无机材料物理性能第11讲ppt课件.ppt

第6章 无机材料的电导,6.5 玻璃态电导,纯净玻璃的电导很小，当有碱金属离子存在时，电导会大大增加。含量不大时，玻璃电导率随含量线性增加，当到达一定限度时，电导率呈指数关系增加。玻璃中有碱金属离子时，基本表现为离子电导。,第6章 无机材料的电导,双碱效应,硼钾锂玻璃电导率与锂、钾含量的关系,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要低。,第6章 无机材料的电导,原因：小离子迁移留下的空位比大离子留下的空位小，因而大离子只能通过本身的空位迁移；小离子进入大离子空位中，产生应力，不稳定，会产生干扰，使电导率降低；大离子不能进入小空位，使通路堵塞，妨碍小离子的迁移，迁移率降低。,第6章 无机材料的电导,压碱效应,含碱玻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。,原因：二价离子与玻璃中的氧结合牢固，堵塞迁移通道，使碱金属的离子迁移困难，电导降低。,第6章 无机材料的电导,6.6 无机材料的电导,多晶多相陶瓷材料的电导是各种电导机制的综合作用，有电子电导，也有离子电导。电子的激活能小，迁移率高，材料的电导主要受电子电导的影响；绝缘材料的生产中要严格控制烧结气氛，减少电子电导。薄膜及超细颗粒含有大量晶界，增加离子及电子的散射，电阻增加。少量气孔分散相，气孔率增加，陶瓷材料的电导率减少。,一、多晶多相固体材料的电导,第6章 无机材料的电导,设陶瓷由晶粒和晶界组成，且忽略界面的影响和局部电场的变化等因素，则总电导率为：n=-1时，相当于串联状态；n=1时相当于并联状态；n=0时，对应于晶粒均匀分散在晶界中的情况。实际材料中，当晶粒和晶界之间的电导率、介电常数、多数载流子差异很大时，往往在晶粒和晶界之间产生相互作用，引起各种陶瓷材料特有的晶界效应。,二、无机材料电导的混合法则,第6章 无机材料的电导,1、玻璃态电导：在含有碱金属离子的玻璃中，基本上表现为离子电导。纯净玻璃的电导率一般较小，但少量的碱金属离子可使电导大大地增加。2、玻璃态电导的效应：i)双碱效应，ii）压碱效应3、介质材料应尽量减少玻璃相的电导。4、晶相、玻璃相和气孔相，三者间量的大小及其相互间的关系，决定了陶瓷材料电导率的大小。5、杂质与缺陷为影响导电性的主要内在因素。6、少量气孔分散相，气孔率增加，陶瓷材料的电导率减少。,小 结,第6章 无机材料的电导,6.7 半导体陶瓷的物理效应,一、晶界效应,1、压敏效应,压敏效应：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，电阻值非常高，几乎无电流通过，当超过临界电压（敏感电压），电阻迅速降低，让电流通过。,ZnO压敏电阻器的电压-电流特性曲线,I电阻器流过的电流V 施加电压C相当于电阻，其值难测定，常用一定电流下(通常为1mA)所施加的电压Vc来代替C值，即：C=Vc/Ia非线性指数，其值越大，压敏特性越好。,第6章 无机材料的电导,压敏效应的机理：1）不等价置换使压敏陶瓷晶界具有表面能级；表面能级可以捕获载流子，产生电子耗损层，形成双肖特基势垒。2）电压较低时，热激励电子必须越过肖特基势垒而流过；电压增加到一定值以上，晶界面上所捕获的电子由于隧道效应越过势垒，使电流急剧增大。,ZnO压敏电阻双肖特基势垒模型,第6章 无机材料的电导,2、PTC效应（正温度系数效应）,PTC效应：电阻率随温度上升发生突变，增大了34个数量级。是价控型钛酸钡半导体特有，电阻率突变温度在相变（四方相与立方相转变）温度或居里点。,PTC电阻率温度特性,第6章 无机材料的电导,PTC现象的机理（Heywang晶界模型)：1）n型半导体陶瓷晶界具有表面能级；2）表面能级可以捕获载流子，产生电子耗损层，形成肖特基势垒。3）肖特基势垒高度与介电常数有关，介电常数越大，势垒越低；4）温度超过居里点，材料的介电常数急剧减小，势垒增高，电阻率急剧增加。,第6章 无机材料的电导,第6章 无机材料的电导,三、西贝克效应（温差电动势效应）,半导体陶瓷的西贝克效应,第6章 无机材料的电导,概念：半导体两端有温差时，由于多数载流子要扩散到冷端，结果在半导体两端就产生了温差电动势，这种现象称为西贝克效应。,温差电动势系数：,温差电动势系数的意义：温差电动势系数的符号同载流子带电符号一致，可据此判断半导体的类型。,第6章 无机材料的电导,四、p-n结当n型和p型半导体接触时，或半导体内一部分为n型，另一部分为p型时，由于两者费米能级不同，在接触面两侧形成正负电荷积累，产生一定的接触电势差。未加电场下p区极少量的电子由于势垒降低产生的电流（饱和电流I0）与n区电子的扩散电流Id相抵消。,1、p-n结势垒的形成,第6章 无机材料的电导,正偏压：势垒降低，扩散电流增加，产生净电流。负偏压：只能流过很小电流。负偏压继续增加，出现隧道效应，绝缘破坏，此时电压称为反向击穿电压。,eVd,e(Vd-V),2、偏压下p-n结势垒和整流作用,第6章 无机材料的电导,3、光生伏特效应,光生伏特效应示意图,第6章 无机材料的电导,光生伏特效应机理：1）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n结；2）p、n区都产生电子空穴对，产生非平衡载流子(电子吸收光子能量后由价带跃迁至导带，同时在价带中产生电子空穴)；3）非平衡载流子在内建电场作用下，n区空穴向p区扩散，p区电子向n区扩散；4）若p-n结开路，在结的两边积累电子空穴对,产生开路电压。,第6章 无机材料的电导,6.8 超导体,1.超导电性 在一定条件下，材料的电阻突然消失的现象称为超导电性。1911年荷兰科学家昂尼斯首次在实验室中发现，低于4.2K附近，水银的电阻突然降至无法测量，或者说为0。（获1913年诺贝尔物理奖）材料失去电阻的状态称为超导态，存在电阻的状态称为正常态，具有超导态的材料称为超导体；材料由正常态转变为超导态的温度称为临界温度（Tc）；超导态有电流，而无电阻，所以超导体态材料是等电位的。,第6章 无机材料的电导,2.两个基本特性 1）完全导电性：即电阻为0，或零电阻现象；2)完全抗磁性：即磁感应强度B始终为0，亦称“迈斯纳效应”。,第6章 无机材料的电导,超导转变温度Tc 愈高愈好,3.三个性能指标,临界磁场Hc 破坏超导态的最小磁场。随温度降低，Hc将增加。当TTc时，Hc=Hc01-（T/Tc)2,临界电流密度Jc 保持超导状态的最大输入电流（与Hc相关）,超导态除了决定于温度以外，还与外磁场有关，纵使温度低于临界转变温度，但如果磁场强度或临界电流密度超过某个值，超导态依然变为正常态。,第6章 无机材料的电导,4.超导现象的物理本质 1957年由巴丁、库柏和施瑞弗等人揭示，简称为BCS理论。认为超导体中的电子之间在超导态时存在着特殊的吸引力，而不是正常态时的静电斥力，这种吸引力使电子双双结成电子对，称为Cooper电子对（库柏电子对）。由于Cooper电子对受声子散射时，不会改变它的总动量，因此也不会改变电流，这样即使去掉外场，电流也不会减少，因而获得超导电性。由于Cooper电子对的束缚能比较小，因此只有在低温下，也即只有在临界温度以下，才能形成Cooper电子对，出现超导相。,约翰巴丁 里昂库柏 罗伯特施瑞弗,获得Nobel prize in 1972,第6章 无机材料的电导,5.超导体的分类 第一类超导体：大多数纯金属超导体，在超导态下磁通从超导体中全部逐出，具有完全的迈斯纳效应（完全的抗磁性）。第二类超导体：铌、钒及其合金中，允许部分磁通透入，仍保留超导电性。存在两个临界磁场，较低的Hc1和较高的Hc2。,第6章 无机材料的电导,1966年在陶瓷中首次发现超导特性；1986年发现临界温度高于30K的陶瓷（LaBa)2CuO4(1987年获得诺贝尔物理奖)1987年赵忠贤得到液氮温度（77K）以上的超导体(Y-Ba-Cu-O)（90K）1993年发现了临界温度为135K的超导体(Hg-Ba-Ca-Cu-O),6.陶瓷超导体,J.Georg Bednorz,Federal Republic of Germany,K.Alexander Muller,Switzerland,第6章 无机材料的电导,超导材料的应用大致可分为三类：(1).大电流应用（强电应用）：发电、输电和储能(2).电子学应用（弱电应用）：超导计算机、滤波器、微波器件等(3).抗磁性应用：磁悬浮列车和热核聚变反应堆等,7.超导材料的应用,第6章 无机材料的电导,本章要点回顾,基础知识：基本概念、物理参数的意义、电阻率的测试、电导的物理效应、电导率的一般表达式离子电导和电子电导：载流子迁移率、载流子浓度的推导、电导率的计算公式、电导率的影响因素导体和半导体材料的导电机理：经典自由电子理论、量子自由电子理论和能带理论。陶瓷、玻璃的导电性及影响因素，无机材料电导的混合法则半导体的物理效应：压敏效应、热敏效应、气敏效应、西贝克效应、p-n结超导体：概念、特性、性能指标、物理本质,第6章 无机材料的电导,部分电导性能总结题一、名词解释 能带、禁带、价带、导带、本征半导体、N型半导体、P型半导体、PN结、超导体二、问题 1.从导体、半导体、绝缘体材料能带结构分析其导电性能不同的原因。2.本征半导体材料的导电机理及电学特性。3.PN结的形成过程。4.PN结为什么具有单向导电性？5.超导体的两个基本特征和三个重要指标是什么？6.画图分析两种导体组成的回路中产生的热电效应（设两接触端温度不同）。,