材料物理性能——电学性能.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 材料的电学性能,导电性,晶体的能带,金属和合金的导电性,导电性的测量和应用,半导体的电学性能,绝缘体的电学性能,超导电性,热电性,压电性,磁电性,导电性,电阻与材料性能和尺寸的关系,电阻率,电导率,电阻温度系数,导体（纯金属,10,-8,10,-7,m,，合金,10,-7,10,-5,m,）,半导体（,10,-3,10,9,m,）,绝缘体（,10,9,m,）,元素周期表,A,族，碱金属，外壳层价电子数为,1,，其价电子在外加电场作用下由价带跃迁到导带，形成电流。因此只有那些电子未填满能带的材料才有导电性。,A,族，外壳层价电子数为,1,贵金属，,d,壳层填满、与原子核有强交互作用，使,s,壳层电子与核作用大大减弱，其价电子在外加电场作用下进入导带，导电性极好。,d,壳层填满，与原子和有强交互作用，使,s,壳层电子与核作用大大减弱，其价电子在外加电场作用下进入导带，导电性极好。,A,族，外壳层价电子数为,2,。,Mg,的,3p,能带与,3s,能带重叠，,3s,上的电子可跃迁到,3p,能带上，也有较好的导电性。,A,族，外壳层价电子数为,2,A,族，外壳层价电子数为,3,d,壳层电子逐渐填满过渡金属。,Fe,原子形成晶体时,4s,能带与,3d,能带重叠。由于价电子核内层电子有强的交互作用，铁的导电性稍差。,d,壳层电子逐渐填满过渡金属,金属的导电理论,经典电子理论,金属晶体为正离子电子气,外加电场时，自由电子定向迁移，形成电流。自由电子与正离子机械碰撞产生电阻,E,e,v,电子在自由程终点获得的定向迁移速度,平均速度,电流密度,电阻率表达式,散射系数,a,加速度,t,两次碰撞时间间隔,E,电场强度,m,电子质量,n,单位体积自由电子数,在量子理论中为,n*,，代表单位体积内实际参加导电的电子数,e,电子电荷,v,电子速度,L,电子平均自由程,影响导电性的因素,温度升高，离子热振动加剧，原子无序度加大，使电子散射几率加大，电阻率加大,冷加工使晶格畸变，使电子散射几率加大，原子间距有所改变，电阻率加大,压力通常使电阻率降低,热处理通过晶格畸变、点缺陷、晶粒尺寸的变化影响电阻率,D,合金的导电性,连续固溶体，最大电阻率通常在,50,原子浓度处。主要是异类原子引起溶剂晶格畸变。,溶质为过渡元素时，电阻率增大更为显著。因为溶剂的部分价电子会进入过渡元素未填满的,d,或,f,电子层，减少了有效电子数。用做电热合金和电阻合金。,马基申定律,低浓度下固溶体电阻,溶剂电阻（晶格热振动，电子散射），与温度有关，绝对零度时为零。,残余电阻（合金原子，空位、间隙原子及位错等），与温度无关。,低浓度下溶质原子引起的残余电阻与温度无关，固溶体的电阻温度系数低于纯金属，而固溶体电阻率随温度变化的斜率与纯金属相同。,高浓度下，和 均随温度变化。,含有过渡金属元素时（如加入,Mn,），可能出现,锰铜精密电阻合金，具有低的电阻温度系数。,有序固溶体的导电性,固溶体有序化使点阵规律性加强，减小电子散射，使导电性加强。,冷加工破坏固溶体的有序度，增加电阻率。,电阻测量法是研究有序固溶体的有效方法。,不均匀固溶体（,K,状态）的电阻,固溶体中存在溶剂原子的偏聚区成分波动或原子排列短程有序，故能强烈地散射电子，使电阻率增加。,回火能促使偏聚区的形成。,加热到高温或进行强烈的冷加工，使偏聚区消失，可降低电阻率。,铝铜合金。加热到单相区固溶；淬火形成过饱和单相固溶体；加温时效，析出,GP,区、,，,等。,可用电阻分析法研究铝合金的时效过程。,铝合金在,180,时效,5,秒钟，铜原子的偏聚,金属化合物的导电性,金属化合物（如,FeAl,3,NiAl,3,）的导电性通常比其组元的导电性低得多，主要是金属键部分地为共价键或离子键所代替。,电子化合物（如,Cu,3,Zn,8,）主要是金属键结合，导电性介于固溶体和金属化合物之间。,间隙相,(,如,TiC,),具有金属键和的特性，导电性较好。,多相合金的导电性,当合金为退火态、无织构，且组成相的电导率相近时（电导率之比约,0.751.75,），双相合金的导电性符合各项合金相加规律。,p,、,q,为体积百分数。,c,1,、,c,2,为质量百分数。,两相片状组织,导电方向,导电方向,导电性的测量,电桥法（单电桥，双电桥克服附加电阻）,直流电位差计测量法（消除连线电阻和接触电阻）,半导体电阻的测量（四探针法）,绝缘体电阻的测量（电容和冲击检流计测量法）,1,、工作电流标准化（,K,到,N,）,2,、求待测电动势（,K,到,X,）,3,、求待测电阻,R,x,R,x,=R,标,U,x,/U,标,特点：消除连线电阻和接触电阻,电阻分析的应用,合金的时效,合金的有序无序转变,固溶体的溶解度,淬火钢的回火,Al-Cu,合金时效步骤：,1,、加热到,单相区固溶,2,、淬水，得到过饱和,固溶体,3,、在室温或加热时效：,a.,析出,GP,区（与基体共格）,b.,析出,（与基体共格）,c.,析出,（与基体半共格）,d.,析出,CuAl,2,（与基体非共格），并聚集长大。基体,Cu,含量减少，电阻下降。,铝合金在,180,时效,5,秒钟，铜原子的偏聚,25,时效产生的,GP,区在,215,保温时又溶回到基体中，形成均匀固溶体，电阻下降。,合金的有序无序转变,（有序结构电阻率低）,测量方法：,1,、将不同成分的试样加热到略低于共晶（共析）转变温度,t,0,，保温足够的时间，然后淬火得到过饱和固溶体。,2,、把淬火试样加热到低于,t,0,的各个温度保温，使组织达到平衡。,3,、然后再淬火到室温测量电阻率，作出,-B,曲线。,4,、找出转折点对应的浓度，即为各温度下,B,在,A,中的溶解度。,淬火钢的回火,1,、,110,马氏体分解，正方度下降，电阻率降低。含,C,量越高，马氏体脱溶分解（电阻率下降）越急剧。,2,、,230,残余奥氏体分解，基体,C,含量减少，电阻率下降。,材料的疲劳过程,缺陷密度增高、裂纹的形成，使试样电阻增加。,半导体的电学性能,半导体中电子的能量状态能带,满带、禁带和导带,本征半导体,N,型半导体,P,型半导体,PN,结的特性,由于电子能否由价带跃迁到空的导带中，主要取决于能隙的大小。,C,、,Si,、,Ge,、,Sn,的能隙分别为,5.4eV,、,1.1eV,、,0.67eV,和,0.08eV,。可以算得室温（,27,）下上述元素中进入导带的电子几率分别为,1.2x10,-47,、,2.5x10,-10,、,1.5x10,-6,和,0.17,。故金刚石为绝缘体，锡可算作导体，而硅、锗即为半导体。,本征半导体纯净的无结构缺陷半导体单晶，如单晶,Si,。,半导体受到热激发，满带中的部分价电子跃迁到空带中，形成自由电子和空穴。两者成对出现。,无外电场作用，自由电子和空穴运动无规则，不产生电流。,加外电场，电子逆电场方向运动，空穴顺电场方向运动，形成电流。故自由电子和空穴统称为载流子。,本征半导体的电学性能,本征载流子（自由电子和空穴）浓度相等：,迁移率单位场强下自由电子和空穴的平均漂移速度,电流密度单位面积的电流,电阻率和电导率,掺杂半导体,N,型半导体,P,型半导体,N,型半导体,在本征半导体中掺入五价元素杂质（,P,、,As,、,Sb,等，形成多余价电子。该多余价电子能量状态较高，在常温下能进入导带，使自由电子浓度极大提高。,五价元素称为施主杂质（提供多余电子）,N,型半导体（电子型半导体）中，自由电子的浓度大，称为多数载流子，简称多子。电流由自由电子产生。,本征激发产生的空穴被自由电子复合，故空穴的数量少，称为少子。,N,型半导体电导率随温度的变化,随温度的增加，越来越多的施主杂质电子能进入导带，最后直到所有杂质电子全部进入导带。当达到这一温度时，称为施主耗尽。此时电导率为常数（因为温度太低，无本征电子及空穴的导电）。,通常选择在施主耗尽即平台温度的范围内工作。,P,型半导体,在本征半导体中掺入三价元素杂质（,B,、,Al,、,Ga,、,In,，形成高浓度空穴。在常温下价带中的价电子能进入三价元素的空穴，而在价带在产生空穴。,三价元素称为受主杂质（能接受价电子）。,P,型半导体（空穴型半导体）中，空穴的浓度大，称为多数载流子，简称多子。电流由空穴产生。,本征激发产生的自由电子被空穴复合，故自由电子的数量少，称为少子。,PN,结的产生及特性,P,区中空穴向,N,区扩散，在交接面的,P,区中只留下三价掺杂负离子。,N,区中自由电子向,P,区扩散，在交接面的,N,区中只留下五价掺杂正离子。故在交接面形成空间电荷区。,空间电荷区形成由,N,指向,P,区的内电场和内建电位差，阻止空穴和自由电子的扩散，最终扩散和漂移达到动态平衡。,无外加电场，,PN,区内无电流。,PN,结的单向导电性,外加正向电压，,PN,区内建电位差减小，空穴和自由电子的扩散和漂移的平衡被打破，扩散大于漂移，产生,P,指向,N,的正向电流。,U,越大，电流越大。,外加反向电压，,PN,区内建电位差增大，扩散小于漂移，以致与停止。但产生,N,指向,P,的反向电流。由于是少子产生，故电流极小。,上述机制形成了,PN,结的单向导电性。这是构成半导体二极管和三极管的基础。,超导电性,超导体的特性,1,、完全导电性,有报导说用,Nb0.75Zr0.25,合金超导导线制成的超导螺线管，估计其超导电流衰减时间不小于,10,万年。,超导体没有电阻，因而是等电位的，其中没有电场。,2,、完全的抗磁性迈斯钠效应,试样表面产生感应磁场，抵消外磁场。,评价超导材料的性能指标：,1,、临界转变温度,T,c,2,、临界磁场强度,H,c,(T,),两类超导体,超导现象的物理本质,超导态时，电子与晶格点阵相互作用，使电子克服静电斥力而相互吸引，组成电子对库柏电子对，通过晶格的阻力为零。,超导态电子结成库柏对时能量比正常态的两个电子的能量低。温度和磁场破坏库柏对的稳定性。,温度越低，超导体越稳定。,热电性赛贝克效应,赛贝克效应（材料不同，组成闭合回路，两接头存在温差）,热电势率,温差电位,热端高能电子向冷端扩散，结果热端带正电（缺少电子），冷端带负电（有富余电子），由热端指向冷端的温差电场阻止了电子的进一步扩散，最终形成稳定的温差电位差,。,热电偶回路的热电势由,温差电位差和接触电位差构成,E,热电偶测温,铂铑铂，镍铬镍铝，铜康铜,12,对应的温差（,575,）,25,600,（测量端温度）,600,1,2,25,热电子效应,热电子发射机理,固体受热（,W,等，加热,1000,以上,），内部自由电子动能足够大，就会溢出固体表面形成热电子发射。,应用方式,加热，形成热电子发射,电场下形成定向运动,聚焦、调制形成电子束,轰击荧光屏形成光学图象,用于显像管、示波器、电子显微镜等,阴极,阳极,压电性,电偶极矩,P,（矢量）与电荷间距,d,及电荷量,q,的关系,P,qd,压电性的本质是晶体受力变形，导致正负电荷中心分离，晶体对外显示电偶极矩，表面出现束缚电荷。,纵向压电效应，横向压电效应,正压电效应力 电荷,逆压电效应电荷 力,应用：,超声发生器，加速度传感器，点火器等,-q,+q,P,d,P,P,P,qd,纵向压电效应,横向压电效应,磁电性,普通金属的霍尔效应,半导体的霍尔效应,磁生电动势,磁感生电动势,普通金属的霍尔效应,电荷在磁场中运动所受的作用力,(,正电荷用右手定则，负电荷用左手定则,),洛伦兹力 与电场力 平衡,电位差为,有关系式,霍尔系数,迁移率,半导体的霍尔系数大,N,型半导体电子是载流子，,R,H,为负（,A,面为负电荷）,P,型半导体空穴是载流子，,R,H,为正（,A,面为正电荷）,本征半导体中电子和空穴同时起作用（成对出现），无霍尔效应。,霍尔效应可以判断载流子的类型（正电荷或负电荷）,