导率）的 测量方法；
2、了解电阻率和电导率的相互关系； 3、了解高分子、陶瓷材料的体电阻、表面电
阻；
4、理解成分对金属材料导电性能影响。
欧姆定律
二、基本原理
RL S
电阻率与材料本质有关
电阻率的单位：m ， cm ， cm，
工程技术上常用mm2/m。它们之间的换算关系为
数据及处理
样品
电导率测量值 m/ mm2
1# 紫铜 Cu 2# 磷铜 Cu-P 3# 铅黄铜 Cu-Zn-P) 4# H62铜 Cu-Zn 5#铬锆铜 CuCrZr 6# 铝 Al 7# 银合金 AgSnO2
电阻率 mm2/ m
化学技术中材料导电性的测试方法
化学技术中材料导电性的测试方法导电材料是化学技术中重要的一部分，广泛应用于电池、电子器件、导线等领域。
因此，准确测定材料的导电性能对于材料研究和工业应用具有重要意义。
本文将介绍目前常用的几种材料导电性的测试方法。
一、电阻率测试方法电阻率是衡量材料导电性的重要参数之一，可以通过电阻率测试方法来测定。
最常见的方法是四探针法。
该方法利用四个分离的电极在材料上形成一个矩形电流路径，通过测量两个外侧电极间的电压降，结合电流大小，可以计算出材料的电阻率。
该方法适用于各种形态的材料，如薄膜、粉末、涂层等。
二、霍尔效应测试方法霍尔效应是材料导电性测试中常用的方法之一。
该方法是利用磁场对电流路径产生的影响，通过测量垂直电场与磁场之间的电势差来确定电阻率、电荷载流子密度、迁移率等参数。
霍尔效应测试方法适用于各种半导体材料，特别是掺杂材料的导电性测量。
三、交流阻抗测试方法交流阻抗测试方法是测量材料导电性的常用方法之一，尤其适用于电解质材料。
该方法通过在材料上施加交流电信号，测量材料中电压与电流之间的相位差和幅度变化，得到材料的等效电路参数，从而推算材料的导电性能。
交流阻抗测试方法具有高精度、非破坏性等优点，广泛应用于电池、电解质膜等领域。
四、光电导率测试方法光电导率测试方法是一种非常便捷和准确的材料导电性测量方法，适用于光导材料。
该方法利用光引起的电子和空穴的产生和迁移，通过测量光电流和光强之间的关系来确定光电导率。
光电导率测试方法已广泛应用于半导体材料、光电器件等研究领域。
五、电化学阻抗谱测试方法电化学阻抗谱测试方法是一种专门用于液体介质中材料导电性测量的方法。
该方法利用电化学技术的原理，通过在材料表面施加交流电信号，测量电流与电压之间的相位差和幅度变化，得到材料的等效电路参数。
这种方法对于电解质材料和液体中的离子传输具有很高的灵敏度和准确性。
综上所述，目前化学技术中常用的材料导电性测试方法包括电阻率测试方法、霍尔效应测试方法、交流阻抗测试方法、光电导率测试方法和电化学阻抗谱测试方法。
导电性能
(1)杂质缺陷
• 杂质对半导体性能的影响是由于杂质离子 (原子)引起的新局部能级。生产上研究的比 较多的价控半导体就是通过杂质的引入， 导致主要成份中离子电价的变化，从而出 现新的局部能级。BaTiO3的半导体化常通 过添加微量的稀土元素形成价控半导体。 例如添加La2O3的BaTiO3原料在空气中烧 成，其反应式如下:
二、准自由电子
• 以上是用经典力学模型来讨论自由电子的运 动，实际晶体中的电子不是“自由”的。对于半 导体和绝缘体中的电子能态，必须用量子力学理 论来描述。
•
现在仿照自由电子的运动形式，则晶体中电
子的运动状态也可写成F=ma的形式，其中F为外
力，这里是电场力，加速度a与电场力的关系：
eE
a
m* e
上式第二项起主要作用；高温时，杂质能
级上的电子已全部离解激发，温度继续升 高时，电导率增加是属于本征电导性(即第 一项起主要作用)。
• p型半导体的导电率为 :
1 2
N exp Eg 2kT
e
e
h
NV N A
exp Ei 2kT
• 第一项与杂质浓度无关，第二项与施主杂 质浓度有关，因为Eg>>Ei，故在低温时，
一、本征半导体中的载流子浓度
•
半导体的价带和导带隔着一个禁带，在绝对
零度下，无外界能量，价带中的电子不可能跃迁
到导带中去。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空穴，如图所示。
空穴好像一个带正电的电荷，空穴顺电场方向运
然后又由于电场的作用，电子仍被电场加速，获得定向速
电导率直接反映材料导电性能
电导率直接反映材料导电性能材料的导电性能是材料工程中至关重要的指标之一。
它直接决定了材料在电子、电力、电子器件等领域的应用潜力。
电导率是描述材料导电性能的一个重要参数，它衡量了材料在给定电场下电流的传导能力。
因此，电导率的准确测量对于优化材料性能以及开发具有良好导电性能的新材料非常重要。
电导率，也称为电导系数，通常用符号σ表示，定义为单位长度或单位体积内通过的电流除以所加电场的强度。
在常见的材料中，电导率的数量级范围很大，从10的负12次方到10的7次方西门子/米（S/m）不等。
金属和一些导电陶瓷通常具有较高的电导率，而非金属和绝缘材料则通常具有较低的电导率。
电导率直接反映了材料中自由电子的存在与运动性能。
在金属中，电导率的高值可以归因于其中大量的自由电子和它们的高度自由运动性。
这些自由电子在外电场的作用下会受到加速并在材料中形成电流。
相反，在非金属和绝缘材料中，自由电子的数量较少，因此电导率较低。
事实上，非导体中的导电主要是通过离子的移动来实现的，这种导电性被称为电解质导电。
电导率可以通过多种方法进行测量。
常用的方法包括直流和交流方法。
直流方法是通过在材料上施加一个恒定电场，然后测量通过材料的恒定电流来计算电导率。
该方法适用于绝缘材料和低频导电材料。
交流方法是通过施加一个变化电场，然后测量材料中的交流电流来计算电导率。
这种方法适用于高频导电材料。
在实际应用中，测量电导率可以通过多个仪器和设备进行。
例如，四探针测量法是一种常用的测量导电材料电导率的方法。
它通过在材料上施加一小电压，然后测量通过材料的电流来计算电阻。
根据欧姆定律，电导率实际上是电导和材料截面积的比值。
四探针测量法通过在材料上使用四个电极，可以避免由接触电阻引起的测量误差，并提高测量准确度。
电导率的准确测量对于研究材料的导电性能、优化材料性能以及开发导电性能更好的新材料非常重要。
它可以帮助科学家了解材料中导电行为的机理，并指导实际应用中的材料设计和工程。
材料的导电性能
第一节、导电性的基本概念和宏观物理量
早期的科学家发现，对于 同一种材料。电阻的大小 与长度成正比，与截面面 积成反比。
第一节、导电性的基本概念和宏观物理量
用电阻率已经能够描述不同物质的导电性 能。物理学家们为了增大学渣们学习物 理的难度。又引入一个定义：电导率
第二节、材料的导电机理分析
无外加电场
2.2 材料的超导现象
超导发电的优势
由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性， 因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上 的稳态强磁场。 而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗 3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。
2.2 材料的超导现象
超导发电的优势
超导发电机的单机发电容量比常规 发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体 积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效 率提高50％。
第三节、材料导电性的影响因素及规律 环境因素-----压力
第三节、材料导电性的影响因素及规律 环境因素-----压力
第三节、材料导电性的影响因素及规律 环境因素-----压力
第三节、材料导电性的影响因素及规律
第三节、材料导电性的影响因素及规律
第三节、材料导电性的影响因素及规律
第三节、材料导电性的影响因素及规律
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论
量子自由电子学说认为： •自由电子在均匀的等势场中以粒子波的形式 运动； •电子的能量是量子化的，能级是准连续的； •电子按能级的分布规律遵循费米狄拉克统计 分布规律； •价电子（自由电子）中只有一部分电子在受 到外部能量的激发跃迁到费米能级以上的允许 能级时，才能成为直正意义的自由电子——有 效电子。
第一章 材料的导电性
导电性
i-第i种载流子，n-载流子密度， q-载流子带电量， v-载流子漂移速度。注意q的正负和v的方向。
问题305：金属中有些什么东西会阻碍载流子流动？ 它们以什么方式阻碍载流子流动？ 问题306：半导体中有些什么因素会影响材料的电导 率？ 它们是怎么影响的？
《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能
混合导电体透氧性能
● 混合导电材料YBa_2Cu_3O_(7-δ)的透氧性能
《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能
四、材料按导电性能分类
导电性是评价材料所具有的传导电流的性质，通常按物体在室温情况下 的电阻率大小分为导体、半导体、绝缘体。
绝缘体：室温情况下的电阻率一般在108Ωּm以上
半导体：室温情况下的电阻率一般在10-5—108Ωּm 范围 导体：室温情况下的电阻率一般在10-5Ωּm以下
3、电子-离子混合导电
● La(Ba)Co(Fe)O3-δ系列透氧膜材料 ● (Ba ,Ca) (Co ,Fe)O3 -δ系列材料 ,具有较高的透氧量
和透氧稳定性 ● Bi-Sr-Fe-O系列透氧膜材料具有良好的化学稳定性
● La_(0.2)Sr_(0.8)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-z)钙钛矿型
《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能
问题308：固体中离子是如何实现导电的？什么样的 固体才能成为离子导体？ 固体中离子导电的物理图像：固体中离子导电是离子 或空位通过跳跃运动方式在格点间移动而实现的。 固体成为离子导体的基本条件：
●要有可移动的离子 ● 要有离子穿得过去的通道，（特殊的晶体结构，金属大都 是密堆积，没有大的通道，不能成为）。 ● 离子跳跃前进时前方一定要有空位（该种离子晶格缺陷）。 ●还必须使离子获得足够的定向驱动力，就定向而言，要加一 定向电场或存在定向离子浓度梯度。
不同材料导电性质比较分析
不同材料导电性质比较分析导电性是物质的重要性质之一，它决定了物质是否能够传导电流。
在现代科技中，许多应用都依赖于材料的导电性能，如电子器件、电池等。
同时，对于导电性能的研究也有助于我们更好地理解物质的电性质。
本文将对几种常见的材料的导电性质进行比较分析，包括金属材料、半导体材料和绝缘体材料。
首先，金属材料是一类导电性能非常好的材料。
它们具有高度可移动性的自由电子，这些电子可以在材料中自由运动。
金属材料的导电性能主要受到电子的自由度以及电子的浓度的影响。
一般来说，金属材料的导电性随着自由度的增加和浓度的增加而提高。
铜和铝是两种常见的金属材料，在工业和日常生活中广泛应用。
它们具有良好的导电性能和较低的电阻，可用于制造导线、电缆等导电设备。
其次，半导体材料是介于金属材料和绝缘体材料之间的一类材料。
它们具有介于导体和绝缘体之间的导电性能。
半导体材料的导电性主要由其禁带宽度决定。
禁带宽度是指半导体材料中能量带隙的宽度，即价带与导带之间的能量差。
对于常见的硅和锗材料来说，它们的禁带宽度较小，因此在室温下的导电性能相对较差。
然而，通过掺杂或外加电场的方法可以改变半导体材料的导电性能。
例如，添加五价元素砷或磷，可以使硅材料变为N型半导体，导电性能显著提高。
最后，绝缘体材料是导电性非常差的材料。
它们的导电性主要受到禁带宽度的影响。
绝缘体材料的禁带宽度较大，导致几乎没有自由电子可以在材料中进行导电。
举例来说，陶瓷、玻璃和塑料等材料都属于绝缘体材料，它们在常温下几乎不会导电。
这也是为什么绝缘体材料常用于电子设备的绝缘层，以避免导电性造成的电路短路和其他电路问题。
总结起来，不同材料具有不同的导电性质。
金属材料具有良好的导电性能，半导体材料的导电性能介于金属和绝缘体之间，而绝缘体材料则具有很差的导电性。
我们可以根据不同材料的导电性质来选择合适的材料用于不同的应用，从而实现最佳的性能和效果。
需要注意的是，在实际应用中，还有其他因素可能会影响材料的导电性能，如温度和湿度等。
导电材料的性能
1.1
导体材料概述
1.导电材料：一般是指专门用于传导电流的材料。 导电材料主要用于构建电网和各类电工产品中电能传输。 2.导电材料材质：主要有金属、合金和某些非金属。 3. 导电材料分类：电线电缆、电阻电热材料、触点材料、电刷制品和其
他导电材料等。
4.导电材料的主要技术要求：
同样长度、电阻值一样时，铝导线的截面积约是铜导线的
1.69倍。
替代导线的原则： 长度、电阻相等
应 用
替代导线的方法： 面积法、直径法
思考１：
一台电动机绕组烧坏须重绕，测得原来直径为０.６９mm的铜 包漆线,请问 （１）、用截面积多大的铜线更换，如何用铝线，又应该如 何？ （２）、如果只有线径０.３５mm的铜线，应该如何做？
思考２：
电阻与温度的关系？？ Ｒ2=R1+αR1(T2-T1)
R1: t1时刻的电阻 Ｒ２：t２时刻的电阻 α： 温度系数 t1,t2 初未状态的温度
例、计算２２０Ｖ，１００Ｗ的灯泡工作时（2000度）的电阻
Ｒ＝４８４欧
常温（20度）下万用表测量其电阻，并验证上述公式
注：
金属中导电性能最佳的是银，
铜和铝是工业上最主要的导电金属材料。
表 1 常用金属材料性能表
表 ２ 常用金属材料电阻率
很多人对镀金，镀银有误解，或者是不清楚镀金的作用，现在来澄清下 1、镀金并不是为了减小电阻，而是因为金的化学性质非常稳定，不容易氧化，接头上镀金是为了防止接触不良（不 是因为金的导电能力比铜好） 2、众所周知，银的电阻率最小，在所有金属中，它的导电能力是最好的。 3、不要以为镀金或镀银的板子就好，良好的电路设计和PCB的设计，比镀金或镀银对电路性能的影响更大。 4、导电能力银好于铜，铜好于金！
材料的导电性能
电导率理论公式：
=材料p的导h 电e 性＋能 n e e
2.3.3.半导体结构与能带特征
晶体结构特征： 维持键合特点，保持原子比例，使平均价电子数为4； 掺杂原子代位固溶；掺杂量很少，保持基体结构不变； 纯度极高 晶体缺陷极低
材料制备—— 超常规条件与技术 超净室技术 区域熔化提纯技术起源 单晶体生长技术—— 完全消除晶界 低位错密度晶体生长技术 离子注入合金化技术/快速扩散掺杂
迁移率
材料的导电性能
电流密度－单位面积的电流 本征半导体在电场E作用下，空穴载流子将沿E方向作定向漂
移运动，产生空穴电流ip；自由电子将逆电场方向作定向 漂移运动，产生电子电流 in 。
总电流密度J为： J qnv
J J n J p e iv n n e iv p p e in n E e i p n E
导带
Eg
EF
0 材料的导电性能
k
价带
4）本征导体的电导率
本征载流子（自由电子和空穴）浓度：
材料的导电性能
本征载流子迁移率－单位场强下自由电子和空穴的平均漂移 速度
在漂移过程中，载流子不断地互相碰撞，使得大量载流 子定向漂移运动的平均速度为一个恒定值，并与电场强度E 成正比。自由电子和空穴的定向平均漂移速度分别为
材料的导电性能
半导体材料的发展与器件紧密相关。可以说，电子工业的发展 和半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和开拓的强 大动力；而材料质量的提高和新型半导体材料的出现，又优化 了半导体器件性能，产生新的器件，两者相互影响，相互促进。
20世纪70年代以来，电子技术以前所未有的速度突飞猛进， 尤其是微电子技术的兴起，使人类从工业社会进人信息社会。 微电子技术是电子器件与设备微型化的技术，一般是指半导体 技术和集成电路技术。它集中反映出现代电子技术的发展特点， 从而出现了大规模集成电路和超大规模集成电路。这样就促使 对半导体材料提出了愈来愈高的要求，使半导体材料的主攻目 标更明显地朝着高纯度、高均匀性、高完整性、大尺寸方向发 展。
材料的导电性能课件
晶体按导电性能的高低可以分为
导体
半导体
绝缘体
它们的导电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。
材料的导电性能
27
27
金属、半导体和绝缘体的能带结构
材料的导电性能
28
3.2.2 导电材料与电阻材料
导电材料是以传送电流为主要目的的材料。对于像电力工业 这样的强电应用的导电材料，主要有铜、铝及其合金。 而像电子工业这样的弱电应用的导电材料则除了铜、铝之外， 还常用金、银等。
镁晶体的与之相应能带也是全满带
3p:
与之相应能带是空带
Mg 金属电子能带 3p 3s
镁晶体的 3s 与 3p 能带存在交叠
材料的导电性能
12
能带重叠现象
Mg的能带结构
材料的导电性能
13
Mg的能带结构
• 镁原子的核外电子结构为1s22s22p63s2。像镁这样的周期 表ⅡA族元素的最外层3s轨道有2个电子，所以按理说它的 3s能带就会被电子全部占满。
第3章 导电物理
3.2 能带结构及导电材料
材料的导电性能
1
3.2.1 能带结构 3.2.2 导电材料与电阻材料 3.2.3 其他材料的导电性能
材料的导电性能
2
根据原子结构理论，每个电子都占有一个分立的能级。 Pauli不相容原理，每个能级只能容纳2个电子
电子填充能带的原则：
1、泡利不相容原理：不能有两个电子处于完全相同的量子态 2、首先填充能量最小的状态
能级分布取决于原子之间的距离
导带
禁带
材料的导电性能
9
钠的能带结构
•钠只有1个3s电子，在3s价带只有一半的能级被电子所占据。 自然，这些被电子占据的能级应该是能量较低的能级，而3s价 带中能量较高的处于上方的能级很少有电子占据。
第4章材料的导电性能解读.
材料电学性能的一般简介
材料电学性能：指材料在外电场作用下表现出来的行为。
导电性能 介电性能
以带电粒子(载流子)长程迁移，即 传导的方式对外电场作出的响应。
电学性能
以感应方式对外电场（包括频率、 温度）等物理作用作出的响应， 即产生电偶极矩或电偶极矩的改 变。如：铁电性、压电性等。
4.1 电阻和导电的基本概念
=∑niqimi
4.2 材料的导电机理
4.2.1 金属及半导体的导电机理
经典自由电子导电理论 三个重要阶段 量子自由电子理论 能带理论
一、经典自由电子理论
假设： 1）正离子构成的完整晶体点阵；
（电场均匀）
2）价电子完全自由化、公有化，弥散分布整个点阵；
（价电子为自由电子）
经典自由电子理论学说成功地解释了导电性和导热
一 电阻与导电的基本概念
1 导电 当在材料的两端施加电压时，材料中有电流流过 V R 欧姆定律 I 2 电阻 与材料的性质有关 还与材料的长度及截面积有关 3 电阻率 只与材料本性有关 而与导体的几何尺寸无关 评定导电性的基本参数
Байду номын сангаас
4 电导率 愈大，材料导电性能就越好 5 材料分类 超导体、导体、绝缘体和半导体
在碱金属离子总浓度相同情况 下，含两种碱比含一种碱的电 导率要小，比例恰当时，可降 到最低(降低4～5个数量级)。
(3)压碱效应 • 含碱玻璃中加入二价金属氧化物，尤 其是重金属氧化物，可使玻璃电导率 降低，这是因为二价离子与玻璃体中 氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网 络结构，以致堵住了离子的迁移通道， 使碱金属离子移动困难， 从而减小了 玻璃的电导率。也可这样理解，二价
＜ 10-27Ωm