影響材料導(dǎo)電率的因素[重要課資]

1、 影影響電接觸過程中的導(dǎo)電性能的因素響電接觸過程中的導(dǎo)電性能的因素 報告報告人人:薛博宇薛博宇 SDEM 一、目錄目錄 1.金屬導(dǎo)電的機(jī)理金屬導(dǎo)電的機(jī)理 2.影響金屬基體導(dǎo)電率的因素影響金屬基體導(dǎo)電率的因素 3.金屬的接觸電阻金屬的接觸電阻 2課堂使用 SDEM 1 1、金屬導(dǎo)電的機(jī)理、金屬導(dǎo)電的機(jī)理 經(jīng)典電子論認(rèn)為金屬的電阻是由于電子和晶格碰撞的 結(jié)果, 得出金屬的電導(dǎo)率 ，(=1/） ，式中代表電子的平均自由程，n為金屬中自由電子 的平均密度，e為電子電量，m為電子平均質(zhì)量，V為 電子的運動速度, + + + + + + + + e mvne/ 2 n KT8 v 3課堂使用 從金屬的電子

2、理論導(dǎo)出歐姆定律的微分形式從金屬的電子理論導(dǎo)出歐姆定律的微分形式 設(shè)導(dǎo)體內(nèi)的恒定場強(qiáng)為設(shè)導(dǎo)體內(nèi)的恒定場強(qiáng)為 ，則電子的加速度，則電子的加速度為為 E ee mEemFa/ 電子兩次碰撞的時間間隔為電子兩次碰撞的時間間隔為t ，上次碰撞后的初速，上次碰撞后的初速 度為度為 ，則則 0 v e mtEevv/ 0 統(tǒng)計平均后，初速度的平均值為零，統(tǒng)計平均后，初速度的平均值為零，則則 e mtEev/ 平均時間間隔等于平均自由程除以平均速平均時間間隔等于平均自由程除以平均速率率 vt/ 1 1、金屬導(dǎo)電的機(jī)理、金屬導(dǎo)電的機(jī)理 則由和得平則由和得平均漂移速均漂移速度度 e mvEev/ 電流密度為電流

3、密度為 )/( e mvEenevne Emvne e )/( 2 E 其中，電導(dǎo)率為其中，電導(dǎo)率為 e mvne/ 2 1 1、金屬導(dǎo)電的機(jī)理、金屬導(dǎo)電的機(jī)理 S R L S I L S L I L IR L V E S I 5課堂使用 SDEM 3.3.金屬的接觸電阻金屬的接觸電阻 從從電導(dǎo)率表達(dá)式知：電導(dǎo)率與自由電子的密度成正比，電導(dǎo)率表達(dá)式知：電導(dǎo)率與自由電子的密度成正比， 與電子的平均自由程成正比；還定性地說明了溫度升高與電子的平均自由程成正比；還定性地說明了溫度升高 ，電導(dǎo)率下降的原因。，電導(dǎo)率下降的原因。 1 1、金屬電阻產(chǎn)生的機(jī)理、金屬電阻產(chǎn)生的機(jī)理 e mvne/ 2 6課堂

4、使用 SDEM 2.影響金影響金屬基體導(dǎo)屬基體導(dǎo)電率的電率的因素因素 1、不同的金屬具有不同的電、不同的金屬具有不同的電 子密度。子密度。 2、溫、溫度和金度和金屬的結(jié)構(gòu)缺陷會屬的結(jié)構(gòu)缺陷會 降低電子平均自由程降低電子平均自由程。 7課堂使用 SDEM 2 2.1.1自自由電子密由電子密度不同的金屬導(dǎo)電狀況度不同的金屬導(dǎo)電狀況 + + + + + + + + + + + + + + + + 電場電場 方向方向 + + + + + + + + + AgAl 8課堂使用 SDEM 2 2.1.1自由電子密度不同的金屬導(dǎo)電狀況自由電子密度不同的金屬導(dǎo)電狀況 電子密度電子密度 ，其中，其中m是元素質(zhì)量

5、密度是元素質(zhì)量密度 ，A是元素相對原子量，是元素相對原子量，Z是單個原子提供的自由電子數(shù)是單個原子提供的自由電子數(shù) ，與最外層電子數(shù)相關(guān)。，與最外層電子數(shù)相關(guān)。 幾種元素的自由電子密度幾種元素的自由電子密度 元素自由電子密 度 /cm3 電阻率/ （m） Fe1.69x102310 Cu0.84x10231.75 Al0.6x10232.9 Ag0.58x10231.65 0 2 4 6 8 10 12 0246 電阻率電阻率/（m） 電阻率/（m） 自由電子密度 /cm3 9課堂使用 SDEM 2.22.2常見金屬的電子平均自由程常見金屬的電子平均自由程 金金 屬屬 電子平均電子平均 自由程

6、自由程/nm 電阻率電阻率/ （m） Ag52.71.65 Cu39.31.75 Au35.52.3 Al14.92.9 W14.25.5 0 1 2 3 4 5 6 0102030405060 電阻率電阻率/（m） 電阻率/（m） 電子平均自由程/nm 10課堂使用 SDEM 2.2.12.2.1缺缺陷陷量不同的金屬導(dǎo)電狀況的對比量不同的金屬導(dǎo)電狀況的對比 + + + + + + + + + + + + + + + + 電場電場 方向方向 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 退火態(tài)鋼退火態(tài)鋼淬火態(tài)鋼淬火態(tài)鋼 11課堂使用 SDEM 2.2.12.2.1

7、缺缺陷量不同的金屬導(dǎo)電狀況的對比陷量不同的金屬導(dǎo)電狀況的對比 時時效處理對效處理對CuCr25合金導(dǎo)電合金導(dǎo)電 率的影響率的影響 12課堂使用 SDEM 2.2.22.2.2不同溫度下金屬導(dǎo)電狀況的對比不同溫度下金屬導(dǎo)電狀況的對比 + + + + + + + + + + + + + + + + 電場電場 方向方向 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + AgAl 13課堂使用 SDEM 0 2E-08 4E-08 6E-08 8E-08 0.0000001 1.2E-07 1.4E-07 1.6E-07 1.8E-07 0.0000002 020406080

8、100120 電阻率電阻率m 溫度溫度 Ag Cu Al W 鋼 C 線性 (Ag) 2.2.22.2.2不同溫度下金屬導(dǎo)電狀況的對比不同溫度下金屬導(dǎo)電狀況的對比 14課堂使用 SDEM 2.影影響金屬基體導(dǎo)電率的響金屬基體導(dǎo)電率的因素因素 （1）溫度）溫度 溫度對金屬電阻的影響是由于溫度引起離子晶格溫度對金屬電阻的影響是由于溫度引起離子晶格 熱振動造成對電子波的散射，溫度升高會使離子振動熱振動造成對電子波的散射，溫度升高會使離子振動 加劇、熱振動振幅加大，原子的無序度增加加劇、熱振動振幅加大，原子的無序度增加，而，而使使電電 阻率隨溫度的升高而增加阻率隨溫度的升高而增加。 （2）金屬中的缺陷

9、）金屬中的缺陷 金屬中的各種缺金屬中的各種缺陷，如雜質(zhì)原子、空位、內(nèi)部（晶陷，如雜質(zhì)原子、空位、內(nèi)部（晶 界）的位錯和外部的表面造界）的位錯和外部的表面造成成晶格畸變晶格畸變引起電子波散射引起電子波散射 ，從而影響導(dǎo)電性，從而影響導(dǎo)電性。 。 15課堂使用 SDEM 2.42.4實際應(yīng)用實際應(yīng)用 l 冷冷加工使晶體點陣發(fā)生畸變和產(chǎn)生更多缺陷，從而增加工使晶體點陣發(fā)生畸變和產(chǎn)生更多缺陷，從而增 加了電子散射的幾率加了電子散射的幾率，因而電阻率升高。，因而電阻率升高。 l 金金屬冷加工變形后，若再進(jìn)行退火，則可屬冷加工變形后，若再進(jìn)行退火，則可使電阻降低使電阻降低 ，尤其當(dāng)溫度接近再結(jié)晶溫，尤其當(dāng)

10、溫度接近再結(jié)晶溫度（度（T再再=0.4T熔熔）時）時，電阻，電阻 可恢復(fù)到接近冷加工前的水平。但當(dāng)退火溫度高過再可恢復(fù)到接近冷加工前的水平。但當(dāng)退火溫度高過再 結(jié)晶溫度時電阻反而又增大了。這是再結(jié)晶后新晶粒結(jié)晶溫度時電阻反而又增大了。這是再結(jié)晶后新晶粒 的晶界阻礙了電子運動造成的。的晶界阻礙了電子運動造成的。 16課堂使用 17 3.1 接接觸電阻的理論和計算觸電阻的理論和計算 一、電接觸的定義和分類： 1、定義：電接觸是導(dǎo)體與導(dǎo)體的接觸 處；也稱電接觸是2個或n個導(dǎo)體通過 機(jī)械方式連接，使電流得以通過的狀 態(tài)。 電接觸內(nèi)表面物理圖景 任何用肉眼看來磨得非常光滑的金屬 表面，實際上都是粗糙不平

11、的。 如圖6-1所示，為幾種機(jī)械加工后鋼 表面輪廓圖并與玻璃表面比較。 由圖可知：不同材料、不同加工法、 不同工藝過程所得到的表面微觀狀態(tài)不相 同。 17課堂使用 6-2 接觸電阻的理論和計算 電流通過兩導(dǎo)體電接觸處的主要現(xiàn)象是接觸處出現(xiàn)局部高溫。產(chǎn)生 此現(xiàn)象的原因是電接觸處存在一附加電阻，稱之為接觸電阻。 ab ab U R I ab ab U R I abab UU abab RR jabab RRR Rj即為導(dǎo)體與導(dǎo)體接觸處產(chǎn)生的一附加電阻，這個電阻定義為接觸電阻。 導(dǎo)體電阻比接觸電阻小得多，工程中可近似認(rèn)為：Rj=Rab 3.1 接接觸電阻的理論和計算觸電阻的理論和計算 18課堂使用

12、電接觸學(xué)科的奠基人霍爾姆(R. Holm)指出：任何用肉眼看來磨得非常光滑的金 屬表面，實際上都是粗糙不平的，當(dāng)兩金屬表面互相接觸時，只有少數(shù)凸出的 點(小面)發(fā)生了真正的接觸，其中僅僅是一小部分金屬接觸或準(zhǔn)金屬接觸的斑點 才能導(dǎo)電.當(dāng)電流通過這些很小的導(dǎo)電斑點時，電流線必然會發(fā)生收縮現(xiàn)象，見 下圖6-4的示意圖。 其次，由于金屬表面上有膜的存在，如果實際接觸面之間的薄膜能導(dǎo)電， 則當(dāng)電流通過薄膜時將會受到一定阻礙而有另一附加電阻，稱膜電阻， 它是構(gòu)成接觸電阻的另一個分量。 。式中 Rb：表面間膜電阻； Rs： 收縮電阻。 jb RR s1s2 R +R 3.1 接接觸電阻的理論和計算觸電阻的

13、理論和計算 19課堂使用 3） 金屬表面膜的形成：金屬表面膜的生長與材料種類、環(huán)境介質(zhì)的情 況，以及其它許多復(fù)雜的情況有關(guān)。 以銅和銀為例說明金屬表面膜的形成： a、 以銀為例分析 空氣：銀不易氧化； 臭氧：Ag2O，易清除， 200即分解； 含H2S的空氣：在銀表面水膜中易生成Ag2S絕緣暗膜， 干燥時不易侵蝕銀。Ag2S是半導(dǎo)體，近似于絕緣件。 b、 以銅為例：空氣中，金屬材料表面由吸附膜發(fā)展成肉眼可見的氧化暗膜， 生長規(guī)律理論上由氧化速率的拋物線定律決定，但實際的生長規(guī)律復(fù)雜。 圖6-6示出幾種常見觸頭材料在某些條件下膜的生長厚度與時間的關(guān)系。 6-2 接觸電阻的理論和計算3.2 膜電阻

14、的生成與擊穿膜電阻的生成與擊穿 20課堂使用 4、絕緣暗膜的擊穿： 1） 半導(dǎo)體特征：如果施加一電壓于具有完整的絕緣暗膜的接觸面之間，當(dāng) 電壓U由0升高，膜電阻由M級下降（但一直保持絕緣狀態(tài)），但膜電阻隨 電壓升高而下降；U下降，膜電阻上升。 2） U上升至某臨界值（如5伏），膜被擊穿，膜電阻突然消失，接觸面之間 的電壓立即下降到零點幾伏的數(shù)量級。 圖6-8表示絕緣膜的這種電擊穿過程 絕緣暗膜的電擊穿過程： 實線：加壓或減壓時，膜處于完好 絕緣狀態(tài)； U0：臨界電壓。當(dāng)UU0，膜被擊穿， 用虛線表示，并最終穩(wěn)定在終止 點（Rz，Uz）。 霍爾姆把膜的擊穿稱之為膜的熔解。 6-2 接觸電阻的理論

15、和計算 3.2 膜電阻的生成與擊穿膜電阻的生成與擊穿 21課堂使用 5 5、絕緣暗膜擊穿的機(jī)理：、絕緣暗膜擊穿的機(jī)理： （1 1） 電擊穿：電擊穿：電場內(nèi)部電子發(fā)射，形成電子云，使金屬表面局部加熱直至熔化，電場內(nèi)部電子發(fā)射，形成電子云，使金屬表面局部加熱直至熔化， 由于強(qiáng)大靜電力作用，液態(tài)金屬被吸入放電通道而橋接，最后形成金屬的電由于強(qiáng)大靜電力作用，液態(tài)金屬被吸入放電通道而橋接，最后形成金屬的電 流通路。流通路。 （2 2） 熱擊穿：熱擊穿：由于膜的不均勻性，使電流集中通過局部電導(dǎo)率較高的點，引起由于膜的不均勻性，使電流集中通過局部電導(dǎo)率較高的點，引起 半導(dǎo)體膜的溫度升高，電導(dǎo)率增大，又使電流

16、更加集中和加大，以致發(fā)生最半導(dǎo)體膜的溫度升高，電導(dǎo)率增大，又使電流更加集中和加大，以致發(fā)生最 終的熱擊穿，被熔化的金屬最后引入擊穿通道而橋接。終的熱擊穿，被熔化的金屬最后引入擊穿通道而橋接。 （3 3）機(jī)械擊穿：機(jī)械擊穿： 在接觸元件上施加一定的外力，從而使實際接觸面微觀凸丘接觸在接觸元件上施加一定的外力，從而使實際接觸面微觀凸丘接觸 處獲得極高的應(yīng)力。當(dāng)凸丘受壓變形時，膜亦隨之破裂。或者在兩接處獲得極高的應(yīng)力。當(dāng)凸丘受壓變形時，膜亦隨之破裂?；蛘咴趦山?觸面受壓的同時，使兩表面作相對滾滑，將膜磨碎并剝離。觸面受壓的同時，使兩表面作相對滾滑，將膜磨碎并剝離。 膜的機(jī)械破壞要求實際接觸面上作用有

17、很高的局部壓力，并且邊膜的機(jī)械破壞要求實際接觸面上作用有很高的局部壓力，并且邊 面膜比本體金屬應(yīng)具有大得多的硬度和脆性。為此需要接觸表面有一面膜比本體金屬應(yīng)具有大得多的硬度和脆性。為此需要接觸表面有一 定的粗糙度，使接觸斑點有小的接觸面積，以獲得高的局部接觸壓力，定的粗糙度，使接觸斑點有小的接觸面積，以獲得高的局部接觸壓力， 同時選用適當(dāng)?shù)慕佑|材料和結(jié)構(gòu)。同時選用適當(dāng)?shù)慕佑|材料和結(jié)構(gòu)。 6-2 接觸電阻的理論和計算 3.2 膜電阻的生成與擊穿膜電阻的生成與擊穿 22課堂使用 3.33.3、收縮電阻的影響因素、收縮電阻的影響因素 3. 當(dāng)理想球形與平面接觸時當(dāng)理想球形與平面接觸時 若呈彈塑性變形

18、若呈彈塑性變形,則為：則為： P：壓力：壓力 r：球半徑：球半徑 H：接觸材料的硬度：接觸材料的硬度 (N/m2 )； P H a Rc 89.0 2 23課堂使用 1.現(xiàn)現(xiàn)象：象： 當(dāng)接觸壓力當(dāng)接觸壓力P由小增由小增 大時，收縮電阻大時，收縮電阻Rc 減??；減??； 當(dāng)接觸壓力進(jìn)一步增當(dāng)接觸壓力進(jìn)一步增 大時，大時，Rc的減小變的減小變 得非常緩慢；得非常緩慢； 當(dāng)接觸壓力由大減小當(dāng)接觸壓力由大減小 時，時，Rc的增加極其的增加極其 緩慢。緩慢。 3.3.1 3.3.1 接觸壓力對收縮電阻的影響接觸壓力對收縮電阻的影響 Au接觸表面的收縮電阻與接觸壓 力P的關(guān)系 24課堂使用 材材料料的硬度越高，收縮電阻越大，但硬度提高有利于的硬度越高，收縮電阻越