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传奇霸业宝石魂珠升级:材料物理性能-材料的電學性能ppt

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  • 素材授權:免費下載
  • 更新時間:2016-11-27
  • 素材類別:高校大學PPT
  • 素材格式:.ppt
  • 關鍵提要:工學
  • 素材版本:PowerPoint2003及以上版本(.ppt)
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這是一個關于材料物理性能--材料的電學性能ppt,主要介紹導電性、介電性、磁電性、熱電性、接觸電性、熱釋電性、壓電性、鐵電性。。?;隊慊饗略嘏?。

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材料物理性能-材料的電學性能ppt

PPT內容

材料物理性能
材料的電學性能大致包含:
導電性、介電性、磁電性、熱電性、接觸電性
 熱釋電性、壓電性、鐵電性。。。
本章主要學習的內容有:
引言
一、載流子
電流是電荷的定向運動,電荷的載體稱為載
流子。
二、遷移數
表征材料導電載流子種類對導電貢獻的參數,用tx表示。
ti+、ti-、te-、th+
離子遷移數ti>0.99的導體為離子導體; ti<0.99的導體為混
合導體。
第一節    電導的物理現象
一.電導的宏觀參數
——板狀樣品厚度(cm),
            ——板狀樣品電極面積(cm2)
            ——體積電阻率(Ω·cm),它是描寫材料電阻性能  的參數,只與材料有關。
 對于管狀試樣:
l為電極間的距離,b為電極的長度,ρs為樣品的表面電阻率。
圓片試樣,環形電極的內
外徑分別為r1,r2
4.直流四端電極法
如圖5.6
二.電導的物理特性
1.載流子(電荷的自由粒子)
         無機材料中的載流子可以是電子(負電子,空穴),離子(正、負離子,空位)。載流子為離子的電導為離子電導,載流子為電子的電導為電子電導。
1)霍爾效應
    電子電導的特性是具有霍爾效應。
           沿試樣x軸方向通入電流I(電流密度Jx),Z軸方向加一磁場Hz,那么在y軸方向上將產生一電場Ey,這一現象稱為霍爾效應。所產生電場為:
根據電導率公式               ,則
2)電解效應(離子電導特征)
法拉第電解定律:
g ——電解物質的量;    Q——通過的電量;
             C——電化當量;    F ——法拉第常數
第二節 離子電導
      離子晶體中的電導主要為離子電導。晶體的離子電導主要有兩類:
第一類,固有離子電導(本征電導),源于晶體點陣的基本離子的運動。離子自身隨著熱振動離開晶格形成熱缺陷。(高溫下顯著)
第二類,雜質電導,由固定較弱的離子運動造成的。(較低溫度下雜質電導顯著)
弗侖克爾缺陷的填隙離子和空位的濃度相等。都可表示為:
熱缺陷的濃度決定于溫度T和離解能   。常溫下     
      比起  來很小,因而只有在高溫下,熱缺陷濃度才顯著大起來,即固有電導在高溫下顯著。
         雜質離子載流子的濃度決定于雜質的數量和種類。因為雜質離子的存在,不僅增加了電流載體數,而且使點陣發生畸變,雜質離子離解活化能變小。和固有電導不同,低溫下,離子晶體的電導主要由雜質載流子濃度決定。
下面討論間隙離子在晶格間隙的擴散現象。間隙離子處于間隙位置時,受周圍離子的作用,處于一定的平衡位置(半穩定位置)。它從一個間隙位置躍入相鄰原子的間隙位置,需克服一個高度為    的“勢壘”。完成一次躍遷,又處于新的平衡位置上。
無外加電場時,間隙離子在晶體中各方向的遷移次數都相同,宏觀上無電荷定向運動,故介質中無電導現象。加上電場后,由于電場力作用,晶體中間隙離子勢壘不再對稱。對于正離子順電場方向“遷移”容易,反電場方向遷移困難。
隨著溫度的升高,離子電導按指數規律增加。
低溫下雜質電導占主要地位。(圖5.12曲線1)。這是由于雜質活化能比基本點陣離子的活化能小許多的緣故。高溫下(曲線2),固有電導起主要作用。
         因為熱運動能量的增高,使本征電導的載流子數顯著增多。這兩種不同的導電機構,使曲線出現了轉折點A。
電導率隨活化能按指數規律變化,而活化能反映離子的固定程度,它與晶體結構有關。熔點高的晶體,晶體結合力大,相應活化能也高,電導率就低。
        一價正離子尺寸小,電荷少,活化能??;高價正離子,價鍵強,所以活化能大,故遷移率較低。
       除了離子的狀態以外,晶體的結構狀態對離子
活化能也有影響。顯然,結構緊密的離子晶體,由于可供移動的間隙小,則間隙離子遷移困難,即活化能高,因而可獲得較低的電導率。
離子晶體要具有離子電導的特性,必須具備以下條件:
1)電子載流子的濃度??;
2)離子晶格缺陷濃度大并參與電導。因此離子型晶格缺陷的生成及其濃度大小是決定離子電導的關鍵。
影響晶格缺陷生成和濃度的主要原因是:
1)由于熱激勵生成晶格缺陷。
2)不等價固溶摻雜形成晶格缺陷
3)離子晶體中正負離子計量比隨氣氛的變化發生偏離,形成非計量比化合物,因而產生晶格缺陷。
有效質量已將晶格場對電子的作用包括在內了,使得外力(電場力)與電子加數度之間的關系可以簡單地表示為                  的形式,這樣就避免對晶格場的復雜作用的討論。
 晶格場中電子遷移率為
二.載流子濃度
        晶體中并非所有電子,并非所有的價電子都參與導電。只有導帶中的電子或價帶頂部的空穴才能參與導電。
        導體中導帶和價帶之間沒有禁區,電子進入導帶不需要能量,因而導電電子的濃度很大。絕緣體中價帶和導帶隔著一個寬的禁帶     ,電子由價帶到導帶需外界供給能量,使電子激發,使電子由價帶到導帶的躍遷,因而通常導帶中導電電子濃度很小。
1.本征半導體中的載流子濃度
       半導體價帶與導帶間,如果存在外界作用,則價帶中的電子獲得能量,可能躍遷到導帶中,這樣導帶中出現了導電電子。而在價帶中出現了這個電子留下的空位,叫空穴??昭ㄋ車緋》較蛟碩?,這種導電為空穴導電,屬于電子導電的一種。
        雜質半導體分為n型半導體和p型半導體。“多余”電子的雜質能級稱為施主能級。這類摻入施主雜質的半導體稱為n型半導體,載流子主要為導帶中的電子。摻入受主雜質的半導體稱為p型半導體或空穴型半導體。載流子為空穴。
第一項與雜質濃度無關。第二項與施主雜質濃度    有關,因為             ,故在低溫時,上式第二項起主要作用;高溫時雜質能級上的有關電子已全部離解激發,溫度繼續升高時,電導率增加是屬于本征電導性(即第一項起主要作用)。本征半導體或高溫時的雜質半導體的電導率與溫度的關系可簡寫為:
導電性
導電性
電阻與材料性能和尺寸的關系
電阻率
電導率
電阻溫度系數
導體(純金屬10-8~10-7Ω·m, 合金10-7~10-5Ω·m )
半導體(10-3~109Ω·m)
絕緣體(>109Ω·m)
工程上:相對電導率 (IACS%)
將國際標準軟純銅(在室溫20℃下電阻率ρ=0.01724Ω·m)的電導率作為100%,其他導體材料的電導率與之相比的百分數即為該導體材料的相對電導率。
Fe:IACS% 17%
Al:   IACS% 65%
導體、半導體、絕緣體
      不同材料具有不同的導電性,根據材料導電性的好壞,即按ρ值的大小把材料進行分類。
                              的為導體材料,其中純金屬的ρ值為10-8~10-7,合金的ρ值為10-7~10-5;
ρ值為10-3~109的為半導體材料;
的為絕緣體材料。
超導體:10-27 Ω·m
元素周期表
雖然物質都是由基本粒子構成的,但導電性的差異卻非常顯著。
究竟是什么原因造成材料導電性的如此明顯的差別呢?
與物質的能帶結構及其被電子填充的性質有關
金屬導電理論
1.經典自由電子理論(量子理論發展前)
霍耳效應
當金屬導體處于與電流方向相垂直的磁場內時,則
在??繆返牧矯娌桓鲇氳緦骱痛懦《即怪鋇?br /> 電場,此現象稱為霍耳效應。
表征霍耳場的物理參數:霍耳系數
又因
可得
由式可見,霍爾系數只與金屬中的自由電子密度有
關?;舳вχっ髁私鶚糝寫嬖謐雜傻繾?,理論計
算與實驗測定結果對典型金屬相一致。
電導率:
經典自由電子理論
經典電子論的局限性
經典電子論模型成功地說明了歐姆定律,導電與導
熱的關系。但在說明以下問題遇到困難:
實際測量的電子自由程比經典理論估計值大許多;
電子比熱容測量值只是經典理論值的百分之一;
霍爾系數按經典自由電子理論只能為負,但在某些金屬中發現有正值;
無法解釋半導體,絕緣體導電性與金屬的巨大差異。
這些都表明經典電子論的不完善,其主要原因在于
它機械地搬用經典力學去處理微觀質點的運動,因
而不能正確反映微觀質點的運動規律。
經典自由電子理論
2.量子自由電子理論
量子理論的一些法則
量子自由電子理論
電子具有波、粒兩相性,運動著的電子作為物質波,在一價金屬中,自由電子的動能E等mv2/2.
量子自由電子理論
量子自由電子理論
量子自由電子理論
3. 能帶理論
能帶理論
由于周期勢場的存在,自由電子的能級發生分裂,出現允帶和禁帶。
能帶理論
能帶理論
能帶理論
能帶理論
晶體的能帶
晶體的能帶中,物質的導電性反映為:
(價帶:valence band; 導帶:conduction band; 禁帶:band gap)
它的價帶是否被填滿
是否存在禁帶
禁帶寬度的大小
導體與非導體的區別
金屬導體的能帶分布
一是價帶和導帶重疊,而無禁帶;
二是價帶未被價電子填滿,所以這種價帶本身就是導帶。這兩種情況下的價電子就是自由電子,所以金屬導體即使在溫度較低的情況下仍有大量的自由電子,具有很強的導電能力。
非導體(包括半導體和絕緣體)在絕對零度時,其能帶情況是滿價帶和空
   導帶且有禁帶,故基本無
   導電能力。
半導體和絕緣體的區別
半導體和絕緣體的能帶圖的區別僅是禁帶寬度的大小。(絕緣體:3ev~6ev, 半導體: 0.1 ev~2ev)
禁帶寬度的大小就影響到自由電子數量的多少,禁帶寬度小,自由電子多,反之就少。
電阻率
當電子波通過理想晶體點陣(0K)時,不受散射;只有
晶體在點陣完整性遭到破壞的地方,電子波受到散
射,這就是金屬產生電阻的根本原因。
若金屬中含有少量雜質,雜質原子使金屬正常的結
構發生畸變,對電子波引起額外散射。此時散射系數
此時,總電阻包括金屬的基本電阻和溶質濃度引起的電阻。電
阻率遵循馬西森定律:
當處于高溫時,金屬電阻主要由ρ(T)主導;在低溫時,ρ´是
主要的。
在極低溫度下(4.2K)測得的金屬電阻率稱為金屬剩余電阻
率,可作為衡量金屬純度的重要指標。
金屬的導電性
金屬的導電機制與馬基申定則
 當電子波在絕對零度下通過一個理想的晶體點陣時,它將不會受到散射而無阻礙地傳播,這時ρ=0,而σ為無窮大,即此時的材料是一個理想的導體。
只有在晶體點陣的完整性以及由于晶體點陣離子的熱振動,晶體中的異類原子、位錯和點缺陷等使晶體點陣的周期性遭到破壞的地方,電子波才會受到散射,從而產生了阻礙作用,降低了導電性,這就是材料產生電阻的本質所在。
散射系數μ和電阻率ρ成正比。對于金屬而言,溫度升高離子熱振動的振幅愈大,電子就愈易受到散射,故可認為μ與溫度成正比,則ρ也就與溫度成正比,這就是金屬的電阻隨溫度升高而增大的原因。
實際的晶體不但有雜質,而且還存在缺陷。傳導電子的散射發生在電子-聲子、電子-雜質原子以及與其他晶體點陣靜態缺陷相碰撞的時候。理想金屬的電阻對應著兩種散射機制(聲子散射和電子散射),可以看成為基本電阻。這個電阻在絕對零度時降為零。第三種機制(電子在雜質和缺陷上的散射)在有缺陷的晶體中,是絕對零度下金屬的殘余電阻。這個電阻反映了金屬的純度和完整性。
三種散射機制
聲子散射
電子散射
電子在雜質和缺陷上的散射
馬基申定律
低濃度下固溶體電阻
溶劑電阻(晶格熱振動,電子散射),與溫度有關,絕對零度時為零。
殘余電阻(合金原子,空位、間隙原子及位錯等),與溫度無關。
馬基申定律(馬希森定則)Matthiessen's rule
固溶體電阻率看成由金屬基本電阻率ρ(T)和殘余電阻率ρ殘組成。不同散射機制對電阻率的貢獻可以加法求和。這一導電規律稱為馬基申定律,即
(化學缺陷:偶然存在的雜質原子及人工加入的合金元素的原子;物理缺陷:指空位、間隙原子、位錯以及它們的復合體。)
馬基申定律成立的前提:忽略了電子各種散射機制間的交互作用
高溫時金屬的電阻率基本上取決于ρ(T),而在低溫時取決于ρ殘。
ρ殘的大小就可以用來評定金屬的電學純度。常常采用相對電阻率ρ(300K)/ρ(4.2K)的大小來評定金屬的電學純度。(晶體越純、越完善,相對電阻率越大)
金屬的導電理論
經典電子理論
金屬晶體為正離子+電子氣
外加電場時,自由電子定向遷移,形成電流。自由電子與正離子機械碰撞產生電阻
影響金屬導電性的因素
溫度
受力情況
冷加工
晶體缺陷
熱處理
幾何尺寸效應
 電阻率的各向異性
溫度對金屬電阻的影響
      加熱時發生點陣熱振動和振幅的變化,出現相變、回復、空位退火、再結晶以及合金相成分和組織的變化,這些現象往往對電阻的變化顯示出重要的影響。
      另一方面,測量電阻與溫度的關系可以顯示電子散射的不同機制,同樣也顯示超導現象和引起鐵磁性反常的特殊性能。
金屬的電阻隨溫度變化的一般規律:
絕對零度下,純凈又無缺陷的金屬,其電阻率等于零。
隨溫度的升高金屬的電阻率也增加。
理想晶體的電阻率是溫度的單值函數。若晶體中存在雜質和結構缺陷,電阻與溫度的關系曲線將發生變化(注意三條曲線絕對0度時的電阻率)
低溫下“電子-電子”散射對電阻的貢獻可能是顯著的,但除低溫以外幾乎所有溫度下大多數金屬的電阻都取決于“電子-聲子”散射。點陣的熱振動在不同溫區存在差異。在各自的溫區有各自的電阻變化規律(在T>θD和T<θD是不同的)。
過渡族金屬和多晶型轉變
過渡族金屬的電阻可認為是由一系列具有不同溫度關系的成分疊加而成。
過渡族金屬ρ(T)的反常往往是由兩類載體的不同電阻與溫度關系所決定的(空穴導電和電子導電)。
多晶型金屬不同的結構變體導致了對于同一金屬存在不同的物理性能,其中包括電阻與溫度的關系。不同結構變體的電阻溫度系數變化顯著,在ρ(T)曲線上多晶型轉變可以顯示出來。(無論在低溫變體區還是在高溫變體區,隨著溫度的提高,多晶型金屬的電阻都要增加)
鐵磁金屬的電阻-溫度關系反常
對于鐵磁性金屬及其合金,電阻和溫度的線性關系已不適用。
在居里點附近電阻(或電阻率)對溫度的一階導數經過極大值的現象被用來獲得電阻溫度系數很高的合金(α>200×103℃-1)。
這種鐵磁金屬的電阻-溫度關系反常是與自發磁化有關的。
受力情況對金屬電阻的影響
(1)拉力的影響
 在彈性范圍內單向拉伸或扭轉應力能提高金屬的ρ,并有:
(2)壓力的影響
 對大多數金屬而言,在受壓力情況下電阻率降低,有:
壓力影響金屬材料電阻的原因:
金屬在壓力的作用下,其原子間距縮小,內部缺陷的形態、電子結構、費米面和能帶結構以及電子散射機制等都將發生變化,這必然會影響金屬的導電性能。 (尤其是過渡金屬)
電阻壓力系數:隨溫度的變化電阻壓力系數幾乎不變(即電阻壓力系數與溫度無關)。
根據壓力對電阻的影響,可把金屬分為兩類:一類是正常金屬元素,其電阻率隨壓力增大而下降(負電阻壓力系數);另一類為反常金屬元素,它們是堿金屬、堿土金屬、稀土金屬和第Ⅴ族的半金屬,它們有正的電阻壓力系數,但隨壓力升高一定值后系數變號(這種反常現象和壓力作用下相變有關)
冷加工對金屬電阻的影響
冷加工 cold processing of metal
 在金屬工藝學中,與熱加工相對應,冷加工則指在低于再結晶溫度下使金屬產生塑性變形的加工工藝,如冷軋、冷拔、冷鍛、沖壓、冷擠壓等。
冷加工變形可以使金屬的電阻率增加(一般規律),但有例外。
金屬經范性形變電阻率增大的原因
 由于冷加工使晶體點陣發生畸變和缺陷,從而增加了電子散射的幾率。同時冷加工也會引起金屬原子間結合鍵的變化,導致原子間距的改變,對電阻有一定的影響。
若以ρT表示加工前的電阻率,   ρ’ 表示加工對電阻率的影響部分,則加工后金屬總的電阻率是:
晶體缺陷對電阻的影響
缺陷(defect)
 化學缺陷:偶然存在的雜質原子及人工加入的合金元素的原子。
 物理缺陷:指空位、間隙原子、位錯以及它們的復合體。
空位(vacancy)、位錯(dislocation)、間隙原子(interstitial atom)以及它們的組合(即物理缺陷)等晶體缺陷會使金屬電阻率增加。
不同類型的晶體缺陷對金屬電阻的影響程度不同。
通常,分別用1%原子空位濃度或1%原子間隙原子、單位體積中位錯線的單位長度、單位體積中晶界的單位面積所引起的電阻率變化來表征點缺陷、線缺陷、面缺陷對金屬電阻的影響。
熱處理(heat treatment)對金屬電阻的影響
金屬冷加工形變后,若再進行退火,則可使電阻降低,尤其當退火溫度接近再結晶溫度時(再結晶退火),電阻可恢復到接近冷加工前的水平。
淬火能夠固定金屬在高溫時空位的濃度,從而產生殘余電阻。淬火溫度愈高,則殘余電阻率就越大。
退火是將工件加熱到適當溫度,根據材料和工件尺寸采用不同的保溫時間,然后進行緩慢冷卻,目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態,獲得良好的工藝性能和使用性能,或者為進一步淬火作組織準備。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻,正火的效果同退火相似,只是得到的組織更細,常用于改善材料的切削性能,也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。
補充
淬火是將工件加熱保溫后,在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質中快速冷卻。淬火后鋼件變硬,但同時變脆。為了降低鋼件的脆性,將淬火后的鋼件在高于室溫而低于710℃的某一適當溫度進行長時間的保溫,再進行冷卻,這種工藝稱為回火。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”,其中的淬火與回火關系密切,常常配合使用,缺一不可。
幾何尺寸對電阻的影響
導電性同試樣的幾何尺寸有關。從金屬的導電機制可知,當導電電子的自由程同試樣尺寸是同一數量級時,這種“尺寸效應(size effect)”就顯得十分突出(納米材料的尺寸效應,量子隧道效應)。這一現象對研究和測試金屬薄膜和細絲材料的電阻非常重要。
電阻率的各向異性
立方晶系金屬   各項同性
其它:四方晶系、六方晶系、斜方晶系等  各向異性
固溶體的分類 按溶質原子在晶格中的位置不同可分為置換固溶體和間隙固溶體。 1、置換固溶體    溶質原子占據溶劑晶格中的結點位置而形成的固溶體稱置換固溶體。當溶劑和溶質原子直徑相差不大,一般在15%以內時,易于形成置換固溶體。
2、間隙固溶體   
        溶質原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱間隙固溶體。間隙固溶體的溶劑是直徑較大的過渡族金屬,而溶質是直徑很小的碳、氫等非金屬元素。其形成條件是溶質原子與溶劑原子直徑之比必須小于0.59。
另外,按溶質元素在固溶體中的溶解度,可分為有限固溶體和無限固溶體。但只有置換固溶體有可能成為無限固溶體。
合金(alloy)的導電性
固溶體(solid solution)的導電性
1. 固溶體的電阻與組元濃度的關系
       在形成固溶體時,與純組元相比,合金的導電性能降低了(即電阻增大),即使是在低導電性的金屬溶劑中加入高導電性的金屬溶質也是如此。
規律:電阻隨成分連續變化而無突變,故在連續固溶體的情況下,當組元A溶入組元B時,電阻由B組元的電阻值增大至極大值后再逐漸減小到A組元的電阻值。
原因:純組元間原子半徑差所引起的晶體點陣畸變,增加了電子的散射,故固溶體的電阻總是要大于各組元純金屬的電阻,且原子半徑差越大,固溶體的電阻也越大。
但是晶體點陣畸變不是固溶體電阻增大的唯一原因,這種合金化對電阻的影響還有如下幾方面:
 一是雜質對理想晶體的局部破壞;
二是合金化對能帶結構起了作用,移動費米面并改變了電子能態的密度和有效導電電子數;
三是合金化也影響彈性常數,因此點陣振動的聲子譜要改變。
規律:在連續固溶體中,合金成分距組元越遠,電阻率越高。因此,在二元合金中最大電阻率通常在50%濃度處,而且比組元電阻高幾倍。
例外:鐵磁性和強順磁性金屬組成的固溶體,其電阻的極大值一般不在50%濃度處,而在較高的濃度處。此外,貴金屬(Cu、Ag、Au)與過渡族金屬組成固溶體時,不僅極大值出現在較高濃度處,而且電阻也異常的高。
2.固溶體電阻與溫度的關系
 根據馬基申定律(適于固溶體),低濃度固溶體的電阻率為:
·
3.有序固溶體(超結構)的電阻
        Cu3Au和CuAu合金在退火時晶體點陣中的原子進行有序排列(稱為合金固溶體有序化)
        當固溶體有序化后,其合金組元的化學作用加強,因此,其電子結合比無序態時更強,這就使導電電子數減少而殘余電阻增大。然而晶體的離子勢場在有序化后則更為對稱,這就使電子的散射幾率大大降低,因而有序合金的殘余電阻減小。通常在上述兩種相反作用的因素中,第二個因素占主導作用,故合金有序化時電阻總是降低。
4. 不均勻固溶體(K狀態)的電阻
        正常:冷加工可使固溶體電阻升高,而退火則降低(與純金屬一樣)。
反常:但對某些成分含有過渡族金屬的合金,盡管金相分析和X射線分析的結果認為其組織仍是單相的,但在回火中發現合金電阻有反常升高,而在冷加工時發現合金的電阻有明顯降低,這種合金組織出現的反常狀態稱為K狀態。
這種固溶體中原子間距的大小顯著地波動著,其波動正是組元原子在晶體中不均勻分布的結果,所以也把K狀態稱為“不均勻固溶體”,在這些固溶體中有著特殊的相變及特殊的結構狀態存在著。
金屬化合物的導電性
        當兩種金屬的原子形成化合物時,其合金的性能尤其是導電性的變化最為激烈,其電阻率要比各組元的電阻率高很多
原因:原子鍵合的方式發生了質的變化,其中至少一部分由原金屬鍵變為共價鍵或離子鍵,使導電電子數減少。此外晶體結構變化也有一定的作用。
金屬間形成的化合物的電阻與組元間的電離勢之差有關。
    當組成化合物時,若兩組元給出價電子的能力相同,則所形成的化合物的電阻就低,因而具有金屬的性質。
    若兩組元的電離勢相差較大,即一組元給出的電子被另一組元吸收,則化合物的電阻就大,接近半導體的性質。
電離勢
        元素呈氣態時,從它的一個原子或陽離子中將一個電子移至無窮遠處時所需做的功,稱為該元素的電離勢,單位為電子伏特(ev)。
        當原子失去第一個電子成為一價陽離子時,所需的能量為元素的第一電離勢;當一價陽離子再失去一個電子成為二價陽離子時所需的能量為第二電離勢,其余類推。第二電離勢高于第一電離勢,第三電離勢又高于第二電離勢,如此等等。通常所稱的電離勢一般都是指第一電離勢。
        電離勢愈小,表示愈易失去電子。金屬元素的電離勢比非金屬元素電離勢小。
化合物在許多金屬系統中往往是在原始組元的一定濃度區形成,其晶體結構不同于組元及其固溶體的結構。
中間相:分為道爾頓體、
   別爾多利體。
兩者區別:道爾頓體存在奇異點,別爾多利體沒有奇異點,兩者的結構不同,在道爾頓體中兩組元的原子排列到達了最大的遠程有序,而在別爾多利體中則無這種最大有序的點,其晶體內原子的有序排列僅是局部的。
顯然,奇異點的存在與否表示金屬相能否形成有序結構。
金屬化合物的電學性能可以在很寬的范圍內變化,從低溫下的超導電性到常溫的半導體,存在部分共價鍵和離子鍵的金屬化合物具有高電阻率。與離子型和共價型化合物不同,金屬化合物是以異類原子間的金屬鍵占優勢為特征,因而具有光澤、導電性和正電阻溫度系數等金屬性能。
多相合金的導電性
 多相合金:由兩個以上的相組成的合金。
  單相合金?
多相合金的導電性由組成相的導電性來決定。
導電性具有組織敏感性。
多相合金的電阻的影響因素:
 單相區中晶粒的大小
 點陣的畸變
 晶粒內部異類原子的偏聚
 組成相的界面
 第二相的形狀、大小及分布狀況。例子
 若晶體不屬于立方晶系,則試樣的織構對合金電阻也有一定影響。
尤其當一種相(如夾雜物)的晶粒大小或GP區(原子偏聚區)與電子波長屬同一數量級時,由于電子在這些夾雜物上要發生附加散射,故這種彌散度的影響就很大。發生最大散射并由此而引起電阻最大升高的情況是與夾雜物的大小相對應的。
織構
織構定義     單晶體在不同的晶體學方向上,其力學、電磁、光學、耐腐蝕、磁學甚至核物理等方面的性能會表現出顯著差異,這種現象稱為各向異性。       
   多晶體是許多單晶體的集合,如果晶粒數目大且各晶粒的排列是完全無規則的統計均勻分布,即在不同方向上取向幾率相同,則這多晶集合體在不同方向上就會宏觀地表現出各種性能相同的現象,這叫各向同性。
然而多晶體在其形成過程中,由于受到外界的力、熱、電、磁等各種不同條件的影響,或在形成后受到不同的加工工藝的影響,多晶集合體中的各晶粒就會沿著某些方向排列,呈現出或多或少的統計不均勻分布,即出現在某些方向上聚集排列,因而在這些方向上取向幾率增大的現象,這種現象叫做擇優取向。
    這種組織結構及規則聚集排列狀態類似于天然纖維或織物的結構和紋理,故稱之為織構。
若晶體不屬于立方晶系,則試樣的織構對合金電阻也有一定的影響。但若合金晶粒為彌散度不大的退火等軸晶且不存在織構現象,則上述影響可忽略。此時多相合金的電阻就可以看做為各相電阻的算術和。這只是在各組成相的導電性相近時才可能。
  這種情況下,電導率與組元的體積濃度呈線性關系,其表達式為:
任意多相合金電阻率的值總是處于組元電阻率之間。
若已知每各相的體積含量、形狀及晶體的相互分布,則按組成合金各個相的電導率計算合金電導率在原則上是可能的。
局限:但細小的夾雜物以及沿晶界的點陣畸變所引起的電子附加散射未能計入。
導電性的測量
        材料的導電性的測量實際上就是對試樣電阻的測量,因為根據試樣的電阻值和它的幾何尺寸就可以由
算出電阻率。跟蹤測量試樣在變溫或變壓裝置中的電阻,就可以建立電阻與溫度或電阻與壓力的關系,從而得到電阻溫度系數或電阻壓力系數。
電阻的測量方法很多,一般都是根據測量的需要和具體的測試條件來選擇不同的測試方法。
        通常都是按測量的范圍或測量的準確度要求來分類:
        一般對106Ω以上較大的電阻(俗稱高阻),如材料的絕緣電阻的測量,要求不嚴格的測量(粗測)時,可選用兆歐表(俗稱搖表);要求精測時,可選用沖擊檢流計測量。
對102~106Ω的中值電阻粗測時,可選用萬用表Ω檔、數字式歐姆表或伏安法測量,精測時可選用單電橋測量。
對10-6~102Ω的電阻的測量,如金屬及其合金電阻的測量,必須采用較準確的測量,可選用雙電橋法或直流電位差計法測量。
對半導體材料電阻的測量一般用直流四探針法。(重點介紹)
半導體電阻的測量:
        半導體材料的電阻常用四探針法來測量。這種方法測量時使用相距約1mm的四根金屬探針同時與樣品表面接觸,通過恒流源給其中兩根探針通以小電流使樣品內部產生壓降,并以高輸入阻抗的直流電位差計或數字電壓表來測量其他的兩根探針的電壓,然后計算材料的電阻率
1,4為電流探針,2,3為電壓探針
測量原理:
        設有一均勻的半導體試樣,其尺寸與探針間距相比可視為無限大,探針引入點電流源的電流強度為I。因均勻導體內恒定電場的等位面為球面,故在半徑為r處等位面的面積為2πr2,則電流密度為j=I/2πr2。電場強度E=j/σ=jρ=Iρ/2πr2,因此,距點電荷r處的電位為V=Iρ/2πr。
半導體內各點的電位應為電流探針分別在該點形成電位的矢量和。
        四探針法測量電阻率的普遍公式為:
若四探針處于同一平面的同一直線上,其間距分別為S1、S2、S3,則上式又可寫成:
當S1=S2=S3=S時,又可簡化為:
這就是常用的直流等間距四探針法測電阻率的公式。
若令I=C=2πS,即流過探針1,4的電流數值上等于探針系數,則
即從探針2,3上測得的電壓在數值上就等于試樣的電阻率。
為減小測量區域以觀察電阻率的不均勻性,四探針不一定都排成一直線,也可排成正方形或矩形,但采用這些排法與直線四探針法并無原則差別,只需改變公式中的系數。如正方形四探針法:
問題:正方形四探針法公式如何推導出來的?
四探針法的優點:
        探針與半導體樣品之間不要求制備合金結電極,這給測量帶來了方便,且可測量樣品沿徑向分布的斷面電阻率,從而可以觀察電阻率的不均勻情況??裳桿?、方便、無破壞地測量任意形狀的樣品,且精度較高。
        局限:測量精度略遜于二探針法,受到針距的限制,很難發現<0.5 mm 兩點電阻的變化。
四探針測試儀:
        常用來測試薄膜的方塊電阻(方阻)。方阻指一個正方形的薄膜導電材料邊到邊“之”間的電阻,方塊電阻有一個特性,即任意大小的正方形邊到邊的電阻都是一樣的,不管邊長是1米還是0.1米,它們的方阻都是一樣,這樣方阻僅與導電膜的厚度等因素有關。
電阻分析的應用
 優點:用電阻分析法來研究材料的成分、結構和組織變化的靈敏度很高,它能極敏感地反映出材料內部的微弱變化。
 不足:由于影響電阻的因素較多,測量結果不易分析。
 電阻分析法可研究的問題:
    研究與脫溶回溶有關的問題,
    測定固溶體的溶解度曲線,
    研究合金的時效過程,
    研究合金的不均勻固溶體的形成,有序-無序轉變,    以及研究擴散和馬氏體轉變等。
研究合金的時效
 研究合金時效的基?。漢轄鸕氖斃Вǔな奔淶牡臀祿鼗穡┩樗孀磐訝?降溫時從一個單相過飽和固溶體轉變為兩相混合物的分解過程)過程,從而使電阻發生顯著的變化,所以電阻分析法是研究合金時效的最有效方法之一。
 例子:鋁銅合金
 低溫時效、高溫時效下電阻的變化。(二度晶核或稱G-P區的基本概念:極細小的彌散小區域)
 合金時效的回歸現象:低溫下產生的晶核是不穩定的,當再加熱到高溫時,這些不穩定的晶核又溶回到固溶體中,重新變為均勻的固溶體,這即為回歸現象。
固溶熱處理(solution heat treatment) 將合金加熱到適當溫度,保持足夠長的時間,使一種或幾種相(一般為金屬間化合物)溶入固溶體中,然后快速冷卻到室溫的金屬熱處理操作,簡稱固溶處理。經過固溶熱處理的合金,其組織可以是過飽和固溶體或通常只存在于高溫的一種固溶體相,因此在熱力學上處于亞穩態,在適當的溫度或應力條件下會發生脫溶或其他轉變。
 時效處理可分為自然時效和人工時效兩種。自然時效是將鑄件置于露天場地半年以上,便其緩緩地發生形變,從而使殘余應力消除或減少,人工時效是將鑄件加熱到550~650℃進行去應力退火,它比自然時效節省時間,殘余應力去除較為徹底。
研究合金的有序-無序轉變
 合金在加熱過程中存在著有序-無序轉變時,它的電阻便會發生明顯的變化。
合金處于無序狀態電阻較高,處于有序狀態電阻較低。因此可以通過測量電阻的變化研究合金有序-無序狀態的變化。
測量固溶體的溶解度
建立狀態圖往往需要確定溶解度曲線,而溶解度的確定測量電阻則是一種很有效的方法。
研究淬火鋼的回火
淬火鋼再回火時,馬氏體和奧氏體分解為多相混合組織。(回火過程中不同溫度下分解過程是有區別的,因此電阻率的變化也是不同的,因此可以通過電阻率的變化來判斷回火的不同階段)
回火
tempering;temper    又稱配火。金屬熱處理工藝的一種。將經過淬火的工件重新加熱到低于下臨界溫度的適當溫度,保溫一段時間后在空氣或水、油等介質中冷卻的金屬熱處理?;蚪慊鷙蟮暮轄鴯ぜ尤鵲絞實蔽露?,保溫若干時間,然后緩慢或快速冷卻。
   一般用以減低或消除淬火鋼件中的內應力,或降低其硬度和強度,以提高其延性或韌性。根據不同的要求可采用低溫回火、中溫回火或高溫回火。通常隨著回火溫度的升高,硬度和強度降低,延性或韌性逐漸增高。
鋼鐵工件在淬火后具有以下特點:①得到了馬氏體、貝氏體、殘余奧氏體等不平衡(即不穩定)組織。②存在較大內應力。③力學性能不能滿足要求。因此,鋼鐵工件淬火后一般都要經過回火。 回火的作用在于:
①提高組織穩定性,使工件在使用過程中不再發生組織轉變,從而使工件幾何尺寸和性能保持穩定。
②消除內應力,以便改善工件的使用性能并穩定工件幾何尺寸。
③調整鋼鐵的力學性能以滿足使用要求。
回火之所以具有這些作用,是因為溫度升高時,原子活動能力增強,鋼鐵中的鐵、碳和其他合金元素的原子可以較快地進行擴散,實現原子的重新排列組合,從而使不穩定的不平衡組織逐步轉變為穩定的平衡組織。內應力的消除還與溫度升高時金屬強度降低有關。一般鋼鐵回火時,硬度和強度下降,塑性提高?;鼗鷂露仍礁?,這些力學性能的變化越大。有些合金元素含量較高的合金鋼,在某一溫度范圍回火時,會析出一些顆粒細小的金屬化合物,使強度和硬度上升。這種現象稱為二次硬化。
研究材料的疲勞過程
        通過對材料電阻的測量可以反映出材料的應力疲勞,這是因材料的應力疲勞是內部位錯的增殖、裂紋的擴展等缺陷的發展過程。
測試過程:可將開好缺口的試樣置于可使試樣通過穩恒電流的實驗機上,并施以周期性載荷。在試樣的缺口兩邊選好探測點以進行電位的測量,所測得的電位變化應代表缺口區域電阻的變化,而此變化將顯示著材料疲勞過程中的電阻變化曲線。
    施加應力疲勞過程中電阻的變化有4個階段:1、2階段電阻變化不大;3階段電阻值緩慢增大;4階段電阻增大明顯。
    探測點間電位變化和裂紋長度存在函數關系,因此可利用電阻的變化來檢測裂紋的緩慢生長。
研究非晶態合金的晶化
非晶態合金是原子無序排列的亞穩態合金,加熱時發生結構變化。當加熱溫度高于非晶態合金的晶化溫度時,非晶態合金將發生晶化,由原子無序的非晶狀態轉為原子有序的晶化狀態,在轉變中電阻率發生變化。
研究鋼筋混凝土的銹蝕
        混凝土中鋼筋的銹蝕是由一種電化學作用引起的,該作用會產生電流而使鋼筋受到腐蝕,因而可以通過測試混凝土的電阻來推斷鋼筋是否被銹蝕。
一般而言,混凝土的電阻率下降則鋼筋銹蝕的可能性就變大。
三、無機非金屬材料的導電機理
(一)離子型晶體的導電機理
第一類離子電導源于晶體點陣中基本離子的運動,稱為離
子固有電導或本征電導。本征電導在高溫下為導電主要表現。
這種離子隨著熱振動的加劇而離開晶格陣點,形成熱缺陷。
這種熱缺陷無論是離子或者空位均帶電,可作為載流子,參
加導電。
第二類離子電導是結合力比較弱的離子運動造成的,這些
離子主要是雜質離子,因而稱為雜質電導。
在低溫下,離子晶體的電導主要由雜質載流子濃度決定。
由雜質引起的電導率可以用下式表示,即
當材料中存在多種載流子時,材料的總電導率是各種電導率
的總和,可表示為:
離子導電是離子在電場作用下的擴散現象。其擴散路徑暢
通,離子擴散系數就高,導電率也就高??捎媚芩雇眩?br /> 斯坦方程表征該現象:
其中,D為擴散系數;n為載流子單位體積濃度;q為離子電
荷電量。根據σ=nqμ可得
μ為離子遷移率;B為離子絕對遷移率,B=μ/q
(二)玻璃的導電機理
第二節 半導體的電學性能
半導體(semiconductor)的電學性能
半導體特點:
         電阻率(ρ在10-3~109Ωm)
         禁帶寬度Eg在0.2~3.5eV,
         其電學性能總是介于金屬導體(conductor)(ρ<10-5Ωm, Eg=0)與絕緣體(insulator)(ρ>109Ωm, Eg>3.5eV)之間。
          具有負電阻溫度系數。(金屬的電阻溫度系數?)
半導體材料分類:
 分為晶體半導體、非晶半導體及有機半導體。
晶體半導體:又分為元素(單質)半導體、化合物半導體、固溶體半導體;
非晶半導體:主要有非晶硅、多孔硅及硫屬玻璃半導體;
有機半導體:主要是一些高聚物半導體。
晶體半導體
                                      單質半導體
 Ge
 Si
 Se
 Te
        應用最廣泛的主要是硅和鍺(因為它們易于實現高純度);
化合物半導體
  IIIA-VA族元素組成:GaAs, GaP, AlAs, InP
  IIB-VIA族組成: CdS, CdTe, CdSe
  IVA-IVA族元素組成: SiC
  IVA-VIA族組成: GeS, GeSe
  VA-VA族組成: AsSe3, AsTe3
 多元化合物半導體
化合物半導體具有廣闊的應用前景,因其原子間的共價結合,故各項性能參數比起單質半導體有更大的選擇余地。尤其ⅢA-ⅤA族化合物半導體,它們多屬閃鋅礦(ZnS)結構,即有類似金剛石的共價結構。它們在一般用途上可代替硅和鍺,在某些特殊用途上更具有優越性。
固溶體半導體
        鍺硅固溶體半導體的禁帶寬度隨組分而變,可以調整合金的禁帶寬度、點陣常數、介電常數和雜質電離能,設計特殊要求的探測器。
半導體的應用
半導體中電子的能量狀態-能帶
      價電子共有化運動:在半導體晶體中,由于原子之間的距離很小,使得每一個原子中的價電子除受本身原子核及內層電子的作用外,還受到其他原子的作用。在本身原子和相鄰原子的共同作用下,價電子不再是屬于各個原子,而成為晶體中原子所共有。
正是這種價電子的共有化,使得單個原子的價電子能級分裂成一系列相互之間能量差極微的能級,即形成了能帶。
半導體中電子的能量狀態-能帶
        硅中禁帶、滿帶、導帶形成的過程:單個硅原子(1s2 2s2p6 3s2p2 ) 3s能級上有兩個價電子,3p能級上也有兩個價電子,因為3p能級最多可容納六個價電子,所以還有四個空位。在共價晶體中,原子間的共價鍵結合的比較緊密,原子間距減小,價電子的共有化運動使得3s和3p能級分裂成滿帶和空帶。
半導體中電子的能量狀態-能帶
        若一塊純凈無缺陷的硅單晶中有N個原子,在絕對零度、無外界影響的條件下,4N個價電子把價帶(valance band) 中的所有能級全部填滿,則稱滿帶 (filled band);
         而導帶中具有的可容納4N個價電子的能級中,卻是一個價電子也沒有,故稱為空帶 (empty band)。
        在滿帶和空帶之間不存在能級,這一能量區間稱為禁帶 (band gap)。帶隙
         滿帶頂的電子能量用EV (v: valance)表示,空帶底的電子能量用EC ( C: conduction) 表示,禁帶寬度用Eg (g: gap)表示。
一.本征半導體
在絕對零度和無外界影響的條件
下,半導體的空帶中無運動的 電
子。但當溫度升高或受光照射時,
也就是半導體受到熱激發時,共價
鍵中的價電子由于從外界獲得了能
量,其中部分獲得了足夠大能量的
價電子就可以掙脫束縛,離開原子
而成為自由電子。
半導體硅
本征半導體 (intrinsic semiconductor)的電學性能
在絕對零度和無外界影響的條件下,半導體的空帶中無電子,即無運動的電子。
當溫度升高或受光照射時,也就是半導體受到熱激發(本征激發最常見的一種)時,共價鍵中的價電子由于從外界獲得了能量,其中部分獲得了足夠大能量的價電子就可以掙脫束縛,離開原子而成為自由電子。
本征半導體 (intrinsic semiconductor)的電學性能
        在能帶圖中,即一部分滿帶中的價電子獲得了大于Eg的能量,躍遷到空帶中去。這時空帶中有了一部分能導電的電子,稱為導帶。而滿帶中由于部分價電子的遷出出現了空位置,稱價帶。
(滿帶→價帶,空帶→導帶,同時產生了自由電子和空穴)
本征半導體 (intrinsic semiconductor)的電學性能
    當一個價電子離開原子后,在共價鍵上留下一個空位(即空穴),在共有化運動中,相鄰的價電子很容易填補到這個空位上,從而又出現了新的空穴,其效果等價于空穴移動了。
在無外電場作用下,自由電子和空穴的運動都是無規則的,平均位移為零,所以并不產生電流。但在外電場的作用下,電子將逆電場方向運動,空穴將順電場方向運動,從而導電成為載流子。
(一)本征載流子濃度
從本征載流子的濃度表達式:
可知,本征載流子的濃度ni=pi與溫度T和禁帶寬度Eg有關。隨著溫度T的增加,ni=pi顯著增大。Eg小的載流子濃度大,Eg大的載流子濃度小。
本征半導體 (intrinsic semiconductor)的電學性能
T=300K, Si的Eg=1.1eV,ni=1.5×1010cm-3
T=300K, Ge的Eg=0.72eV,ni=2.4×1013cm-3
在室溫條件下,本征半導體中載流子的數目是很少的,它們有一定的導電能力但很微弱。
本征半導體的遷移率和電阻率
      本征半導體受熱后,載流子不斷發生熱運動,在各個方向上的數量和速度都是均布的,故不會引起宏觀的遷移,也不會產生電流。
      但在外電場的作用下,載流子就會有定向的漂移運動,產生電流。這種漂移運動是在雜亂無章的熱運動基礎上的定向運動,所以在漂移過程中,載流子不斷地互相碰撞,使得大量載流子定向漂移運動的平均速度為一個恒定值,并與電場強度成正比。
本征半導體 (intrinsic semiconductor)的電學性能
對自由電子和空穴分別有:
μn和μp比例常數分別表示在單位場強(V/cm)下自由電子和空穴的平均漂移速度(cm/s),稱為遷移率。
自由電子的自由度大,故它的遷移率較大;而空穴的漂移實質上是價電子依次填補共價鍵上空位的結果,這種運動被約束在共價鍵范圍內,所以空穴的自由度小,遷移率也小。
自由電子遷移率比空穴的遷移率大。
在本征半導體中有電場E,空穴將沿E方向作定向漂移運動,產生空穴電流ip;自由電子將逆E方向作定向漂移運動,產生電子電流in,所以總電流應是兩者之和。
式中,jn、jp分別為自由電子和空穴的電流密度,q為電子電荷量的絕對值。
本征半導體的電阻率
      電阻率:單位電場下電流密度的倒數
本征半導體的電學特性可歸納如下:
 本征激發成對地產生自由電子和空穴,所以自由電子濃度和空穴濃度相等,都是等于本征載流子的濃度ni。
ni和Eg有近似反比關系,硅(1.11 eV)比鍺(0.67eV)的Eg大,故硅比鍺的ni小。
ni與溫度成近似正比,故溫度升高時,ni就增大。
ni與原子密度相比時極小的,所以本征半導體的導電能力很微弱。
雜質半導體的電學性能
雜質半導體,又稱非本征半導體(extrinsic semiconductor )
在本征半導體中人為地摻入五價元素或三價元素將分別獲得N (negative) 型(電子型,施主摻雜)雜質半導體和P (positive) 型(空穴型,受主摻雜)雜質半導體。
1.N型半導體
       以硅為例,在本征半導體中摻入五價元素的雜質(磷、砷、銻)就可以使晶體中的自由電子的濃度極大地增加。這是因為五價元素的原子有五個價電子,當它頂替晶格中的一個四價元素的原子時,它的四個價電子與周圍的四個硅(或鍺)原子以共價鍵結合后,還余下一個價電子。
二.雜質半導體
這個價電子能級ED( D: donor) 非??拷即?,(EC-ED)比Eg小得多。在常溫下,每個摻入的五價元素原子的多余價電子都具有大于(EC-ED)的能量,都可以進入導帶成為自由電子,因而導帶中的自由電子數比本征半導體顯著地增多。把這種五價元素稱為施主雜質(即能提供多余價電子),ED為施主能級,(EC-ED)稱為施主電離能。
雜質半導體的電學性能
多子和少子:
在N型半導體中,由于自由電子的濃度大,故自由電子稱為多數載流子(Majority carrier),簡稱多子。
        同時由于自由電子的濃度大,由本征激發產生的空穴與它們相遇的機會也增多,故空穴與自由電子復合掉的數量也增多,所以N型半導體中空穴的濃度反而比本征半導體中的空穴濃度小,故把N型半導體中的空穴稱為少數載流子(Minority carrier),簡稱少子。
雜質半導體的電學性能
        在電場作用下,N型半導體中的電流主要由多數載流子-自由電子產生,也就是說,它是以電子導電為主,故N型半導體又稱為電子型半導體,施主雜質也稱N型雜質。
N型半導體中的電流密度:
N型半導體的電阻率為:
雜質半導體的電學性能
N型硅半導體的電阻率比本征硅半導體小很多,也即是它的導電能力強很多。
2. P型半導體
       在本征半導體中,摻入三價元素的雜質,就可以使晶體中空穴濃度大大增加。因為三價元素的原子只有三個價電子,當它頂替晶格中的一個四價元素原子,并與周圍的四個硅(或鍺)原子組成四個共價鍵時,必然缺少一個價電子,形成一個空位。在價電子共有化運動中,相鄰的四價元素原子上的價電子就很容易來填補這個空位,從而產生一個空穴。
三價元素形成的允許價電子占有的能級EA (A: acceptor) 非??拷鄞?,即(EA-EV)遠小于Eg。在常溫下,處于價帶中的價電子都具有大于(EA-EV)的能量,都可以進入EA能級。所以每個三價雜質元素的原子都能接受一個價電子,而在價帶中產生一個空穴。這種三價元素稱為受主雜質,EA稱為受主能級,(EA-EV)稱為受主電離能。
N型半導體和P型半導體統稱為雜質半導體,與本征半導體相比,具有如下特征:
 摻雜濃度與原子密度相比雖很微小,但是卻能使載流子濃度極大地提高,導電能力因而也顯著地增強。摻雜濃度愈大,其導電能力也愈強。
摻雜只是使一種載流子的濃度增加,因此雜質半導體主要靠多子導電。當摻入五價元素(施主雜質)時,主要靠自由電子導電;當摻入三價元素(受主雜質)時,主要靠空穴導電。
PN結的形成及特性
         PN結 (junction)是指在同一塊半導體單晶中P型摻雜區與N型摻雜區的交界面附近的區域。
         PN結是構成種類繁多的半導體電子器件的基本單元。
        普通半導體二極管就是一個PN結,半導體三極管(或晶體管)和結型場效應晶體管則是由兩個PN結構成的。
1.  PN結制造工藝的實質是雜質補償
        施主雜質可釋放出一個自由電子,而受主雜質則需要接受一個價電子(即產生一個空穴)。從這個意義上說,兩者性質相反。當兩者處于一塊半導體中時,半導體的性質是P型還是N型將隨著兩種雜質濃度的大小而改變。
PN結的形成及特性
(1)  當施主雜質的濃度ND比受主雜質的濃度NA大時,半導體是N型的,根據能量最小原則,從施主原子釋放出來的電子將優先填補受主原子,單位體積中余下的(ND-NA)個施主原子再各自釋放出一個電子,這時N型半導體的自由電子濃度為(ND-NA)。
(2) 當施主雜質的濃度ND比受主雜質的濃度NA小時,半導體時P型的。施主原子先釋放出ND個自由電子,以填補ND個受主原子,在單位體積中,余下的(NA-ND)個受主原子再從四價元素的原子吸收(NA-ND)個價電子,從而產生(NA-ND)個空穴,這時P型半導體的空穴濃度為(NA-ND)。
PN結的形成及特性
2.PN結阻擋層的形成過程
(1)載流子的濃度差引起載流子的擴散運動
        在PN結中,P區中的空穴(多子)濃度遠大于N區中的空穴(少子)濃度,同時,N區中的自由電子(多子)濃度遠大于P區中的自由電子(少子)濃度。即在PN結的兩邊,由于存在著載流子分布的濃度差,這就必然會引起載流子的擴散運動。P區中的空穴將向N區擴散,N區中的電子將向P區擴散。
(2)擴散運動形成空間電荷區(阻擋層)
        在擴散運動進行之前,整個晶體中的任何一部分都是中性的,但隨著多數載流子擴散運動的進行,在交界面附近的P區和N區的電中性狀態被打破。由于P區中的空穴擴散到了N區,故在交界面附近的P區中就只留下了帶負電荷的受主雜質離子。同樣,由于N區中的電子擴散到了P區,在交界面附近的N區就只留下了帶正電荷的施主雜質離子。這些離子被束縛在晶格結構中,不能自由移動,于是在交界面處形成了一層很薄的空間電荷區。
(3)內電場使擴散與漂移達動態平衡
        由于在空間電荷區的N區一邊帶正電荷,P區一邊帶負電荷,于是就形成一個由N區指向P區的內電場E和內建電位差VD。這時雖然中性P區和空間電荷區之間仍存在著空穴的濃度差,P區中的空穴將繼續向右邊擴散,但空間電荷區將受到內電場的漂移作用,空穴要被掃回到P區。同理,中性N區擴散到空間電荷區的自由電子將被掃回到N區??杉?,空間電荷區產生的內電場將阻止載流子的進一步擴散,所以空間電荷區又稱為阻擋層。
在無外加電壓作用時,起初擴散運動占優勢,但隨著擴散的進行,空間電荷區逐漸增寬,內電場逐漸增大,對載流子的漂移作用加強,最后達動態平衡。平衡后在P區和N區的交界面處形成一個有一定寬度L的空間電荷區,同時也有一定值的內電場E和內建電位差VD。PN結內沒有載流子的凈流動,即無電流。
3. PN結的特性
        PN結的主要特性是其單向導電性,即當外加電壓極性不同時其表現出的導電性截然不同。
(1)外加正向電壓的情況
        由于中性P區和N區的ρ比阻擋層小得多,故外加電壓都降落在阻擋層上,由于外加正向電壓U與內建電位差VD方向相反,因而使阻擋層兩端的電位差由VD減小到(VD-U)。相應地阻擋層變窄,空間電荷量減小,以至內電場減小,使載流子的漂移作用減弱,擴散與漂移的平衡被破壞,擴散作用大于漂移作用,結果產生了從P區流向N區的正向電流。由于該電流是由多子擴散形成的,故正向電流較大,且隨U的增大而迅速增大。
正向電壓:P區加正電壓,N區加負電壓。
(2)外加反向電壓的情況
        由于外加電壓U和VD方向相同,故阻擋層兩端的電位差由VD增大為(VD+U)。阻擋層加寬,空間電荷量增多,以至內電場增強,使載流子的漂移作用加強。這將產生兩方面的后果:一方面P區的多子(空穴)被強電場掃回P區而不能擴散進入阻擋層,同樣N區多子(自由電子)也不能進入阻擋層,即多子的擴散運動完全被阻止;另一方面P區的少子(自由電子)一旦擴散到阻擋層邊界時,便被強電場掃至N區,同樣N區的少子(空穴)一旦擴散到阻擋層邊界時,也被掃至P區,這樣就形成了從N區流向P區的反向電流。由于該電流是由于少子漂移形成的,故反向電流很微弱,且幾乎不隨U的增大而變化。
PN結正、反向導電的顯著差異反映出其具有整流特性。
晶體(半導體三極)管的放大特性 (自學)
      晶體管的核心是一塊具有兩個相互聯系的PN結的單晶。兩個PN結把單晶分成三部分,其排列方式有兩種:一種是PNP,另一種是NPN。三個電極分別為發射極e、基極b和集電極c,連接各極的相應的單晶區域分別叫發射區、基區、集電區。(e-b)結為發射結,(c-b)結為集電結。
發射極:emitter
基極:base
集電極:collector
由于三極管具有兩個互相聯系的PN結,它的性能與二極管相比有了質的飛躍,即三極管有放大作用,它可以把微弱的電信號轉換成較強的電信號。三極管具有放大作用的條件是基區寬度要小于載流子的平均擴散長度(即基區要做的非常?。?,發射結正向偏置而集電結反向偏置(p上加正電壓,n上加負電壓即為正向偏置,p上加負電壓,n上加正電壓即為負向偏置)。
        正向偏壓使電子能從發射極進入基極,基極的空穴和電子存在相互再結合的趨勢,但基極薄,若結合時間稍長,則幾乎所有的電子匯穿過基極進入集電極。
第三節 絕緣體的電學性能
絕緣體是指不善于傳導電流的物質,又稱為電介
質。它們的電阻率極高。
絕緣體(Insulator)的電學性能
絕緣體的電學性能
絕緣體定義:指電阻率大于               用來限制電流使它按一定的途徑流動的材料,另外還有利用其“介電”特性建立電場以貯存電能的材料。(此定義中說明了絕緣體的主要作用,其它作用:滅弧、防火、防潮、防霧、防腐、防輻射和?;さ繼宓茸饔茫?br /> 絕緣體的性能要求:
(1)具有足夠高的耐電強度,以經受住導體間的高電場。
(2)具有足夠高的絕緣電阻,以防止跨越導體的漏泄電流。
(3)具有良好的耐電弧性,以防發生飛弧損壞。
(4)必須能在環境危害的條件下(如溫度、濕度、輻射)保持其完整性。
(5)必須具有足夠的機械強度,以抗振動和沖擊。
絕緣體主要的電性能:(電介質的四大基本常數)
(1)介電常數;   (電極化)
(2)耐電強度(耐壓強度);  (擊穿)
(3)損耗因數; (介電損耗或介質損耗)
(4)體積和表面的電阻率 (電導)
材料的介電性能
在外電場作用下,材料發生兩種響應:
電傳導
電感應
絕緣
起滿足電容作用的器件
電介質的極化 dielectric polarization
電介質:在電場作用下具有極化能力并在其中長期存在電場的一種物質。
基本屬性:具有極化能力;
              其中能夠長期存在電場。
電介質對電場的響應特性不同于金屬導體。
金屬的特點是電子的共有化,體內有自由載流子,這樣就決定了金屬具有良好的導電性,它們以傳導的方式來傳遞電的作用和影響。
在電介質體內,一般情況下,只具有被束縛著的電荷,在電場的作用下將不能以傳導方式而只是以感應的方式,即以正、負電荷受電場驅使形成正、負電荷中心不相重合的電極化方式來傳遞和記錄電的影響。
電介質基本概念
電介質:在電場作用下,束縛電荷起主要作用的
物質,稱電介質。電介質的特征是以正負電荷重
心不重合的電極化方式傳遞、存儲或記錄電的作
用和影響。
電介質物理研究對象:研究電介質內部束縛電荷
在電?。òǖ縉檔緋『凸餛檔緋。┳饔孟碌牡?br /> 極化過程;闡明其電極化規律與介質結構的關
系;揭示其宏觀介電性質的微觀機制,進而發展
電介質的效用。
〈經典電介質科學叢書〉首批著作出版志賀
    介質以極化為本質特征,衍生多種功能效應于一體,兼秉豐富深刻之物理內涵,前程無限。嘆我介電學科,相對滯后,極化之類基本問題,仍未徹底解開。更有心態浮燥,不重基礎,回避難題,急功近利。諸多不足之處,吾人當自省。
                              —姚熹院士
姚熹乃學界之領軍人物,主編《經典電介
質科學叢書》,實為膽識超群之善行義舉,
功德無量。切望學者諸君,乘機奮起。須知
經典傳世之作,乃學科之根本。從此精讀經
典,錘煉功底,不求捷徑,迎難而行。學科
大發展,勢在必然中。
                        ——鐘維烈
                        2008年4月
(1) 分類
        電介質按其分子中正負電荷的分布狀況可分為:
① 中性電介質:它由結構對稱的中性分子組成,其分子內部的正負電荷中心互相重合,因而電偶極矩P=0。
② 偶極電介質:它由結構不對稱的偶極分子組成,其分子內部的正負電荷中心不重合,而顯示出分子電矩P=qd。
③ 離子型電介質:它由正負離子組成。因任何一對電荷極性相反的離子可看做一偶極子。
從電學性質看電介質的分子可分為兩類:
按物質組成特性分:
無機電介質(如云母、玻璃、陶瓷等)
有機電介質(如礦物油、紙以及其他有機高分子聚合物等)
按物質的聚集態分:
氣體介質(如空氣);
液體介質(如電容器油);
固體介質(如滌綸薄膜)
按物質原子排列的有序化分:
晶體電介質(如石英晶體);
非晶態電介質(如玻璃塑料)
按介質組成成分的均勻度分:
均勻介質(如聚苯乙烯);
非均勻介質(如電容器紙-聚苯乙烯薄膜復合介質)
電介質的極化:電介質在電場的作用下,其內部的束縛電荷所發生的彈性位移現象和偶極子的取向(正端轉向電場負極、負端轉向電場正極)現象。
極化時間很關鍵。
(2)介質極化的基本形式
電子位移極化
離子位移極化
固有電矩轉向極化
空間電荷極化
電子位移極化
   在電場作用下,構成介質原子的電子云中心與原子核發生相對位移,形成感應電矩而使介質極化的現象。
特點:電子位移極化的形成過程很快,僅需10-14~10-16s。它的極化是完全彈性的,即在外電場消失后會立即恢復原狀,且不消耗任何能量。電子位移極化在所有電介質中都存在。
僅有電子位移極化而不存在其他極化形式的電介質只有中性的氣體、液體和少數非極性固體。
電子極化率:
一般情況下,感應電矩μe與所用的局部有效電場強度E成正比,于是:
電子云偏離核心,原子核的作用是阻止偏離的形成,所以形成一個穩定的電矩。
離子極化很重要,通常負離子的電子位移極化遠大于正離子,電子極化率大,一般具有較大的介電常數。
根據定義,極化強度為單位體積的電矩。極化的大小不僅決定于粒子的感應電矩,而且決定于單位體積的粒子數。
電極化強度矢量
介電常數又叫介質常數,介電系數或電容率,它是表示絕緣能力特性的一個系數,以字母ε表示,單位為法/米(F/m)
定義為電位移D和電場強度E之比,ε=D/Ε。電位移D的單位是庫/二次方米(C/m^2)。
某種電介質的介電常數ε與真空介電常數ε0之比稱為該電介質的相對介電常數εr ,εr=ε/ε0是無量綱的純數,
離子位移極化
   在離子晶體中,除離子中的電子要產生位移極化外,處于晶格結點上的正負離子也要在電場作用下發生相對位移而引起極化,這就是離子式極化,又稱離子位移極化。
離子的相對位移包括離子之間的間距變化和鍵與鍵之間夾角的變化。
分類:
 根據離子位移的大小和取消外電場后是否能恢復原位分為:
a  離子彈性位移極化:這種極化只存在于離子鍵構成的晶體中,且極化過程也很快,約10-12~10-13s。也不消耗能量。這種極化因離子間束縛力較強,離子位移有限,一旦撤去外電場后又會恢復原狀。
b 熱離子極化(離子松弛式位移極化):在離子晶體和無定形體中,往往有一定量的束縛力較弱的離子,它們在熱的影響下將作無規則的跳躍遷移。無外電場時,這種遷移沿各向概率相同,故無宏觀電矩;當外加電場后,由于正負離子沿、逆電場躍遷率增大,因此形成了正負離子分離而產生介質極化。這種極化建立過程較長,約10-2~10-5s。所以有極化滯后現象,故又稱離子松弛式位移極化。
固有電矩轉向極化
    偶極分子在無外電場時就有一定的偶極矩p,但因熱運動,它在各方向概率相同,故無外電場時偶極電介質的宏觀電矩為零。但有外電場時,由于偶極子要受到轉矩的作用,有沿外電場方向排列的趨勢,而呈現宏觀電矩,形成極化。
這種極化所需較長,約10-2~10-10s。且極化是非彈性的,即撤去外電場后,偶極子不能恢復原狀,故又稱偶極松弛式極化。在極化過程中要消耗一定能量。
特別重要的是,由于固有電矩間的相互作用具有長程有序的性質,一個分子的轉向會帶來周圍許多分子的轉向,這樣會使得介電系數具有較大的數值。
 空間電荷極化
在一部分電介質中存在著可移動的離子。在外電場作用下,正離子將向負電極側移動并積累,而負離子將向正電極側移動被積累,這種正、負離子分離所形成的極化稱空間電荷極化。這種極化所需時間最長,約10-2s。
電子極化、離子極化及空間電荷極化都是正、負電荷在電場作用下發生相對位移而產生的,故統稱為位移極化。而偶極極化是由于偶極子在外電場作用下發生轉向形成的,故稱為轉向極化。
另一方面,殼層電子與原子核之間的相互吸引力的作用是使正負電中心重合。就是在這二各力的作用下原子處于一種新的平衡狀態。在這個新平衡狀態中該原子具有一個有限大小的感應偶極矩,用Pe表示感應偶極矩的大小,Pe與電場之間的關系為:
其中e稱為電子位移極化率。
利用玻爾原子模型,可具體估算出   的大小,即
如果用i代表離子位移極化率;Pi代表離子位移的感應偶極矩;E代表電場強度。它們之間的關系為:
離子位移極化的特點:
a) 時間很短,在頻率不太高時,可以認為ε與頻率無關;
b) 屬彈性極化,能量損耗很小。
c) 離子位移極化受兩個相反因素的影響:溫度升高時離子間的結合力降低,使極化程度增加;但離子的密度隨溫度升高而減小,使極化程度降低。通常,前一種因素影響較大.
固有偶極矩取向極化
如果組成介質的分子具有固有偶極矩(稱為有極分子),例如,水分子H2O,其中氧離子與二個氫離子不是在一條直線上,而是分布在三角形的三個頂點上。因此水分子的正負電荷中心不重合,存在固有偶極矩,如圖所示。
當電場 E=0時,介質中各分子的固有偶極矩的取向是無規則的,所以各偶極矩的矢量和為零,介質不存在極化。當電場 E0時,在電場作用下,這些固有偶極矩將沿著電場方向排列,各偶極矩的矢量和不為零,介質產生極化。在離子位移極化和電子位移極化的情況,位移極化的產生是由于電場力與彈性力的共同作用下出現與電場方向平行的感應偶極矩。
電場力的作用是使正負電荷中心分離,準彈性力的作用是使正負電荷中心重合,即準彈性力起著阻礙極化的作用。電場力與準彈性力是矛盾的兩個方面。
在取向極化的情況中,電場的作用是使分子的固有偶極矩轉到沿電場的方向排列;而妨礙定向排列的阻力是介質中分子的熱運動。
或者說,電場的作用使固有偶極矩有序化,熱運動的作用使固有偶極矩無序化,電場與熱運動是矛盾的兩個方面。為了強調位移極化與取向極化的差別,有時也稱前者為與熱運動無關的極化,后者為與熱運動有關的極化。取向極化與位移極化的機制不同,因此處理方法也不同。要用熱運動有關的規律來解決取向極化的問題。
當電場E=0,熱運動0時,介質中各分子的固有偶極矩完全無序化;
電場E0,熱運動=0(絕對零度)時,介質中各分子的固有偶極矩完全有序化;
當電場E0,熱運動0時,介質中各分子的固有偶極矩的排列介于上述兩種情況之間。如果E愈大或溫度愈低,有序化程度就愈高;E愈小,或溫度愈低,有序化程度就愈低。
有極分子的分布示意圖
因為當溫度不等于絕對零度 (即T0K)時,介質中各分子的熱運動也不等于零,所以在一般電場作用下,介質中各分子的固有偶極矩是不能出現如圖所示的完全有序化,這也表示當E=0,T0K時,各分子的固有偶極矩在電場方向上的分量各不相同,而固有偶極矩在電場方向上的分量才對介質的極化有貢獻.
計算結果,可得取向極化率 orien為
可以看出,取向極化率不同于位移極化率,取向極化率與溫度有關,而位移極化率與溫度無關。
如果介質極化時存在上述三種極化機制,其中以取向極化的貢獻最大。分子中存在固有偶極矩的概念的建立,不僅可以解釋一些由有極分子組成的電介質具有較大的介電常數這一事實,而且對于電介質的了解和有關的分子結構知識都是有貢獻的。
根據電介質的極化形式,把其分為兩大類:只有位移極化的電介質稱非極性材料,有轉向極化的電介質稱極性材料。
分子的總極化率可以認為是各種機制極化率的總和:
電子位移極化率
            離子位移極化率
            固有電矩的轉向極化率
自發極化
如果晶胞不僅結構上沒有對稱中心,而且在無外力作用時晶胞本身的正、負電荷中心不相重合,即晶胞具有極性,那么,由于晶體構造的周期性和重復性。晶胞的固有電矩便會沿著同一方向排列整齊,使晶體處在高度的極化狀態下,由于這種極化狀態是在外場為零時自發地建立起來的,因此稱為自發極化。
由于各種極化機制隨外電場變化的速度不同,因此可以通過研究介電頻譜來研究材料中存在的極化機制。
頻率較低時,三種極化機制均起作用,隨外電場頻率增大,固有電偶極矩的取向遲緩而不能跟上電場的變化,     頻率再高,離子的位移也不能跟上電場的變化,此時電子位移極化起主要作用。
      所以可以通過測試介質材料的介電常數隨頻率的變化而獲得介質材料中存在的極化機制。
洛倫茲有效場
   對于稀疏氣體,分子間的作用可以近似地忽略。
   但是液體和固體是凝聚態,分子(或原胞)間的相互作用很強,不能忽略。
   于是作用在分子或原子(或離子)上的電場就不單單是外加的宏觀電場,還應加上其他的分子或原子(離子)極化所產生的電場,作用在分子或原子處的總電場,稱之為有效場。
一.介電常數
平板電容器的電量Q與兩側電壓V以及電容量C成正
比:                         Q=CV
當板間為真空時,平板電容器電容量C0與平板面積
S、板間距離d的關系為:
式中,C0 ,ε0分別為真空電容和真空介電常數,
ε0=8.85*10-2F.m
當極板間存在電介質時, 電容器存儲電荷能力增強。 此時
相對介電常數均是無量綱的正數,它們反映了電介質在電場中的極化特性。
   放入電介質的電容器的電荷量Q和電容C增大的原因就是由于介質的極化作用。顯然不同的電介質其極化能力不同,ε越大,極化能力越強。
從電介質中存儲能量的角度來看,電容器存儲的能量為
從而有
介電常數又可理解為在單位電場強度下,單位體積中所存儲的能量。
影響介電常數的因素:
介電類型
溫度系數
介電常數與溫度呈強的非線性關系,用溫度系數描述溫度特征難度大
介電常數與溫度呈線性關系,可以用溫度系數描述介電常數與溫度的關系
固體電介質的擊穿
概述:
    固體電介質的擊穿就是在電場作用下伴隨著熱、化學、力等等的作用而喪失其絕緣性能的現象。
與氣體和液體電介質相比,固體電介質擊穿有以下幾個特點:
固體介質的擊穿強度比氣體和液體介質高,約比氣體高兩個數量級,比液體高一個數量級左右;
固體通常總是在氣體或液體環境媒質中,因此對固體進行擊穿試驗時,擊穿往往發生在擊穿強度比較低的氣體或液體媒質中,這種現象稱為邊緣效應。(試驗時必須盡可能排除)
固體電介質的擊穿一般是破壞性的,擊穿后在試樣中留下貫穿的孔道、裂紋等不可恢復的傷痕。
固體電介質擊穿的類型
電擊穿
熱擊穿
局部放電擊穿
其他擊穿機制(樹枝化擊穿、電-機械擊穿、沿面擊穿等)
電擊穿
   當施加于電介質上的電場強度或電壓增大到一定程度時,電介質就由介電狀態變為導電狀態,這個過程就是電擊穿。
   發生擊穿時的電場強度稱為擊穿電場強度(介電強度),用Eb表示,此時所加電壓稱為擊穿電壓,用Ub表示。即:
陶瓷材料的擊穿強度一般在4~60kV/mm。
電擊穿是指電場直接作用下,介質中載流子迅速增殖造成的擊穿。這個過程約在10-7s完成,擊穿是突然發生的?;鞔┑緋∏慷冉細?,約為106~107V/cm。
一般認為,電擊穿的發生是由于晶體能帶在強電場作用下發生變化,電子直接由滿帶躍遷到空帶發生電離所致。
電擊穿理論
   通常,當電場強度升高至接近擊穿強度時,材料中流過的大電流主要是電子型的。
引起導電電子倍增的方式,也即擊穿的機制主要有碰撞電離理論和雪崩理論,此外有時也可能發生齊納擊穿(或稱隧道擊穿)。
碰撞電離理論
   當晶體的溫度高于絕對零度時,晶格的微小振動形成格波,其能量量子即聲子,在碰撞電離理論中,碰撞機制一般應考慮電子和聲子的碰撞,同時也應該包括雜質和缺陷對自由電子的散射。若外加電場足夠高,當自由電子在電場中獲得的能量超過失去的能量時,自由電子便可在每次碰撞后積累起能量,最后發生電擊穿。
雪崩理論
    雪崩理論是在電場足夠高時,自由電子從電場中獲得能量在每次碰撞后都能產生一個自由電子。因此在n次碰撞后就有2n個自由電子,形成雪崩或倍增效應。當雪崩或倍增效應貫穿兩電極時,則出現擊穿。
若電介質中的場強很大,電介質分子的正負電荷有可能被拉開而變成可自由移動的電荷。大量自由電荷的產生,使電介質的絕緣性能破壞而成為導體。
規律:
固體介質的擊穿電場強度往往取決于材料的均勻性;
大部分材料在交變電場下的擊穿強度低于直流下的擊穿電場強度,在高頻下由于局部放電的加劇,使得擊穿電場強度下降得更厲害,并且材料的介電常數越大,擊穿電場強度下降得越多;
無機電介質在高頻下的擊穿往往具有熱的特征,發生純粹電擊穿的情況并不多見;
在室溫附近,高分子電介質的擊穿電場強度往往比陶瓷等無機材料要大,并且極性大高聚物的擊穿電場強度常常要比非極性的大;
在軟化溫度附近,熱塑性高聚物的擊穿電場強度急劇下降。
熱擊穿
    當固體電介質在電場作用下,由電導和介質損耗產生的熱量超過試樣通過傳導、對流和輻射所能散發的熱量時,試樣中的熱平衡就被破壞,試樣溫度不斷上升,最終造成介質永久性的熱破壞,這就是熱擊穿。
熱擊穿有一個熱量積累過程,不像電擊穿那樣迅速。熱擊穿電場強度較低,一般約為1~10kV/mm。
介質中所產生的熱量,一方面使試樣本身的溫度升高,另一方面通過熱傳導和熱對流向周圍散發熱量。
在電場作用下,如試樣的發熱功率為W1,散熱功率為W2,臨界熱平衡方程即為:
當外加電壓V1較小時,發熱曲線W1(V1)與散熱曲線W2在A點相交。這表明,在A點發熱功率W1等于散熱功率W2,介質處于熱平衡情況,這時試樣的溫度為T,電壓可持續作用,溫度不再升高。
若外加電壓V3較高,這是發熱功率W1恒大于散熱功率W2,曲線W1(V3)與直線W2不可能相交,這表明介質在任何溫度下都不會達到熱平衡,這就使介質溫度不斷地升高,最后導致熱擊穿。
在一定電壓V2下,曲線W1(V2)直線W2相切于C點,相應于C點介質的溫度為Tm。這就是介質達到臨界熱擊穿時的最高極限溫度。
   因為當T<Tm時,發熱功率大于散熱功率,溫度繼續上升至Tm;
   而當T>Tm時,W1(V2) >W2,介質溫度將不斷上升,最后導致熱擊穿。發熱曲線W1(V2) 是介質穩定與不穩定狀態的臨界曲線,電壓V2就是固體電介質熱擊穿電壓,以Vt表示。
當固體電介質臨界熱擊穿最高極限溫度Tm超過材料的最高工作溫度時,由于介質發熱,材料在低于Tm的溫度下,就可能失效。(例如當Tm大于晶體材料的熔化溫度,或高于高聚物的?;露然蛉砘露仁鋇那榭鼉褪僑绱耍?br />       對于介質損耗較高的固體介質材料,在高頻下的主要擊穿形式是熱擊穿。
局部放電擊穿
    局部放電就是在電場作用下,在電介質局部區域中所發生的放電現象,這種放電沒有電極之間形成貫穿的通道,整個試樣并沒有被擊穿。(如氣體的電暈放電、液體中的氣泡放電)
對于固體電介質,電極與介質之間常常存在著一層環境媒質:氣隙或油膜。就固體電介質本身來說,實際上也是不均勻的,往往存在著氣泡、液珠或其他雜質和不均勻的組分等。
   例如陶瓷就是一種多孔的不均勻材料。由于氣體和液體介電常數較小,因此承受的電場強度較高。同時氣體和液體的擊穿電場強度又比較低,于是當外加電壓達到一定數值時,在這薄弱的區域,就發生局部放電。
介電常數越小,承受的電場強度越大。
工程介質,從材料本身而言,其本征擊穿電場強度一般較高,但由于介質的不均勻性和各種影響,實際擊穿強度往往并不很高,有時甚至要降低一、二個數量級,
   原因?
   局部放電
   局部放電將導致介質的擊穿和老化,因為局部放電除電的過程以外,還伴隨著熱、輻射、化學和應力作用等過程。這些過程的綜合作用,就使介質擊穿或老化變質。
四、電-機械-熱擊穿
大部分陶瓷材料中存在著相當大的氣孔,其直徑可達幾個微米。這些氣孔在電場作用下,特別是高頻電場作用下,將發生強烈的游離,而且氣孔的直徑愈大,游離電壓愈低。在高頻電壓下,由于氣孔中的強烈游離,產生大量的熱量,使得氣孔附近局部區域過熱,在材料中產生相當高的內應力。當熱應力超過一定限度時,材料因喪失機械強度發生破壞,以致失去抗電能力,造成“擊穿”。
        這種擊穿往往發生在質地疏松、介電常數高的材料中。
介電損耗
   電介質在外電場作用下,其內部會有發熱現象,這說明有部分電能已轉化為熱能損耗掉,這種介質內的能量損耗稱為介質損耗。這種損耗是由電導作用和極化作用引起的。
電介質在靜電場中,因介質中無周期性的極化過程,其損耗僅僅由電導引起。
   介電損耗取決于材料的電導率和電場強度,由下式表示:
在交變電場作用下,介質損耗由電導和極化共同引起。
    電場不斷地改變,介質內的極化也就要不斷地改變。電場改變相當迅速時,極化就會追隨不及而滯后。實際上介質中的多種極化是一些弛豫(Relaxor)過程,從初態到末態要經歷或多或少的弛豫時間。介質極化的這種弛豫,在變動電場中就引起介質損耗,并且使動態介電系數和靜態介電系數不同。
理想(真空)電容器是沒有能量損耗的,其電流相位超前電壓90度,但對有損耗電容器,其電流就不是超前90度而是(90-δ),這個δ角就稱為損耗角,tanδ即損耗角正切稱損耗因數。δ越大說明損耗越大。
        tanδ的具體意義是有耗電容器每周期消耗的電能與其所儲存電能的比值。應該注意,用tanδ表示介質損耗時必須同時指明測量(或工作)頻率。
        介質損耗與頻率有關。 tanδ*頻率,頻率高時,損耗大。因此在高頻下工作的介質,要求損耗小,必須控制tanδ很小才行。
介質的tanδ對濕度很敏感。受潮試樣的tanδ急劇增大。試樣吸潮嚴重, tanδ增大越厲害。
介電損耗
損耗的能量與通過其內部的電流有關。加上電場后通過介質的全部電流包括:
① 由樣品幾何電容的充電所造成的位移電流或電容電流,這部分電流不損耗能量;
② 由各種介質極化的建立引起的電流,此電流與松弛極化或慣性極化、共振等有關,引起的損耗稱為極化損耗;
由介質的電導(漏導)造成的電流,這一電流與自由電荷有關,引起的損耗稱為電導損耗。
介電損耗—電導(或漏導)損耗
缺陷的存在,產生帶束縛較弱的帶電質點。帶電質點在外電場的作用下沿著與電場平行的方向做貫穿電極之間的運動。
實質相當于交流、直流電流流過電阻做功,一切實用工程介質材料不論是在直流或在交流電場作用下,都會發生漏導損耗。
介電損耗—極化損耗
由于各種電介質極化的建立所造成的電流引起的損耗稱為極化損耗,這里的極化一般是指弛豫型的。
結論:
① 當外電場頻率很低,即ω→0時,各種極化都能跟上電場的變化,即所有極化都能完全建立,介電常數達到最大,而不造成損耗;
② 當外電場頻率逐漸升高時,松弛極化從某一頻率開始跟不上外電場變化,此時松弛極化對介電常數的貢獻減小,使ω隨頻率升高而顯著下降,同時產生介質損耗,當ω→∞時,損耗達到最大;
③ 當外電場頻率達到很高時,松弛極化來不及建立,對介電常數無貢獻,介電常數僅由位移極化決定, ω→0時, tanδ→∞,此時無極化損耗。
(說明:損耗角,大小可以作為絕緣材料的判據
                σ=ωεtanδ)
介電損耗—共振吸收損耗
對于離子晶體,晶格振動的光頻波代表原胞內離子的相對運動,若外電場的頻率等于晶格振動光頻波的頻率,則發生共振吸收。
介電損耗的表示方法
材料的介電損耗
結構不均勻的多相—固體無機材料,這些材料損耗的主要形式是電導損耗和松弛極化損耗,但還有兩種損耗形式:電離損耗和結構損耗。
材料的介電損耗
1)電離損耗
又稱游離損耗,主要發生在含有氣相的材料中。它們在外電場強度超過了氣孔內氣體電離所需要的電場強度時,由于氣體電離而吸收能量,造成損耗,即電離損耗。
當固態絕緣物中含有氣孔時,由于在正常條件下氣體的耐受電壓能力一般比固態絕緣物的低,而且電容率也比固態小,必須盡量減小介質中的氣孔。
材料的介電損耗
2)結構損耗
在高頻、低溫下,與介質內部結構的緊密程度密切相關的介質損耗。實驗表明,結構緊密的晶體或玻璃體的結構損耗都是很小的。
一般材料,在高溫、低頻下,主要為電導損耗;在常溫、高頻下,主要為松弛極化損耗;在高頻、低溫下主要為結構損耗。
固體電介質的電導與擊穿
固體電介質的電導
理想的電介質,在外電場作用下應該是沒有傳導電流的。
實際的電介質,或多或少地具有一定數量的弱聯系的帶電質點。無外電場,熱運動。有外電場,定向漂移。正電荷順電場方向移動,負電荷逆電場方向移動,形成貫穿介質的傳導電流。
電介質的電導
      理想絕緣材料應是不導電的,但實際上所有電介質都不可能是理想的絕緣體,在外電場的作用下,介質中都會有一個很小的電流(即漏電流)。
      這個電流是由電介質中的帶電質點(正、負離子和離子空位、電子和空穴等載流子)在電場的作用下做定向遷移形成的(又稱泄漏電流)。
表面電阻(電導)與體電阻(電導)
固體電介質電導
電子電導
離子電導
固體電介質的電子電導
電子電導的載流子:電子和空穴
理想晶體—電子電導非常微弱
實際晶體,雜質的存在—電子電導較大
大部分固體電介質的電子電導率的溫度關系遵循指數規律
固體電介質的離子電導
載流子:正、負離子或離子空位
固體電介質按其結構可分為:
晶體
非晶體
固體電介質的離子電導
1)無機晶體材料電介質的離子電導
導電離子來源
本征離子
弱聯系離子
固體電介質的離子電導
2)無機玻璃態電介質的離子電導
玻璃與晶體的比較,玻璃具有:
         結構疏松
         組成中有堿金屬離子
         勢壘不是單一的數值,有高有低。   
導電的粒子:
          離子
          電子
玻璃離子電導率與堿金屬濃度的關系:在堿金屬氧化物含量不大時,堿金屬離子填充在玻璃結構的松散處,電導率與堿金屬離子濃度有直線關系;
到一定限度,即空隙被填滿后,開始破壞原來結構緊密的部位,使整個玻璃體結構進一步松散,導電率指數上升。
減小玻璃電導率的方法有雙堿效應、壓堿效應。
雙堿效應:當玻璃中堿金屬離子總濃度較大時(占玻璃組成25—30%),總濃度不變,含兩種堿金屬離子比一種堿金屬離子的玻璃電導率小,當比例適當時,電導率可降低很低。
固體電介質的表面電導
其它影響因素
1)空氣濕度對表面電導的影響
超導電性
 超導電性的發現與進展
低溫下水銀電阻實驗中發現的。(荷蘭萊頓大學的昂尼斯發現將汞冷卻到-268.98℃,電阻消失,1913年諾貝爾獎)
超導電性:在一定條件下(溫度、磁場、壓力)材料的電阻突然消失的現象。發生這一現象的溫度稱為臨界溫度,以Tc表示。
        材料失去電阻的狀態稱為超導態,存在電阻的狀態稱為正常態。具有超導態的材料稱為超導體。
一些材料的超導臨界溫度Tc
近年來發現的超導材料并不是傳統上被人們認為是良導體的金屬及其合金中,而是在常態下導電性很差的氧化物體系的陶瓷中。
研究的熱點:常溫超導
液氦區、液氮區(液氮 -196度, 液氦是-269度)
常溫超導研究現狀
   1986年,高溫超導體的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金屬氧化物陶瓷材料為對象,以尋找高臨界溫度超導體為目標的“超導熱”。
1986年1月,美國國際商用機器公司設在瑞士蘇黎世實驗室科學家柏諾茲(J.Georg Bednorz)和繆勒(K.Alex Mǖller)首先發現鋇鑭銅氧化物是高溫超導體,將超導溫度提高到30K;
日本東京大學工學部又將超導溫度提高到37K;
12月30日,美國休斯敦大學宣布,美籍華裔科學家朱經武又將超導溫度提高到40.2K。
            1987年1月初,日本川崎國立分子研究所將超導溫度提高到43K;
不久日本綜合電子研究所又將超導溫度提高到46K和53K。
中國科學院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領導的研究組,獲得了48.6K的鍶鑭銅氧系超導體,并看到這類物質有在70K發生轉變的跡象。
2月15日美國報道朱經武、吳茂昆獲得了98K超導體。
   2月20日,中國也宣布發現100K以上超導體。
   3月3日,日本宣布發現123K超導體。
   3月12日中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮實驗。
   3月27日美國華裔科學家又發現在氧化物超導材料中有轉變溫度為240K的超導跡象。
   日本鹿兒島大學工學部發現由鑭、鍶、銅、氧組成的陶瓷材料在14℃溫度下存在超導跡象。
超導的應用
超導熱核反應能源、超導磁流體發電、超導儲能裝置、無損耗超導輸電、超導發電-電動機、強大的電磁 鐵及超導磁懸浮列車、磁共振成像儀器等醫療設備中均使用了超導材料。
云南昆明-我國第一組實用超導電纜。
2. 超導體的性能
(1)完全的導電性
    超導體超導性的試驗證明(在T<Tc時,將加在超導體上的磁場去除,由于電磁感應作用產生電流,通過檢驗此電流是否衰減來判斷是否具有超導性)(超導體是等電位的,即超導體內沒有電?。?br /> 純金屬的導電性取決于原子的電子結構。但是,載流子電子的移動速度也影響材料的導電性。當載流子電子與材料中的缺陷碰撞時,其移動速度自然就會降低。
溫度對材料的導電性也有很大影響。溫度升高時,原子的振動幅度變大,對載流子的阻礙作用也增加。
(2)完全抗磁性
邁斯納效應:先將超導體冷卻至超導態(T<Tc),然后加磁場,發現磁場不能進入超導體內。若在常溫下將超導體先放入磁場內,則有磁力線穿過超導體;然后再將超導體冷卻至Tc以下,發現磁場從超導體內被排出,即超導體內無磁場,磁感應強度B為零。這說明了超導體具有完全的抗磁性,即邁斯納效應。
超導態出現完全抗磁性的原因:由于外磁場在試樣表面感應產生一個感應電流。此電流由于所經路徑電阻為零,故它所產生的附加磁場總是與外磁場大小相等,方向相反,因而使超導體內的合成磁場為零。由于此感應電流能將外磁場從超導體內擠出,故稱抗磁性感應電流,又因其能起著屏蔽磁場的作用,又稱屏蔽電流。
3.超導電性的影響因素和基本臨界參數
   超導態除了決定于溫度外,還與外磁場有關,縱使處于T<Tc下,但如果磁場強度超過某Hc(T)值時,超導態便轉變為正常態(普通態)。Hc(T)稱為溫度為T時的臨界磁場,Hc(T)與T的關系為
溫度和磁場對超導電性都起破壞作用,只有在一定的溫度和磁場范圍內才能呈現超導態。除了受溫度和磁場強度影響外,當超導體里流過的電流密度大于臨界值Jc時也會失去超導性。超導體的超導性能只有在由Tc、Hc和Jc組成的三維區域內才會呈現超導性。
具有較高臨界溫度Tc的超導體在常態下卻是相當差的導體(甚至可能是絕緣體);
超導態與磁有序似乎互不相容,鐵磁性或反鐵磁性金屬沒有一個同時具有超導電性。磁性對超導的不相容性還擴展到了雜質對超導的影響,非磁性雜質對超導影響微小,但具有磁矩的雜質會明顯地影響超導的Tc;
每個原子具有3、5、7個價電子的元素具有高的Tc。臨界溫度Tc與原子的價電子數有聯系,還與原子質量有關。
兩類超導體
        超導體分為兩類:
     第一類超導體(又稱Pippard超導體或軟超導體)的超導臨界溫度隨著磁場強度的增加而下降。
        當磁場強度超過某一臨界值Hc時,磁力線就會穿過這類材料,使其不再呈現超導性。只有溫度和磁場都在由Tc和Hc組成的二維區域內,第一類超導體才會呈現超導性。
包括Nb3Sn在內的大多數超導體都屬于第二類超導體(又稱London超導體或硬超導體)。當磁場強度增加時,這類超導體從完全超導體先轉變為混合狀態導體,最后轉變為普通導體。
    在某一磁場強度下,有可能材料表面是超導體,而材料內部卻是普通導體。第二類超導體的Tc和Hc通常都大于第一類超導體。在已發現的超導元素中只有釩、鈮和锝屬第二類超導體,其他元素均為第一類超導體,但大多數超導合金則屬于第二類超導體。
第一類超導體只存在一個臨界磁場Hc,當外磁場H<Hc時,呈現完全抗磁性,體內磁感應強度為零。
    第二類超導體具有兩個臨界磁場,分別用Hc1(下臨界磁?。┖虷c2(上臨界磁?。┍硎?。當外磁場H<Hc1時,具有完全抗磁性,體內磁感應強度處處為零。外磁場滿足Hc1<H<Hc2時,超導體和正常態同時并存,磁力線通過體內正常態區域,稱混合態或渦旋態。外磁場H增加時,超導態區域縮小,正常態區域擴大,H≥Hc2時,超導體全部變為正常態。
一個理想的超導體應該具有較大的臨界電流、較高的臨界磁場和較高的臨界溫度。尤其是臨界溫度。
接觸電性
   兩種不同的材料接觸,根據目的不同可有多種方式,如焊接、合金化、擴散、氧化、真空鍍膜等。
   由于它們可以有不同的相,不同的晶體結構、電子結構,所以在它們的界面上不可避免地要發生載流子的某種行為,由此引起兩種材料單獨存在時所沒有的新的電學效應。
具有代表性的導電物質的接觸:
金屬-金屬
金屬-半導體
金屬-電解質溶液
P型半導體-N型半導體
金屬-氧化物-半導體
金屬-金屬接觸電效應
 金屬電子的逸出功
      金屬中的價電子可近似認為處于一個均勻的勢場中運動。價電子處于一深度為E0的勢阱中。在金屬與真空的界面上,晶格原子的周期性排列被中斷,由金屬到真空電子的勢能將由-E0逐漸到零,構成了金屬的表面勢壘,勢壘的高度為E0,這里設電子在金屬中的勢能為-E0,真空中勢能為零。
金屬中的電子如果不能從外界獲取等于或大于                    的能量,那么它是無法克服勢壘E0外逃的(因此,表面勢壘E0是表示金屬表面對電子的束縛作用的)。
自由電子逃逸出金屬表面所需要的這個最小能量或說需要對電子所做的最小的功稱為逸出功。
    不同的金屬具有不同的表面勢壘E0和費米能EF,從而有不同的逸出功Φ。
    逸出功的不同,實質上就是金屬中電子的能量不同,即逸出功的大小反映了金屬中電子的能量大小。   逸出功小的,電子的能量就大;反之,若電子的能量較小,則所需逸出功就大。
金屬-金屬接觸
    當兩個不同的金屬互相緊密接觸時(稱為MM結),由于它們的真空能級(為0)相同而各自的表面勢壘E0和費米能EF不同,也即它們的逸出功Φ不同,故它們各自占有高能量狀態的電子數就不同,從而在接觸處就會發生電子的交換。
逸出功小的金屬內部電子的能量較大,即占有高能量狀態的電子數多。逸出功大的金屬則相反。
   電子有從能量較高處向能量較低處過渡的趨勢,所以當兩種金屬接觸后,電子將會從逸出功小的金屬遷移到逸出功大的金屬,而前者由于失去電子而帶正電,其電位不斷升高,相應在電子勢能圖上的能級要不斷降低,即費米能級也不斷降低,后者因得到電子而帶負電,其費米能級要不斷升高,當兩金屬的費米能級拉平時,就達到了平衡狀態。
兩金屬的接觸面上形成了一個空間電荷區,建立起一個內電場E,這個電場會阻止擴散作用,最后達到電場力與擴散力的動態平衡狀態,由此,在兩金屬間形成了一個電位差:
金屬-金屬接觸電效應的一個重要應用就是熱電偶,可用它測量溫度、發電、致冷等。
金屬-半導體接觸電效應
 半導體的表面勢
    在半導體的表面上,由于吸附的雜質原子、離子,或是由于有外電場以及與金屬相接觸,甚至就因為是晶體邊界,會形成帶電的表面層。在外電場的作用下,帶電表面層的出現是來自于載流子的重新分布,由此在表面與內部之間產生一個電位差,稱為表面勢。
金屬-半導體接觸 (了解基本概念,自學)
    半導體的導帶底EC一般比真空能級低幾個電子伏特,與金屬類似,也把                        稱為半導體的逸出功。同時,把                       稱為電子親和能(電子親和勢),它表示要使半導體導帶底的電子逸出體外所需的能量。
假定金屬的逸出功大于半導體的逸出功,顯然(EF)S高于(EF)M。當金屬與N型半導體緊密接觸時(稱為MS結),由于N型半導體的逸出功小,故N型半導體中的電子能量大且多數載流子-電子數多,所以半導體中的電子就會向金屬中擴散流動,使金屬表面帶負電,半導體表面帶正電,能帶發生了相對移動,最后當費米能級重合于EF時而達到動態平衡,不再有靜電子的流動,形成了接觸電位差:
在半導體的接觸面處形成了一個由電離施主構成的較厚的空間電荷區,相當于有一從半導體指向金屬的電場,故阻礙了電子的擴散流動,所以稱該區為阻擋區。又由于該區內幾乎無電子,故又稱耗盡層。能帶應向上彎曲,它在金屬與半導體兩側形成的勢壘高度WM和WS稍有不同。具有這種勢壘的結稱為肖特基結,它具有整流作用。
若       ,電子將由金屬擴散流向半導體,在半導體一側形成堆積層,這是個高電導區,稱反阻擋層。其形成的能帶向下彎曲,這種結無整流作用,稱為歐姆結。通常半導體器件采用金屬電極時就需要有良好的歐姆接觸。
金屬與P型半導體接觸,             時形成反阻擋層,
                                                           時形成阻擋層。
金屬-半導體接觸電效應的典型應用時制造肖特基勢壘二極管和肖特基勢壘柵場效應晶體管。
P型-N型半導體接觸電效應PN結(自學)
金屬-氧化物-半導體接觸電效應(了解)
 金屬-氧化物-半導體接觸(稱為MOS結),是金屬-絕緣體-半導體接觸(稱為MIS結)的特殊形式。
MOS結的各種應用都是基于半導體表面的空間電荷區,而理想MOS的空間電荷區是由外加電壓VG引起的。所謂理想MOS,就是指滿足下列三個條件:
VG=0時,金屬與半導體的費米能級EF持平;
氧化物層中無任何靜電荷且完全不導電;
半導體界面無任何表面電荷區。
熱電性
    材料中存在電位差時會產生電流,存在溫度差時會產生熱流。在金屬和半導體中,不論是電流還是熱流都與電子的運動有關系,故電位差、溫度差、電流、熱流之間存在著交叉聯系,這就構成了熱電效應。
第一熱電效應-塞貝克效應Seeback
         當兩種不同的導體組成一個閉合回路時,若在兩接頭處存在溫度差則回路中將有電勢及電流產生,這種現象稱為塞貝克效應。其中產生的電勢稱為溫差電勢或熱電勢,電流稱為熱電流,上述回路稱為熱電偶或溫差電池。
半導體材料的兩端如果有溫度差,那么在較高的溫度區有更多的電子被激發到導帶中去,但熱電子趨向于擴散到較冷的區域。當這兩種效應引起的化學勢梯度和電場梯度相等且方向相反時,就達到穩定的狀態。多數載流子擴散到冷端,產生ΔV/ΔT,結果在半導體兩端就產生溫差電動勢。這種現象稱為溫差電動勢效應,也稱為(賽貝克)效應。
熱電勢的大小不僅與兩接頭的溫度有關,還與兩種材料的成分、組織有關。與材料性質的關系可用單位溫差產生的熱電勢即熱電勢率α來描述,即
用不同材料構成熱電偶,會有不同的α,但對兩種確定的材料,熱電勢與溫差成正比,即
注意:僅在一定溫度范圍內成立。
熱電勢的一般表達式為:
β為表征材料性質的系數。
兩種金屬構成的回路有塞貝克效應,兩種半導體構成的回路也同樣有此效應,而且效應更顯著得多。
1.接觸電位差
 造成接觸電位差的原因:
 兩種金屬的電子逸出功Φ不同;
 兩種金屬的自由電子密度(濃度)不同。
由于相接觸的兩種金屬的電子密度不同,也即在其接觸面的兩側存在著自由電子的濃度差,所以必然要產生自由電子從高濃度區向低濃度區的擴散運動。
若金屬1的電子密度高,則電子將從金屬1向2擴散,擴散的結果使接觸面1金屬側帶有正電位,而在接觸面的2金屬側帶負電位。故在接觸面附近兩側形成了一個空間電荷區,產生了一個由金屬1指向金屬2的結內電場,結內電場對電子的漂移作用與擴散作用相反。其結果阻止了自由電子的繼續擴散,當電場力增大到與擴散力相等時,擴散與漂移運動達到了動態平衡,此時就建立了一定厚度的空間電荷區,產生了一定大小的結內電場和接觸電位差。
兩種不同金屬緊密接觸時產生的接觸電位差為
在兩個接頭處將有V12(T1)和V12(T2)兩個接觸電位差。
若兩端溫度T1=T2,則由于
回路的熱電勢
若T1≠T2,則
回路熱電勢
2. 溫差電位差
    在金屬1的高溫T1端,有較多的高能電子,而冷端T2則有較多的低能電子。于是宏觀趨勢是熱端的高能電子向冷端擴散使電子在冷端堆積帶負電,而熱端因缺少電子帶正電,這樣就在金屬的內部產生了一個阻止電子進一步擴散的溫差電場。
    當該電場對電子的電場力Fe等于熱擴散力FT時,金屬的兩端就建立起一穩定的溫差電位差V1(T1,T2)。同樣,在金屬2的兩端也會建立起V2(T1,T2)。對于整個回路而言,金屬1、2上的溫差電位差反向,但因材料不同,即使溫差相同,二者也不會完全抵消。
熱電偶回路的熱電勢應是(特別注意各電勢的方向)
影響熱電勢的因素(自學)
熱電勢的測量(自學)
塞貝克效應的應用
      半導體中的塞貝克效應比金屬導體中的顯著得多,金屬中的熱電勢率約為幾μV/℃,而半導體的熱電勢率為幾mV/℃,因此金屬的塞貝克效應主要用于測量溫度,而半導體的塞貝克效應則用于溫差發電。
(1)溫度測量
    盡管金屬比半導體的熱電勢率小,但因金屬材料比半導體材料價格低,較易制成絲狀的形式,故具有更易出現的熱電特性,且在較大的溫區能保持熱電勢與溫差的線性關系,通過多個熱電偶串聯成熱電堆可獲得高靈敏度,足以探測微弱的溫差乃至紅外輻射。
熱電堆紅外測溫
(2)溫差發電
   由于半導體溫差發電機的體積小、重量輕、結構簡單、工作安靜、無干擾并可利用多種熱源等優點,且可在惡劣條件下工作,因此有多種用途。
溫差發電機(溫度差轉換為電勢)
        要實際應用,必須要獲取足夠大的溫差(最少幾十度)才能獲得有效的電力。
        德國弗勞恩霍夫學院(Fraunhofer Institute):
        開發出了一種全新的電路系統,能夠感應到200微伏的電壓,使得溫差發電機可以通過人體的體溫來產生電力。 據稱這一系統所能夠感知的最小溫差為0.5攝氏度。
第二熱電效應-玻爾帖(珀爾帖)效應 peltire
        當有電流通過兩個不同導體組成的回路時,除產生不可逆的焦耳熱外,還要在兩接頭處分別出現吸收或放出熱量Q的現象,Q稱為玻爾帖熱,此現象稱為玻爾帖效應,是塞貝克效應的逆效應。
玻爾帖效應的解釋:
    由于在兩金屬的接頭處有接觸電位差V12,設其方向都是由金屬1指向金屬2。在接頭A處,電流由金屬2流向金屬1,即電子是由金屬1流向金屬2,顯然接觸電位差的電場將阻礙電流的這種電子運動,電子在這里要反抗電場力做功eV12,它的動能減小。減速的電子與金屬原子相碰,又從金屬原子取得動能,從而使該處溫度降低,須從外界吸收熱量。而在接頭B處,接觸電位差得電場則使電子加速,電子越過時動能將增加eV12,被加速的電子與接頭附近的原子碰撞,把獲得的動能交給金屬原子,從而使該處溫度升高,從而釋放出熱量。
金屬熱電偶的玻爾帖效應小,半導體熱電偶的玻爾帖效應大。玻爾帖效應主要用來進行溫差制冷,溫差可達150℃。
補充:
 帕爾帖效應的物理解釋是:電荷載體在導體中運動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級,當它從高能級向低能級運動時,便釋放出多余的能量;相反,從低能級向高能級運動時,從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。
第三熱電效應-湯姆遜效應
湯姆遜效應:當電流通過具有一定溫度梯度的導體時,會有一橫向熱流流入或流出導體,其方向視電流的方向和溫度梯度的方向而定。
湯姆遜效應在下列意義上是可逆的,即當溫度梯度或電流的方向倒轉時,導體從一個湯姆遜熱吸收器變成一個湯姆遜熱發生器,
   在單位時間內吸收或放出的能量
與電流I和溫度梯度    成正比。
湯姆遜效應的解釋:當某一金屬存在一定的溫度梯度(溫差)時,由于高溫端(T1)的自由電子平均速度大于低溫端(T2),所以由高溫端向低溫端擴散的電子比低端向高端擴散的電子要多,這樣就使高、低溫端分別出現正、負凈電荷,形成一溫差電位差V(T1,T2),方向由T1端指向T2端。當外加電流I與V(T1,T2)同向時,電子將從T2向T1定向流動,同時被溫差電場加速,電子從溫差電場中獲得的能量,除一部分用于電子達高溫端所需的動能增加外,剩余的能量將通過電子與晶格的碰撞傳給晶格,使整個金屬溫度升高并放出熱量。當外加電流I與V(T1,T2)反向時,電子將從T1向T2定向流動,且被溫差電場減速,但這些電子與晶格碰撞時,從金屬原子取得能量,而使晶格能量降低,這樣整個金屬溫度就會降低,并從外界吸收熱量。
一個由兩種導體組成的回路,當兩接觸端溫度不同時,三種熱電效應會同時產生。
   塞貝克效應產生熱電勢和熱電流,而熱電流通過接觸點時要吸收或放出玻爾帖熱,通過導體時要吸收或放出湯姆遜熱。
熱電勢率α,玻爾帖系數,湯姆遜系數之間的關系(開爾文關系式):
熱電子效應
熱電子效應:固體受熱后,出現大量電子逸出固體進入真空,形成熱電子發射的熱電現象。
熱電子發射機理
由于固體受熱,其內部自由電子的動能增加,當溫度足夠高、動能足夠大(足以克服逸出功φ或表面勢壘E0)時,電子就會逸出固體而形成熱電子發射。
熱電子效應的應用
熱電子發射體(陰極)按制備材料分為四類:純金屬陰極、薄膜陰極、厚涂層陰極和金屬陶瓷陰極。
     熱電子效應的典型應用是制作各種電子管、X射線管、陰極射線管和電子顯微鏡。
壓敏效應
      指電壓變化敏感的非線性電阻效應。即在某一臨界電壓以下,電阻值非常之高,幾乎無電流通過;超過該臨界電壓(敏感電壓),電阻迅速降低,讓電流通過。
PTC效應
(在相變點附近)電阻率隨溫度上升發生突變。
表面效應
1.半導體表面空間電荷的形成;
2.半導體表面吸附氣體時電導率的變化
    檢測氣體的存在和濃度(氣敏)
壓電性
     壓電效應 piezoelectric effect
在某些晶體的一定方向上施加壓力或拉力,則在晶體的一些對應的表面上分別出現正、負電荷,其電荷密度與施加的外力的大小成正比。
力致形變而產生電極化。
壓電效應 piezoelectric effect
壓電效應:正壓電效應(direct) piezoelectric effect
   逆壓電效應 converse piezoelectric effect
正壓電效應:由于機械力的作用而使介質發生極化的現象。(力致形變而產生電極化)
逆壓電效應:外電場加在(不存在對稱中心的)晶體上,改變其極化狀態,晶體的形狀也將發生變化。(電場引起形變)
又分 縱向壓電效應
     橫向壓電效應
縱向壓電效應:電位差的方向與壓力和拉力的方位一致。
橫向壓電效應:電位差的方位與施力的方位垂直。
晶體是否具有壓電效應,取決于晶體構造的對稱性。在晶體的32種點群中,具有對稱中心的11個點群不會有壓電效應。在21種不存在對稱中心的點群中,除了432點群因為對稱性很高,壓電效應退化以外,其余20個點群都有可能產生壓電效應。
《晶體結構的周期性和對稱性》-周公度、
《固體物理導論》
晶體構造上不存在對稱中心是產生壓電效應的必要條件。
   對于有對稱中心的晶體,無論有無外力作用,晶體中的正負電荷中心總是重合在一起的,因此不會產生壓電效應。
補充:壓電陶瓷的重要參數
壓電系數d33    piezoelectric coefficient
沿壓電陶瓷的極化方向施加壓力F時,陶瓷就產生放電現象。設作用力為F3,力的作用面為A3,在應力T3=F3/A3的作用下,電極面A3上所產生的電荷密度σ3=q3/A3(q3為A3面上產生的電荷量)。作用力與所產生的電荷成正比,即
                                      σ3=d33T3
d33為壓電系數,它反映了材料的壓電性質。因為電位移D3=σ3,上式可寫成
                         D3=d33T3
機械品質因數Qm     mechanical quality factor
機械品質因數Qm表示在振動轉換時,材料內部能量損耗的程度?;燈分室蚴礁?,能量的損耗就越少。產生機械損耗的原因是存在內摩擦。在壓電元件振動時,就要克服摩擦而消耗能量,機械品質因數與機械損耗成反比。
機電耦合系數K
    electromechanical coupling coefficient
       機電耦合系數是綜合反映壓電陶瓷材料性能的參數,是衡量材料壓電性能好壞的一個重要物理量。它反映壓電陶瓷材料的機械能與電能之間的耦合效應,可用下式來表示機電耦合系數K,即
因為機械能轉變成電能總是不完全的,所以K2總是小于1。
常見的壓電晶體有:
α石英
鈦酸鋇(BT)
鈦酸鉛(PT)
鋯鈦酸鉛(PZT)
二氧化碲(非鐵電壓電晶體)
鈮酸鋰
磷酸二氫鉀(KDP,水溶鐵電晶體)
四硼酸鋰
2. 壓電效應的應用
   壓電振蕩器  piezoelectric oscillator
        石英晶體作為晶體振蕩器(晶振)具有高的頻率穩定度,因其品質因數(Q值)很高,機電耦合系數(K值)很低。
       石英晶體元件能產生幾千Hz到幾千MHz的電振動,作為標準信號源它廣泛用于石英鐘、石英手表、計算機的時鐘脈沖發生等諸多場合。
超聲發射器和接收器
       ultrasonic transmitter and receiver
        用壓電常數大和機電耦合系數大的壓電材料做成換能器可在水中、地下和固體中發射和探測超聲波。
換能器:將非電能量轉換成電能量,不需要外電源,稱換能器,也稱有源傳感器
聲納 sonar
倒車雷達  (壓電式超聲波發生器)
地下結構探測
魚探儀
B超
信號處理器 signal processor
用壓電材料的壓電效應可制作濾波器、衰減器、放大器等。
壓電發電機、壓電馬達
      piezoelectric generator  and  motor
     利用壓電陶瓷的壓電效應可以產生脈沖高壓,用來制作壓電打火機、汽車點火器、壓電引信、高壓電源等。利用逆壓電效應制成壓電馬達可用于掃描電鏡(掃描力顯微鏡SFM)。
納米發電機
王中林
佐治亞理工學院
ZnO納米線 壓電效應
壓電打火機  (瞬間產生的電壓?電流?)
原子力顯微鏡 AFM
熱釋電性 pyroelectricity
     熱釋電效應 pyroelectric effect
        在某些絕緣物中,由于溫度變化而引起電極化狀態改變的現象即為熱釋電效應。
電氣石(tourmaline): 托瑪琳
分子式為(Na,Ca)(Mg,Al)6[B3Al3Si6(O,OH)30]
其他:硫酸三甘肽(TGS:(NH2CH2COOH)3H2SO4))
        - 紅外輻射探測、
            蔗糖、
            鐵電鈦酸鋇等。
熱釋電效應只發生在非中心對稱(32種點群中有21種不存在對稱中心)并具有極性(自發極化)的晶體中。只有10種點群滿足此條件,結構上的單一對稱軸成為極軸,晶體便具有自發極化。
        具有自發極化的單晶體是一個永久帶電體,應該在晶體內部及外部建立電場,電場強度取決于晶體的自發極化強度Ps。但用實驗方法卻很難發現晶體的帶電狀態。
熱釋電體是一種極性固體,即使在沒有外加電場及其他作用情況下,它的宏觀極化強度也不等于零。
        熱釋電體能夠長期保持的宏觀的極化強度P0,稱之為持久極化強度或固有極化強度 permanent polarization。
熱釋電體的自發極化幾乎不受外電場影響,但卻很容易受溫度的影響。
常溫下,一般熱釋電體溫度變化1℃產生的極化強度約為10-5 C/m2,而在恒溫下,需70kV/m的外電場才能產生同樣大的極化強度。
熱釋電體對外不顯示電性的原因
 原因:因為自發極化所建立的電場吸引了晶體內部和外部空間的異號自由電荷,在試樣的表面形成一個表面電荷層。結果自發極化建立的表面束縛電荷被外來的表面自由電荷(即吸附電荷,吸附電荷是一層自由電荷,其來源有兩種:一是晶體的微弱導電性所導致一些自由電子堆積在表面,二是從大氣中吸附的異號離子)所屏蔽,束縛電荷建立的電場被抵消。因此對外不顯示電性。
但這種自發極化卻很容易受溫度的影響。一旦溫度升高,極化強度減小,屏蔽電荷跟不上極化電荷的變化,而顯示極性,溫度下降后,極化強度增大,屏蔽電荷跟不上極化電荷的變化,故顯示相反的極性。
產生熱釋電效應的必要條件:晶體具有單極軸或自發極化。(熱釋電效應是溫度(熱)變化引起了晶體電極化的變化。只有晶體存在單一極軸才有可能由于熱膨脹引起電極化變化,而導致熱釋電效應)
熱釋電系數 pyroelectric coefficient:
熱釋電效應的強弱可用熱釋電系數來表示。
設熱電體溫度均勻地改變了ΔT(ΔT較?。?,宏觀永久極化強度改變了ΔP0,則熱釋電系數為
2.    熱釋電效應的應用
         熱釋電材料對溫度的敏感性已被用來測量10-5~10-6℃這樣微小的溫度變化。熱釋電紅外探測器廣泛用于非接觸式溫度測量,紅外光譜測量、激光參數測量、紅外攝像與空間技術等。(新應用:熱釋電效應應用于低溫余熱發電的研究)
紅外探測器:熱探測器(熱釋電效應)和光子探測器(光電效應)
在一小片被極化過的材料上下兩面被上電極,形成一個電容器。因為內在的極化吸附著極板上的自由電荷,所以對外不顯示電荷。當紅外光輻照到其上時,由于溫度的變化導致內在極化發生變化,因而極板上的電荷會瞬時失去平衡而感應電壓。一個低噪音的高輸入阻抗放大器與它相接,并把微小的電壓信號放大送至功率放大器,顯示有紅外輻照。圖中一個補償元件與工作小片中的材料相同,但它表面覆蓋反光電極,因而對紅外輻照沒有反應,它能補償工作元件因環境溫度變化所帶來的噪音。
紅外熱電視、紅外熱像儀
通過接收物體發出的紅外線(紅外輻射),將其熱像顯示在熒光屏上,從而準確判斷物體表面的溫度分布情況,具有準確、實時、快速等優點。
      任何物體由于其自身分子的運動,不停地向外輻射紅外熱能,從而在物體表面形成一定的溫度場,俗稱“熱像”。紅外診斷技術正是通過吸收這種紅外輻射能量,測出設備表面的溫度及溫度場的分布,在線監測儀在石油化工領域中的應用,從而判斷設備發熱情況。
鐵電性 Ferroelectricity
壓電體-熱釋電體-鐵電體的關系:根據轉動對稱性晶體可分為32種類型,在非中心對稱的21種類型中就有20種具有壓電性,而這20種壓電體種具有極性的10種又具有若是典型,這10種熱釋電體中又有一部分具有鐵電性,稱為鐵電體。
熱釋電體是具有自發極化的晶體,其自發極化只能出現在晶體的特定晶向上。熱釋電體的自發極化強度Ps很高,晶體已經處在高度的極化狀態下。在普通的線性電介質中,即使加上接近介質擊穿的外電場也很難達到這種高度的極化狀態。因此外電場很難使熱釋電體的自發極化沿著空間的任意方向定向。
但是有少數熱釋電體的自發極化強度矢量卻能在外電場的作用下沿著某幾個特定的晶向重新定向。這種自發極化能被外場重新定向的熱釋電體就是鐵電體。因此,鐵電體是熱釋電體的一亞族。
        應該指出,鐵電體與非鐵電的熱釋電體并無本質上的區別,只是后者被外場擊穿以前,其自發極化還沒有被重新定向而已。
自發極化能被外電場重新定向是鐵電體最重要的判據,也是鐵電體具有許多獨特性質的主要原因。
鐵電體的特征:具有居里點,其自發極化能因外電場而重新取向,鐵電體只有在極化之后才能表現出熱釋電效應。
非鐵電體的熱釋電性是其本身固有的,不需要人工處理而得到。它們由于微觀結構對稱性太低,每個晶胞會出現非零的自發極化強度Ps,并且所有晶胞的自發電偶極矩同向排列,使得宏觀極化強度P=Ps。這類晶體的電偶極矩只有唯一的一個可能取向,并且一直到晶體溫度升到熔化或在晶體完全破壞之前,電偶極矩都不會消失,整個晶體就是一個“電疇”。
而鐵電體在未經特殊處理前,熱平衡狀態下的宏觀極化強度恒等于零。但經過人工極化(此過程叫駐極,即把電介質高溫加熱并置于強電場,而后冷卻)后,使微觀電偶極矩沿極化方向的分量占優勢,產生宏觀持久的極化強度P。
經過駐極的鐵電體是處于亞穩態的,它的熱釋電效應只在不太高溫度范圍內才是可以重現的。此時P隨溫度升高而減小,當溫度較高并超過居里點時,其局部電偶極矩和空間電荷將獲得足夠多的熱激發能量,越過勢壘達到熱平衡態,使P和熱釋電效應消失。
        這種消失是破壞性的,即使再降低溫度,也不能恢復,而是回到駐極前的普通電介質狀態,只有再施行人工駐極,才能恢復。
電疇及電疇轉向
        電疇(ferroelectric domain):鐵電體中偶極子有序排列、自發極化方向一致的區域 。具有電疇結構是鐵電體的重要特征。
        不僅鐵電單晶具有電疇,鐵電多晶也有電疇。
鐵電體中各疇的電偶極矩取向不同,因此宏觀極化強度P=0。經駐極后每個晶粒趨于單疇化,并且電偶極矩盡可能平行外電場方向,使P≠0,這樣鐵電陶瓷就變成熱釋電陶瓷了。
根據晶粒中電疇的數量,可分為單疇和多疇兩種。當某一晶粒只包含一個電疇時,稱此電疇為單疇;而當某一晶粒包含兩個或兩個以上電疇時,稱此晶粒為多疇結構。
疇的主要類型:
根據電疇之間的夾角大小,鐵電材料中的電疇可分為180疇、90疇、60疇、120疇、71疇、109疇等。
任何鐵電晶體中,疇間夾角等于順電相對稱等效方向間的夾角。
BaTiO3   (相變、居里溫度(居里點)、相變溫度)
T>120℃, 順電相(立方相)
T<120℃,鐵電相(四方相)
T<5℃,鐵電相(斜方相)
T<-90℃,鐵電相(三方相)
例如BaTiO3晶體有180疇、90疇、60疇、120疇、71疇和109疇共六種。四方相T(4mm)時,自發極化Ps沿<100>方向,具有180疇和90疇;斜方相O(mm2)時,Ps沿<110>方向,除180疇和90疇外,還有60疇和120疇;三方相R(3m)時,Ps沿<111>方向,除180疇外,還有71疇和109疇。
a疇和c疇
      根據電疇的極化方向,鐵電材料中的電疇可分為a疇和c疇兩大類。c疇的極化方向與薄膜表面垂直,而a疇的極化方向與薄膜表面平行。
鐵電體的特征:
        具有電疇結構和電滯回線。
        鐵電體的熱釋電系數比一般熱釋電體要大得多,特別使在接近居里溫度時,因此,具有實用價值的熱釋電材料都是鐵電體。
C-V曲線
         鐵電材料的介電(電壓)非線性是指材料的極化強度隨外加電場強度呈非線性變化,因而介電常數隨外加電場變化的性質。
         一般地,介電非線性有兩種宏觀表現形式:電滯回線和介電偏壓特性曲線(或稱為C-V曲線、蝶形曲線)。非線性的強弱常用介電常數的電場變化率(或稱為可調性、調諧率)來表征,即用k=[ε(0)-ε(app)]/ε(0)×100%表示。
鐵電體的分類:
按相轉變分:
位移型鐵電體(硬鐵電體):
較硬,從順電到鐵電的轉變是由于晶體中離子發生了相對位移而產生的。 如鈦酸鋇、鈦酸鉛、鈮酸鋰等。
有序-無序型鐵電體(軟鐵電體):
多為含氫鍵物質,從順電到鐵電的轉變是氫鍵的“無序-有序”的過程。 如羅息鹽、酒石酸鹽、三甘氨酸硫酸鹽等。
按結晶化學分類
        含有氫鍵的晶體:磷酸二氫鉀(KDP)、三甘氨酸硫酸鹽(TGS)、羅息鹽(RS)等。這類晶體通常是從水溶液中生長出來的,故常被稱為水溶性鐵電體,又叫軟鐵電體;
雙氧化物晶體:如BaTiO3(BaO-TiO2)、KNbO3(K2O-Nb2O5)、LiNbO3 (Li2O-Nb2O5)等,這類晶體是從高溫熔體或熔鹽中生長出來的,又稱為硬鐵電體.它們可以歸結為ABO3型,Ba2+,K+、Na+離子處于A位置,而Ti4+、Nb6+、Ta6+離子則處于B位置。
按極化軸多少分
沿一個晶軸方向極化的鐵電體:羅息鹽(RS)、KDP等;
沿幾個晶軸方向極化的鐵電晶體:BaTiO3、Cd2Nb2O7等
按照在非鐵電相時有無對稱中心分類
非鐵電相無對稱中心:鉭鈮酸鉀(KTN)和磷酸二氫鉀(KDP)族的晶體。由于無對稱中心的晶體一般是壓電晶體,故它們都是具有壓電效應的晶體;
非鐵電相時有對稱中心:不具有壓電效應,如BaTiO3、TGS(硫酸三甘肽)以及與它們具有相同類型的晶體。
鐵電材料的用途
    鐵電薄膜具有良好的鐵電性、壓電性、熱釋電性、電光及非線性光學等特性,可廣泛應用于微電子學、光電子學、集成光學和微電子機械系統等領域,是目前高新技術研究的前沿和熱點之一。
思考題:
熱釋電體中是否存在電疇?
說明鐵電體的電滯回線形成的過程?
鐵電體中趨向于形成多疇結構的原因?

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