【教学课件】第一章材料的电学.ppt
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1、杜慧玲 博士 主讲西安科技大学材料科学与工程系,第一章,材料的电学,主要内容,电导的物理现象金属的导电性半导体的电学性能材料的介电性材料的超导性,1.电导的物理现象1.1 电导的宏观参数,Flow of electrons in the metal to the positive electrode,as the effect of applying a voltageSimple picture of metallic bonding:high number of electrons in between the ionsEnergy scheme:Positive end of the r
2、od has a lower energy than the negative endWhy not all the electrons move to the positive terminal?,对一截均匀导电体,存在如下关系:欧姆定律欧姆定律微分形式,1.电导的物理现象1.1 电导的宏观参数,一、电阻率(电导率),二、表面电阻、体积电阻,1.电导的物理现象1.1 电导的宏观参数,1.对板状样品,1.电导的物理现象1.1 电导的宏观参数,2.对管状样品,1.电导的物理现象1.1 电导的宏观参数,3.对圆片状样品,1.电导的物理现象1.1 电导的宏观参数,1.二探针法(2-Probe Con
3、ductivity Measurements),V,L,A,R=Rsample+RcontactR=V/Ir=(RA)/L,I,Can give erroneous values if contact resistance,Rcontact,is not negligible with respect to Rsample,Ohmeter,特征:适用于高导电率材料响消除电极非欧姆接触对测量的影响,1.电导的物理现象1.1 电导的宏观参数,三、电阻测试方法,I=V1/R1Rsample=V2/I Rsample=(V2R1)/V1r=Rsample(A/L),特征:样品尺寸较大一般用来测量半导体
4、材料的方阻。,Current Source,Ohmeters,1.电导的物理现象1.1 电导的宏观参数,2.四探针法(4-Probe Conductivity Measurements),四、材料的电阻,1.电导的物理现象1.1 电导的宏观参数,Resistivities of Real Materials,1.电导的物理现象1.1 电导的宏观参数,四、材料的电阻,电流是电荷在空间的定向运动。任何一种物质,只要存在带电荷的自由粒子载流子,就可以在电场下产生导电电流。金属中:自由电子无机材料中:电子(负电子/空穴)电子电导离子(正、负离子/空穴)离子电导,1.电导的物理现象1.2 电导的物理特性
5、,一、载流子,二、迁移率,1.电导的物理现象1.2 电导的物理特性,电子电导的特征是具有霍尔效应。置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势差,这种现象称霍尔效应。霍尔系数(又称霍尔常数)RH在磁场不太强时,霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比,与霍尔片的厚度成反比,即 式中的RH称为霍尔系数,它表示霍尔效应的强弱。,1.电导的物理现象1.2 电导的物理特性,三、霍尔效应,1.电导的物理现象1.2 电导的物理特性,霍尔效应的起源:源于磁场中运动电荷所产生的洛仑兹力,导致载流子在磁场中产生洛仑兹偏转。该力所作
6、用的方向即与电荷运动的方向垂直,也与磁场方向垂直。,Jx,Ey,Hz,1.电导的物理现象1.2 电导的物理特性,霍尔系数RH=*,即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。霍尔系数RH有如下表达式:对于半导体材料:n型:p型:,离子电导的特征是具有电解效应。利用电解效应可以检验材料是否存在离子导电可以半顶载流子是正离子还是负离子,1.电导的物理现象1.2 电导的物理特性,四、电解效应,1.电导的物理现象1.2 电导的物理特性,纯金属电阻率理论研究是认识和理解电子与声子相互作用的最典型的例子之一,也是超导的理论基础。包括J.Bardeen在内的不少人对纯金属电阻率与温度奇异的依赖关系进
7、行过深入的理论研究,但“处理方法、数学积分及至结果表达式都是相当令人生畏的。”“The manipulation,integration and resulting expressions are rather formidable.”R.J.Elliot and A.F.Gibson,AnIntroduction to Solid State Physics and its Applications,311(1976),这些研究内容难以以基础课的内容向学生们讲授,高低温电阻率温度依赖性的奇异特性,其物理机理也不甚明了。问题:能否用更简单明了的模型来揭示纯金属电阻率与温度的依赖关系?,一、电阻
8、率研究的重要性及前人的工作,2.金属的导电性2.1 金属导电机制,基础一 第三章中晶格热容是一个宏观物理量,是晶格振动的统计平均效应。爱因斯坦采取了一个平均频率的简单模型,取得了很成功的结果。电阻率也是一个宏观物理量,是电子与声子作用的统计平均效应。是否可采取平均声子的模型来处理纯金属电阻率问题呢?所谓平均声子模型,是假定声子系统由平均声子来构成,在这个系统中,每个声子的动量等于原声子系统中声子的平均动量。我们知道,对电导有贡献的只是费密面上的电子,因此纯金属电阻率可看成是费密面上的电子与平均声子相互碰撞的结果。,2.金属的导电性2.1 金属导电机制,基础二已知,立方晶系金属的电阻率(1)电子
9、浓度,电子电荷 e,而费密面上电子的有效质量 可看成与温度无关。可见电阻率与温度的依赖关系,取决于弛豫时间 的倒数与温度的依赖关系。由固体物理知识可知.,2.金属的导电性2.1 金属导电机制,采用平均声子模型,上式简化成(2)其中 是一常数,是除 态外,费密面上 其它电子态的总和,是电子与一个平均声子碰 撞所产生的散射角。因此,对 的分析,就转换 成对因子 和 的分析。,2.金属的导电性2.1 金属导电机制,二、金属自由电子论,2.金属的导电性2.1 金属导电机制,于是(2)式变成 电阻率变成(3)因为 是声子的平均动量,由此推出重要结论:纯金属的电阻率与声子浓度和声子平均动量的平方成正比。,
10、2.金属的导电性2.1 金属导电机制,声子的平均动量(5)取变量变换,2.金属的导电性2.1 金属导电机制,将以上诸式代入(3)式得,(6)其中常数,2.金属的导电性2.1 金属导电机制,高温时,x=(/T)0,ex 1+x,得到(7)在甚低温时,x=(/T),得到=17.6A(8)可见由平均声子模型得到的理论结果与实验规律是相符的.,2.金属的导电性2.1 金属导电机制,本节是认识和理解电子与声子相互作用的最典型的例子之一。费密面上的电子遭受声子散射是纯金属具有电阻率的根源。纯金属的电阻率与声子浓度和声子平均动量的平方成正比。此结论把纯金属的电阻率与声子的参数联系了起来。,小 节,2.金属的
11、导电性2.1 金属导电机制,三、马基申定则(Matthissens Law),2.金属的导电性2.1 金属导电机制,2.金属的导电性2.2 温度对电阻率的影响,2.金属的导电性2.3 压力对电阻率的影响,2.金属的导电性2.4 固溶体的导电性,2.金属的导电性2.4 固溶体的导电性,2.金属的导电性2.4 固溶体的导电性,2.金属的导电性2.4 固溶体的导电性,3.半导体的导电性3.1 半导体的能带结构,3.半导体的导电性3.1 半导体的能带结构,3.半导体的导电性3.2 本征半导体与杂质半导体,一、本征半导体,二、杂质半导体,3.半导体的导电性3.2 本征半导体与杂质半导体,3.半导体的导电
12、性3.3 p-n结的整流特性,一、p-n结的定义,3.半导体的导电性3.3 p-n结的整流特性,二、p-n结的结构,3.半导体的导电性3.3 p-n结的整流特性,三、p-n结的物理本质,3.半导体的导电性3.4 晶体管的放大效应,一、晶体管的类型,3.半导体的导电性3.4 晶体管的放大效应,二、晶体管的结构,3.半导体的导电性3.4 晶体管的放大效应,三、晶体管的工作原理,4.材料的介电性4.1 电介质概述,一、电介质的定义,电介质的本质特征是以极化的方式传递、存储或记录电场的作用和影响,介电常数是表征电介质的最基本的参量。,陶瓷的介电性能决定于感应极化的产生及其随时间的建立过程,而介电常数随
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