材料的电导课件.ppt
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- 材料 电导 课件
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1、第二节第二节 离子电导离子电导第三节第三节 电子电导电子电导第五节第五节 半导体陶瓷的物理效应半导体陶瓷的物理效应 一一.电导的宏观参数电导的宏观参数长L,横截面S的均匀导电体,两端加电压V 根据欧姆定律 (5.1)在这样一个形状规则的均匀材料,电流是均匀的,电流密度J在各处是一样的,总电流强度 (5.2)RVI SJI 1.电导率和电阻率 为材料的电阻率,电阻率倒数为电导率,即 ,上式可写为同样 电场强度也是均匀的 (5.3)RLESJ EESRLJ1LSR1EJLEV 把(5.2)(5.3)代入(5.1)则:除以S得: 这是欧姆定律的微分形式,适用于非均匀导体。 微分式说明导体中某点的电流
2、密度正比于该点的电场,比例系数为电导率。2.体积电阻与体积电阻率 图5.1中电流由两部分组成表面电流体积电流sVIII 因而定义体积电阻 表面电阻VVIVR SSIVR 代入上式得:SVRRR111 板状样品厚度(cm), 板状样品电极面积(cm2) 体积电阻率(cm),它是描写材料电阻 性能 的参数,只与材料有关。ShVVRVh表示了总绝缘电阻、体积电阻、表面电阻之间的关系。由于表面电阻与样品表面环境有关,因而只有体积电阻反映材料的导电能力。通常主要研究材料的体积电阻。体积电阻RV与材料性质及样品几何尺寸有关S 对于管状试样:xldxdRVV212ln2221rrlxdxlRVrrVV对于圆
3、片试样:两环形电极 、 间为等电位,其表面电阻可以忽略。设主电阻 的有效面积为21rhShIVVVVR21rSa如果要得到更精确的测定结果,可采用下面的经验公式:ga则体积电阻IVhrV212214rrS221)(4rrhRVVIVhrrV4)(221l为电极间的距离,b为电极的长度,s为样品的表面电阻率。圆片试样,环形电极的内外径分别为r1,r2blSSR2ln21221rrxdxRsrrss (板状试样)3.表面电阻与表面电阻率4.直流四端电极法如图5.6 VIsl室温下测量电导率通常采用四探针法,测得电导率为:如果 ,则llllllVI32213111112llll321lVI2二二.电
4、导的物理特性电导的物理特性1.载流子(电荷的自由粒子) 无机材料中的载流子可以是电子(负电子,空穴),离子(正、负离子,空位)。载流子为离子的电导为离子电导,载流子为电子的电导为电子电导。1)霍尔效应 电子电导的特性是具有霍尔效应。 沿试样x轴方向通入电流I(电流密度Jx),Z轴方向加一磁场Hz,那么在y轴方向上将产生一电场Ey,这一现象称为霍尔效应。所产生电场为:HJREzxHy根据电导率公式 ,则enRiH1iienHHRRH为霍尔系数。若载流子浓度为ni,则( 称为霍尔迁移率)H2)电解效应(离子电导特征)法拉第电解定律: 电解物质的量 通过的电量 电化当量 法拉第常数FQCQg 霍尔效
5、应的产生是由于电子在磁场作用下,产生横向移动的结果,离子的质量比电子大得多,磁场作用力不足以使它产生横向位移,因而纯离子电导不呈现霍尔效应。利用霍尔效应可检验材料是否存在电子电导。gQCF 2.迁移率和电导率的一般表达式 物体的导电现象,其微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。设单位截面积为 ,在单位体积 内载流子数为 ,每一载流子的电荷量为 ,则单位体积内参加导电的自由电荷为 。21cmS31cm3cmnqnq如果介质处在外电场中,则作用于每一个载流子的力等于 。在这个力的作用下,每一载流子在 方向发生漂移,其平均速度为 。容易看出,单位时间(1s)通过单位截面 的电荷量为qEEscmvS
6、nqvJ J电流密度SIJ 根据欧姆定律shREEJ 该式为欧姆定律最一般的形式。因为 、 只决定于材料的性质,所以电流密度 与几何因子无关,这就给讨论电导的物理本质带来了方便。J由上式可得到电导率为EnqvEJ令 (载流子的迁移率)。其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度。Evnq iiiiiiqn电导率的一般表达式为 上式反映电导率的微观本质,即宏观电导率 与微观载流子的浓度 ,每一种载流子的电荷量 以及每一种载流子的迁移率的关系。qn第二节第二节 离子电导离子电导 离子晶体中的电导主要为离子电导。晶体的离子电导主要有两类:第一类,固有离子电导(本征电导),源于晶体点阵的基本离子的运动。
7、离子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷。(高温下显著)第二类,杂质电导,由固定较弱的离子运动造成的。(较低温度下杂质电导显著) 一一.载流子浓度载流子浓度 对于固有电导(本征电导),载流子由晶体本身热缺陷弗仑克尔缺陷和肖脱基缺陷提供。 弗仑克尔缺陷的填隙离子和空位的浓度相等。都可表示为:kTENNff2exp 单位体积内离子结点数 形成一个弗仑克尔缺陷所需能量肖脱基空位浓度,在离子晶体中可表示为:NfEkTENNss2exp 单位体积内离子对数目 离解一个阴离子和一个阳离子并到达表面所 需能量。NsE 热缺陷的浓度决定于温度T和离解能 。常温下 比起 来很小,因而只有在高温下,热缺陷浓度才显著大
8、起来,即固有电导在高温下显著。 杂质离子载流子的浓度决定于杂质的数量和种类。因为杂质离子的存在,不仅增加了电流载体数,而且使点阵发生畸变,杂质离子离解活化能变小。和固有电导不同,低温下,离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定。kTEE 下面讨论间隙离子在晶格间隙的扩散现象。间隙离子处于间隙位置时,受周围离子的作用,处于一定的平衡位置(半稳定位置)。它从一个间隙位置跃入相邻原子的间隙位置,需克服一个高度为 的“势垒”。完成一次跃迁,又处于新的平衡位置上。二二.离子迁移率离子迁移率0U 无外加电场时,间隙离子在晶体中各方向的迁移次数都相同,宏观上无电荷定向运动,故介质中无电导现象。加上电场后,由于
9、电场力作用,晶体中间隙离子势垒不再对称。对于正离子顺电场方向“迁移”容易,反电场方向迁移困难。 某一间隙离子由于热运动, 越过位势垒。根据玻尔兹曼统计规律,单位时间沿某一方向跃迁的次数为:kTUvP00exp6间隙离子在半稳定位置上振动的频率。0v 则顺电场方向和逆电场方向填隙离子单位时间内跃迁次数分别为:设电场 在 距离上造成的位势差2E22qEFUkTUUPkTUUP0000exp6exp6逆顺 则单位时间内每一间隙离子沿电场方向的剩余跃迁速度为:PkTUkTUkTUkTUUkTUUPPexpexpexp6expexp600000逆顺每跃迁一次距离为,迁移速度为vVkTUkTUkTUPex
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