材料的电学性能材料物理.ppt

第五章 材料的电学性能,5.1 电导性能 5.2 无机材料的电导 5.3 半导体陶瓷的物理效应 5.4 超导体 5.5 介电性能 5.6 介质损耗 5.7 介电强度,5.1 电导性能,一、电导的宏观参数二、电导的物理特性三、离子电导与电子电导四、导电性的测量,一、电导的宏观参数,电导率与电阻率(Electrical conductivity and Resistivity),导电：在材料两端施加电压V时，材料中有电流I通过，这种现象称为“导电”。,欧姆定律：（均匀导体）,J：电流密度 A/cm2S：横截面积 cm2,电流均匀：,电场强度均匀：,E：电场强度 V/cmL：长度 cm,：电阻率 cm,：电导率-1cm-1 Scm-1 S为西门子（Siemens）,电阻率：,电导率:,电阻R不仅与材料本性有关，而且与导体的几何形状有关，电阻率只与材料本性有关，与导体的几何形状无关。,欧姆定律的微分形式：,非均匀导体,根据导电性能的好坏，材料分为：,导体：1010m半导体：10-2 1010 m,材料的导电能力决定于其结构与导电本质。,越小，越大，材料的导电性能就越好。,2.体积电阻与体积电阻率,体积电阻：,表面电阻：,总电流：,RV 反映材料的导电能力,Rs 与表面环境有关，不反映材料的导电能力,体积电阻率v(cm)是表征材料电阻性能的本征参数，只与材料有关。,板状样品厚度cm,板状样品电极面积cm2,关键是测量材料的体电阻。,板状试样,管状试样,圆片试样,主电极 a 环形电极 g 全电极 b,若两环形电极a，g间为等电位，其表面电阻可忽略。,主电极a的有效面积：,精确测定的经验公式：,3.表面电阻与表面电阻率,板状试样,电极间的距离,电极的长度,表面电阻率S(),s 不反映材料性质，只决定于样品表面状态，可通过实验测出。,圆片试样,二、电导的物理特性,1.载流子,电荷在空间的定向运动形成电流，电荷的自由粒子就是载流子。,电子（电子，空穴）离子（正、负离子，空位）,无机非金属材料中的载流子：,金属导体中的载流子：,自由电子,电子电导、离子电导,电子电导和离子电导具有不同的物理效应，利用其特有的物理效应可以判断和确定材料的电导性质。,2.电导率的一般表达式,物体导电现象的微观本质：载流子在电场作用下的定向迁移。,单位体积内的载流子数为 n（cm-3）每一载流子的荷电量为q单位体积内参加导电的自由电荷为nq每一载流子在电场方向的平均速度为v（cm/s）,单位时间（1s）通过单位面积S的电荷量，即电流密度：,迁移率(mobility)：单位电场下载流子的移动速度,v/E（cm2/sV）,若同时有数种载流子，总电导率：,反映了电导率的微观本质：宏观电导率与微观载流子浓度n，电荷量q与迁移率的关系。,3.电导的物理效应,（1）霍尔效应电子电导的特征,当沿试样x轴方向通入电流密度为Jx的电流，同时在z轴方向加上磁场强度为Hz的磁场，由于磁场的作用，速度为vx的电子受到磁场力FH的作用力，磁场力使电子产生偏移在y方向上形成电场，这一现象称为霍尔效应，产生的电场称之为霍尔场EH=Ey。,HZ,FH=Hzevx（磁场力）,平衡状态（电子受到的电场力与磁场力平衡）：,霍尔系数:RH1/ne,根据电导率公式n e，可得到霍尔迁移率H：,在一定实验条件下，通过测定RH和，可以求出载流子浓度n和迁移率,（2）电解效应离子电导的特征,电解现象：离子迁移伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失（电化学反应），产生新的物质。,法拉第电解定律：电解物质与通过的电量呈正比。,g电解物质的量（mol）Q通过的电量（C）C电化当量（mol/C）z电解物质的化合价F法拉第常数，9.6487104 C/mol,固体电解质的电解效应实验原理,MX型化合物，电解时通过电量为Q。载流子有M、X和e三种。通过的总电流可分为迁移数分别为te-，tx-和tM+三个分电流。,迁移数：指定种类的载流子所运载的电流与总电流之比。,Tubandt法原理（M,X,MX）分别为各物质原子量或分子量,+,-,电极,电极,(tM+MtX-X)g,M(II)MX(II):,1.离子电导,离子晶体中的电导主要是离子电导。,固有离子电导（本征电导）（高温显著）,杂质电导（低温显著）,离子电导的分类：,晶体点阵的基本离子随着热振动离开晶格形成热缺陷（离子或空位），这些带电的热缺陷就是离子电导的载流子。,固定较弱的离子运动造成，主要是杂质离子。,二、离子电导与电子电导,（1）载流子浓度,本征电导载流子：,弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）肖特基缺陷（Schottky defect）,晶体热缺陷,Frenkel defect：间隙离子和空位的浓度相等。,N-单位体积内离子结点数Ef-F缺陷形成能k-Boltzman常数T热力学温度,Schottky defect：空位浓度,N单位体积内离子对的数目EsS缺陷形成能,讨论：,浓度取决于T、，Tn，En 一般离子晶体：E s Ef,杂质离子载流子浓度取决于杂质的数量和种类。,杂质电导载流子：,（2）离子迁移率,离子电导的微观机构：载流子即离子的扩散，所以离子电导与离子扩散难易有关。,0：间隙原子的振动频率。,热运动宏观上无电导现象,无外加电场时间隙离子运动状况,外加电场E间隙离子运动状况,外加电场改变了原周期作用势垒，沿x方向每一个原子间距，势垒相对降低qE,A B 克服势垒U0-UB A 克服势垒U0+U,间隙离子迁移速度:,单位时间间隙离子沿电场方向的净跃迁次数为:,电场强度不大时，UkT，指数式可展开简化为：,迁移速度简化为：,载流子沿电场方向的迁移率为：,离子迁移率与电场强度无关迁移率与晶体结构有关(、U0、0)指数项受温度影响较大,讨论：,在弱电场作用下，,：晶格间距（cm）0：间隙离子的振动频率（hz)q：间隙离子的电荷数（C)k：波尔兹曼常数 0.86 104（eV/K）U0：无外加电场时间隙离子的势垒（eV）,（3）离子电导率,Schottky defect引起的本征离子电导率：,Ws电导活化能，包括缺陷形成能与迁移能As常数,本征离子电导率一般表达式：,B1W/kA1常数,杂质离子电导率一般表达式：,A2N2q226kT,B2B1，,杂质电导率比本征电导率大得多，离子晶体的电导主要为杂质电导。,物质中存在多种载流子，总电导率：,杂质离子浓度,（4）扩散与离子电导,离子扩散机构,载流子：空位,载流子：间隙原子,“接力式”运动,（4）影响离子电导的因素,温度,随着温度的升高，离子电导按指数规律增加。,晶体结构,熔点高，晶体结合力大，活化能高，电导率低；正离子电荷少，半径小，活化能低，电导率高；,晶体结构致密，间隙离子迁移困难，电导率低。,活化能（W）,形成离子电导的离子型晶体必须具有两个条件:,电子载流子浓度小；离子晶格缺陷浓度大并参与电导。,晶格缺陷,离子电导的关键：离子性晶格缺陷的形成及其浓度大小,热激励生成晶格缺陷（F、S缺陷）,不等价固溶掺杂生成晶格缺陷,非化学计量比产生晶格缺陷（气氛，压力）,Y2O3 2YZr+VO+3OO,ZrO2,2ZrO2 2Zr.Y+Oi+3OO,Y2O3,离子型缺陷的产生总或多或少的伴随着电子的产生，呈现出电子电导。总电导率离子电导率电子电导率。,nd，ne，nh分别为离子缺陷、电子和空穴的浓度d，e，h分别为离子缺陷、电子和空穴的迁移率 Zd 离子缺陷的有效价数,稳定ZrO2的氧脱离形成氧空位：OO 1/2O2+VO+2e-,2.电子电导,电子电导的载流子是电子或空穴（电子空位），电子电导主要发生在导体（金属）和半导体中。,（1）电子迁移率,自由电子在外电场E的作用下，作加速运动,经典力学理论,加速度：,E电场强度e电子电荷量m电子质量,晶格热振动、杂质、缺陷的作用（碰撞）使电子产生散射，两次碰撞之间的平均时间为2，电子的平均速度为：,松弛时间,与晶格缺陷及温度有关，温度越高，晶体缺陷越多，电子散射几率越大，越小。,电子迁移率：,实际晶体中的电子不是“自由”的，必须考虑晶格场对电子的作用。,量子力学理论,电子有效质量m*（考虑了晶格场对电子的作用）,电子能量hPlank常数k 波矢量(波数),自由电子：,晶体中的电子：,电子迁移率：,电子和空穴的有效质量m*取决于材料性质，由载流子的散射决定。散射弱,长,高。,掺杂浓度和温度对的影响,本质上是对载流子散射强弱的影响。,散射的原因,晶格散射,晶格振动:半导体晶体中规则排列的晶格,在其晶格点阵附近产生的热振动。晶格散射:由晶格振动引起的散射。,温度 晶格振动 晶格散射,低掺杂半导体迁移率随温度升高而大幅下降的原因。,电离杂质散射,高掺杂浓度时，半导体迁移率 随温度变化较小。,电离杂质产生的正负电中心对载流子的吸引或排斥作用,导致散射。,掺杂浓度:掺杂浓度 散射,温度:温度 载流子运动速度 吸引或排斥 散射,（2）载流子浓度,能带理论,晶体中电子能级间的间隙很小，所以能级的分布可以看成是准连续的，称为能带。,禁带：禁止电子具有的能级组成的能带。,允带：电子可以具有的能级组成的能带。电子可以具有允带中各能级的能量，但允带中每个能级只能允许有两个自旋反向的电子存在。,导带：具有空能级允带中的电子是自由的，在外加电场作用下参与导电，这样的允带称为导带。,空能级：允带中未被填满电子的能级。,满带：所有能级均被电子填满的允带。,禁带,晶体中并非所有电子和价电子都参与导电，只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。,本征半导体中的载流子浓度,本征电导：导带中的电子电导和价带中的空穴电导同时存在。本征电导的载流子电子和空穴的浓度相等。,本征电导体：具有本征电导特性的半导体。,导带底部能级,费米（Fermi）能级,价带顶部能级,电子存在几率为1/2的能级,本征半导体中的载流子（电子与空穴）由热激发产生，其浓度与温度呈指数关系。,Nc：导带的有效状态密度k：波尔兹曼常数h：普朗克常数me*：电子有效质量T：绝对温度,导带电子浓度：,根据Fermi统计理论：,价带中的空穴浓度：,NV：价带的有效状态密度mh*：空穴有效质量,N等效状态密度,杂质半导体中的载流子浓度,n 型半导体：掺入施主杂质的半导体。载流子：多余的电子,p 型半导体：掺入受主杂质的半导体（空穴半导体）。载流子：空穴,5价杂质砷,4价半导体硅,3价杂质硼,4价半导体硅,施主能级,受主能级,n 型半导体,NC导带的有效状态密度ND单位体积中施主原子个数ED施主能级EiEC-ED,电离能,低温（EC-ED Eg)：,p 型半导体,低温（EA-EV Eg)：,NV价带的空穴状态密度NA受主杂质浓度EA受主能级Ei电离能,Ei=EA-EV,（3）电子电导率,电子导体中，载流子电子和空穴的浓度、迁移率常不一样，计算时需分别考虑。,本征半导体,e 和h分别为电子与空穴的迁移率,杂质半导体,n 型半导体,高温时，第一项起主要作用低温时，第二项起主要作用,本征半导体或高温时的杂质半导体的电导率与温度的关系:,温度变化不大时，0 可视为常数。ln与1/T成直线关系。由直线斜率可求出禁带宽度Eg。,p 型半导体,实际晶体：,一种电子导电机构,低温：杂质电子电导高温：本征电子电导,存在两种杂质,（4）电子电导率的影响因素,温度,温度变化不大时，电导率与温度呈指数关系。电导率对温度的依赖关系主要取决于浓度项。载流子浓度与温度符合指数式。,低温区：杂质电子电导高温区：本征电子电导中温区：饱和，杂质完全离解，载流子浓度不随温度变化,杂质缺陷,施主杂质 n 型半导体受主杂质 p 型半导体,价控半导体,四、导电性的测量,电导的宏观参数,电导的物理特性,电导率(1/)体积电阻率：反映材料的导电能力 表面电阻率,载流子（电子、离子）,电导的物理效应,霍尔效应（电子电导）,电解效应（离子电导）,离子电导与电子电导,圆片试样,小 结,离子电导,本征离子电导,杂质离子电导,载流子：热缺陷：F缺陷、S缺陷,迁移率载流子浓度,电导率,载流子：杂质离子,迁移率载流子浓度,电导率,离子电导的必要条件（离子性晶格缺陷的形成及其浓度大小）晶格缺陷形成的原因(热激励，掺杂等),电子电导,本征半导体,杂质半导体,载流子：电子或空穴,迁移率载流子浓度,电导率,载流子：多余电子,迁移率载流子浓度,电导率,n 型半导体,迁移率载流子浓度,电导率,p 型半导体,载流子：空穴,5.2 无机材料的电导,一、无机材料电导的混合法则二、电流吸收现象三、电化学老化现象,无机材料：多晶多相 结构复杂（晶界、相界、气孔）,一、无机材料电导的混合法则,陶瓷材料,假设陶瓷材料由晶粒和晶界组成，界面和局部电场变化等影响因素可以忽略。,G、B：晶粒、晶界的电导率VG、VB：晶粒、晶界的体积分数,n=-1串连,n=1并联,n 0均匀分散状态,将式(4-1)微分,若n 0，则,即,材料电导的对数混合法则,二、电流吸收现象,给陶瓷加上直流电压后，其电流先随时间减小，然后才能稳定，即其电阻需要经过一定的时间才能稳定。切断电源后，将电极短路，出现反向电流，并随时间减小到零。,吸收电流,漏电电流,原因：,外加电场作用下，正负离子定向移动，集聚在在电极或生成新的物质；不均匀结构（杂质、晶格畸变、晶界、气孔等）引起电荷集聚。,空间电荷的积累，即空间电荷，改变了外电场在陶瓷内的电位分布，引起电流变化。,电流吸收现象主要发生在离子电导为主的陶瓷材料中。电子电导为主的陶瓷材料，由于电子迁移率很高，不存在空间电荷和吸收电流现象。,三、电化学老化现象,电化学老化：电场作用下，由于化学变化引起材料性能不可逆的恶化。,原因：,离子在电极附近发生氧化还原反应。,必要条件：,介质中的离子至少有一种参加电导。,5.3 半导体陶瓷的物理效应,一、压敏效应二、PTC效应三、Seeback效应,一、压敏效应（Varistor Effect）,对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压下，电阻非常大，几乎无电流通过，超过该临界电压（敏感电压），电阻迅速降低，电流通过。,ZnO压敏电阻：稳压和过压保护、避雷器,二、PTC效应（Positive Temperature Coefficient）,在材料（价控BaTiO3）相变点附近（居里点），电阻率随温度上升发生突变，显著提高，即所谓的PTC现象。,应用：过热保护、过流保护、恒温发热体（电饭锅、电吹风机等）,三、Seeback 效应（温差电动势效应）,由于温度梯度使多数载流子从热端扩散到冷端，结果在半导体两端就产生温差电动势，这种现象称为温差电动势效应。,n型半导体,p型半导体,5.4 超导体,一、超导电性二、超导体的基本特征三、超导体的性能指标四、超导体的研究进展与应用,一、超导电性,超导电性：在一定的低温条件下，材料突然失去电阻的现象称为超导电性。,1911年，荷兰科学家卡茂林昂内斯（Kamerlingh Onnes）发现：在4.2K温度附近，水银的电阻突然下降到无法测量的程度，或者说电阻为零。,临界温度Tc：材料由正常态（有电阻）变为超导态的温度。,零电阻、等电位,超导体：具有超导电性物质。,二、超导体的基本特征,1.完全导电性（零电阻）,放在磁场中的环形超导体，冷却到低温使其变为超导态，把外磁场突然去掉，由于磁感应作用圆环内产生感生电流，由于电阻为零，感生电流永不衰竭，称为永久电流。,2.完全抗磁性（Meissner效应）,处于超导状态的金属，不管其经历如何，内部磁感应强度B始终为零。,外加磁场不能进入超导体的内部；原来处于磁场中的正常态样品，当温度下降使其变为超导体时，也会把原来在体内的磁场完全排出去。,超导态对磁通的排斥,正常态,超导态,三、超导体的性能指标,1.临界转变温度Tc：由正常态变为超导态的温度,临界转变温度越高越好，越有利于利用。,超导体具有屏蔽磁场和排出磁通的性能。,2.临界磁场Hc：保持超导态的最大磁场强度,当TTc，将超导体放入磁场中，如果磁场强度高于临界磁场强度，则磁力线穿过超导体，超导体被破坏成为正常态。,3.临界电流密度Jc：保持超导态的最大输入电流密度,如果输入电流所产生的磁场与外磁场之和超过临界磁场，则超导态被破坏，这时输入的电流为临界电流Ic，相应的电流密度称为临界电流密度Jc。,超导理论研究,四、超导体的研究进展与应用,金属及金属化合物,以1975年J.bardeen、的“库柏电子对”超导理论模型最为著名。认为超导现象源于电子-声子相互作用产生的电子对。该理论预言：金属和金属间化合物中的超导体的Tc不超过30K。,氧化物超导体,至今还没有被人完全接受的超导理论模型。,1.研究进展,为了寻找Tc更高的超导体，从60年代开始在氧化物中寻找超导体。1986年，瑞士的J.G.Bednorz和K.AMuller发现Tc为35K的Na-La-Cu系氧化物超导体，获得诺贝尔奖。1987年，中国科学家赵忠贤等人得到Tc在液氮以上温度的Y-La-Cu-O系超导体，即所谓的123材料。超导薄膜、线材相继问世。目前已发现超导温度大133K以上的超导氧化物。,提高Tc,著名的超导化合物：Nb3Sn（Tc18.118.5K）Nb3Ge（Tc23.2K）,超导储能磁体,超导磁悬浮列车,2.应用,高温超导变压器,超导核磁共振层析成像仪,超导计算机,超 导 市 场 预 测,1993年世界银行的国际超导工业峰会上预测，到2020年世界超导产品的销售总额将达244亿美元。,