第十章-材料的電學(xué)性能

第十章材料的電學(xué)性能

導(dǎo)電性能介電性能

第一節(jié)導(dǎo)電性能第二節(jié)熱電性能第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)第四節(jié)介質(zhì)極化與介電性能第五節(jié)電介質(zhì)的介質(zhì)損耗第六節(jié)絕緣材料的抗電強(qiáng)度一、電阻與導(dǎo)電的基本概念導(dǎo)電：在材料兩端施加電壓時(shí)，有電流流過(guò)的現(xiàn)象。歐姆定律：I=V/R電阻R：與材料的性質(zhì)、尺寸有關(guān)。電阻率ρ：表示單位長(zhǎng)度和單位面積上導(dǎo)電體的電阻值；只與材料本性有關(guān)，而與導(dǎo)體的幾何尺寸無(wú)關(guān)；是評(píng)定導(dǎo)電性的基本參數(shù)；單位：Ω·m。10.1導(dǎo)電性能一、電阻與導(dǎo)電的基本概念電阻率愈小，電導(dǎo)率愈大，材料導(dǎo)電性能越好。

絕緣體，ρ＞1010

Ω·m材料分類半導(dǎo)體，ρ=10-2~1010

Ω·m(根據(jù)導(dǎo)電性好壞)導(dǎo)體，ρ＜10-2

Ω·m

不同材料的導(dǎo)電能力相差很大，這決定于結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電本質(zhì)。電導(dǎo)率σ：

(1)經(jīng)典電子理論

金屬晶體中，自由電子定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，要不斷與正離子發(fā)生碰撞，使電子受阻，這是產(chǎn)生電阻的原因。(2)量子自由電子理論金屬中每個(gè)原子的內(nèi)層電子保持著單個(gè)原子時(shí)的能量狀態(tài)，而所有價(jià)電子按量子化規(guī)律具有不同的能量狀態(tài)，即具有不同的能級(jí)。二、導(dǎo)電機(jī)理能帶理論能很好地解釋金屬、絕緣體、半導(dǎo)體等的導(dǎo)電性。金屬中的價(jià)電子是公有化和能量是量子化，且金屬中由離子造成的勢(shì)場(chǎng)是呈周期變化的。(3)能帶理論

電子在周期勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，能量隨位置呈周期變化，使得價(jià)電子在金屬中以不同能量狀態(tài)分布的能帶發(fā)生分裂，即有某些能態(tài)是電子不能取值的，如能隙AB和CD。周期勢(shì)場(chǎng)中電子運(yùn)動(dòng)的E-K曲線及能帶E:自由電子的動(dòng)能；K：波數(shù)頻率，K=2π/λ(3)能帶理論①當(dāng)-K1<K<K1時(shí)，E-K曲線按拋物線規(guī)律連續(xù)變化。②當(dāng)K=±K1時(shí)，只要K稍微增大，E便從A跳到B，在A和B之間存在一個(gè)能隙ΔE1③同樣，當(dāng)K=±K2時(shí)，能帶也發(fā)生分裂，存在能隙ΔE2。

禁帶：能隙的存在意味著禁止電子具有A和B與C和D之間的能量，能隙所對(duì)應(yīng)的能帶。允帶：電子可以具有的能級(jí)所組成的能帶。允帶與禁帶相互交替，形成了材料的能帶結(jié)構(gòu)。(3)能帶理論空能級(jí)指允帶中未被電子填滿的能級(jí)。導(dǎo)帶：具有空能級(jí)的允帶中的電子是自由的，在外電場(chǎng)作用下參與導(dǎo)電，這樣的允帶稱為導(dǎo)帶。滿帶：一個(gè)允帶所有的能級(jí)都被電子填滿的能帶。(3)能帶理論

導(dǎo)體：允帶內(nèi)的能級(jí)未被填滿，允帶之間沒有禁帶或允帶相互重疊，圖a、b、c；在外電場(chǎng)的作用下電子很容易從一個(gè)能級(jí)轉(zhuǎn)到另一個(gè)能級(jí)而產(chǎn)生電流；具有這種能帶結(jié)構(gòu)的材料稱為導(dǎo)體。所有金屬都屬于導(dǎo)體。

絕緣體：一個(gè)滿帶上面相鄰的是一個(gè)較寬的禁帶，圖d，由于滿帶中的電子沒有活動(dòng)的余地，即使禁帶上面的能帶完全是空的，在外電場(chǎng)的作用下電子也很難跳過(guò)禁帶，即不能產(chǎn)生電流。

半導(dǎo)體：半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相同，但其禁帶較窄，圖e；在熱、光輻射等作用下，滿帶中的電子就有能量可能躍遷到空帶中去。這樣，在空帶中出現(xiàn)導(dǎo)電電子，在滿帶中出現(xiàn)電子空穴。

本征導(dǎo)電：空帶中的電子導(dǎo)電和滿帶中的空穴導(dǎo)電同時(shí)存在的導(dǎo)電方式。

本征半導(dǎo)體：具有本征導(dǎo)電特性的半導(dǎo)體。

n型半導(dǎo)體：載流子是空帶中的電子，

p型半導(dǎo)體：載流子是滿帶中的空穴。

超導(dǎo)性：一定溫度條件下材料突然失去電阻的現(xiàn)象。

超導(dǎo)態(tài)：材料沒有電阻的狀態(tài)。

正常態(tài)：材料有電阻的狀態(tài)。由于沒有電阻，超導(dǎo)體是等電位體，其內(nèi)部沒有電場(chǎng)。

臨界溫度Tc：材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度。三、超導(dǎo)電性①完全導(dǎo)電性：將應(yīng)力外磁場(chǎng)突然去掉，通過(guò)磁感應(yīng)作用產(chǎn)生永不衰減的感生電流(永久電流)。

②完全抗磁性：超導(dǎo)狀態(tài)的金屬，內(nèi)部B始終為零。不僅外加磁場(chǎng)不能進(jìn)入超導(dǎo)體的內(nèi)部，而且原來(lái)處于磁場(chǎng)中的正常態(tài)樣品，當(dāng)溫度下降使其變成超導(dǎo)體時(shí)，也會(huì)把原來(lái)在體內(nèi)的磁場(chǎng)完全排出去。超導(dǎo)體具有屏蔽磁場(chǎng)和排除磁通的性能。超導(dǎo)電性的兩個(gè)基本特征：①臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc：超導(dǎo)體溫度<Tc時(shí)，便出現(xiàn)完全導(dǎo)電和完全抗磁性，Tc越高，越有利于應(yīng)用。②臨界磁場(chǎng)Hc

：T＜Tc時(shí)，將超導(dǎo)體放入磁場(chǎng)中，若H＞Hc，則磁力線穿入超導(dǎo)體，超導(dǎo)體被破壞而成為正常態(tài)。Hc是破壞超導(dǎo)態(tài)的最小磁場(chǎng)。超導(dǎo)電性的三個(gè)重要性能指標(biāo)：③臨界電流密度Jc

：如果輸入電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)之和超過(guò)臨界磁場(chǎng)，則超導(dǎo)態(tài)被破壞，此時(shí)輸入的電流為臨界電流。H增加，Jc

必須相應(yīng)地減小，以使磁場(chǎng)總和不超過(guò)Hc

而保持超導(dǎo)態(tài)。

Jc

是材料保持超導(dǎo)態(tài)的最大輸入電流密度。超導(dǎo)電性的三個(gè)重要性能指標(biāo)：①臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc

②臨界磁場(chǎng)Hc

③臨界電流密度Jc超導(dǎo)電性的三個(gè)重要性能指標(biāo)：1、掌握鐵磁性的本質(zhì)，鐵磁體的兩大特征，磁疇結(jié)構(gòu)的大小，磁化曲線和磁滯回線，鐵磁材料的性能指標(biāo)。2、利用能帶結(jié)構(gòu)分析材料的導(dǎo)電性差異。3、熟悉超導(dǎo)體的概念，掌握超導(dǎo)體的兩個(gè)特征和三個(gè)性能指標(biāo)。上節(jié)回顧溫度冷塑性變形和應(yīng)力化學(xué)成分……四、影響材料導(dǎo)電性的因素金屬電阻率隨溫度升高而增大。①>ΘD，純金屬ρt與T關(guān)系：α：電阻溫度系數(shù)；ρ0：標(biāo)準(zhǔn)態(tài)(20℃)的電阻率；ΔT：環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的溫差。②2K＜T＜ΘD，ρ∝T5；③T＜2K，ρ∝T2；

1、溫度的影響

(1)冷塑性變形使金屬電阻率增大:①冷塑性變形使晶體點(diǎn)陣畸變和晶體缺陷(尤其是空位)增加，造成點(diǎn)陣電場(chǎng)的不均勻，加劇對(duì)電磁波的散射；②冷塑性變形改變?cè)娱g距；

(2)回復(fù)再結(jié)晶可使電阻率顯著恢復(fù)：①回復(fù)處理可顯著降低點(diǎn)缺陷濃度，使ρ明顯恢復(fù)；②再結(jié)晶退火可消除形變時(shí)的點(diǎn)陣畸變和晶體缺陷，使ρ恢復(fù)到冷變形前的水平。2、冷塑性變形和應(yīng)力的影響

(1)冷塑性變形使金屬電阻率增大:

(2)回復(fù)再結(jié)晶可使電阻率顯著恢復(fù)：

(3)淬火保留了高溫時(shí)的點(diǎn)缺陷，使ρ升高。

(4)拉應(yīng)力使原子間距增大，ρ上升；壓應(yīng)力則相反。2、冷塑性變形和應(yīng)力的影響(1)固溶體導(dǎo)電性①一般地，盡管ρ溶質(zhì)<ρ溶劑時(shí)，形成固溶體合金的ρ增高：

a、溶入溶質(zhì)原子→引起點(diǎn)陣畸變→電阻增大；

b、組元間化學(xué)相互作用→有效電子數(shù)減少→ρ增加。3、合金化對(duì)導(dǎo)電性的影響

純金屬的導(dǎo)電性：與其在元素周期表中的位置有關(guān)，由其能帶結(jié)構(gòu)決定。

合金的導(dǎo)電性較復(fù)雜：當(dāng)金屬元素形成合金后，其異類原子引起點(diǎn)陣畸變，組元間相互作用引起有效電子數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)、合金組織結(jié)構(gòu)等的變化。3、合金化對(duì)導(dǎo)電性的影響溶質(zhì)濃度較小時(shí)，固溶體ρs的變化規(guī)律符合馬基申定律：ρs1：溶劑電阻率；ρs2：溶質(zhì)引起的電阻率；ρs2=γcξ，rc：溶質(zhì)的量比，ξ：1%溶質(zhì)量比的附加電阻率。

固溶體電阻由兩部分組成：

①溶劑電阻(即純金屬電阻)，隨T增大；

②溶質(zhì)引起的附加電阻，與T無(wú)關(guān)，只與溶質(zhì)濃度有關(guān)。(1)固溶體導(dǎo)電性②固溶體有序化，有利于改善離子電場(chǎng)的規(guī)整性，↓電子散射，電阻↓。③不均勻固溶體，即溶質(zhì)原子產(chǎn)生偏聚，電子散射↑，電阻↑。④T不變時(shí)，冷變形使ρs增大的幅度大于純金屬的情況。(1)固溶體導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電能力都較差，其電導(dǎo)率比各組元的要小得多：組成化合物后，原子間的部分金屬鍵轉(zhuǎn)變?yōu)楣矁r(jià)鍵或離子鍵，使導(dǎo)電電子數(shù)減少。由于鍵合性質(zhì)的改變，金屬因形成金屬間化合物而變成半導(dǎo)體，甚至完全失去導(dǎo)電性。(2)金屬化合物的導(dǎo)電性

多組相合金的導(dǎo)電性，既與組成相的導(dǎo)電性及相對(duì)量有關(guān)，還與組成相的形貌有關(guān)，即與合金的組織形態(tài)有關(guān)。

(3)多相合金的電阻率

ρ是一個(gè)組織結(jié)構(gòu)敏感的物理量，多相合金ρ很難定量計(jì)算。

退火態(tài)的二元合金組織為兩相機(jī)械混合物時(shí)，若組成相的ρ接近，則電導(dǎo)率與兩組元的體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系。常近似認(rèn)為多相合金的電阻率為各相電阻率的加權(quán)平均。(3)多相合金的電阻率10.1導(dǎo)電性能①固溶體的電阻率隨成分呈曲線增加；②兩相混合物的電阻率隨成分呈線性增加(大約是兩相電阻率的加權(quán)平均值)；③除有序固溶體外，合金化均使金屬的電阻率增加。電阻率是對(duì)成分、組織、結(jié)構(gòu)極為敏感的物理參量，能靈敏反映材料內(nèi)部的微弱變化。

電阻分析：通過(guò)測(cè)量電阻率的變化來(lái)研究金屬與合金的組織結(jié)構(gòu)變化。2、電阻分析的應(yīng)用由于很容易對(duì)材料的許多物理過(guò)程進(jìn)行ρ的跟蹤測(cè)量，電阻分析法在材料科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用，如①研究過(guò)飽和固溶體的脫溶和溶質(zhì)元素的回溶、②測(cè)定固溶體的溶解度曲線、③研究合金的時(shí)效、④研究合金的不均勻固溶體的形成、⑤研究合金有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變等。總之，凡是轉(zhuǎn)變前后或轉(zhuǎn)變過(guò)程中有電阻變化的現(xiàn)象，都可利用電阻分析法進(jìn)行研究。2、電阻分析的應(yīng)用原理：①固溶體的電阻率隨溶質(zhì)原子呈曲線增加；②兩相混合物的電阻率大約是兩相電阻率的加權(quán)平均值；③淬火可以保留高溫時(shí)的固溶度。

(1)測(cè)量固溶體的溶解度曲線步驟：①制成一組不同成分的試樣，在t1溫度加熱保溫，使組織成分均勻，再淬火，以保留其在t1時(shí)的組織。②分別測(cè)定上述試樣的電阻，算出ρ，作出溫度t1下加熱淬火的ρ-w曲線，即電阻率與成分的關(guān)系。③在t2、t3等一系列溫度下加熱淬火，用同樣方法得到相應(yīng)的ρ-w曲線。④每條曲線都有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)a1，…，每點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)成分B1,…，將這些點(diǎn)在成分-溫度圖上連接，就得到溶解度曲線。

(1)測(cè)量固溶體的溶解度曲線形狀記億合金是一種新型功能材料，其記憶原理與熱彈性M可逆轉(zhuǎn)變有關(guān)。形狀記憶合金的重要參數(shù)：①馬氏體向母相轉(zhuǎn)變的As和Af；②母相向馬氏體轉(zhuǎn)變的Ms及Mf。根據(jù)母相與馬氏體的電阻不同，將形狀記憶合金試樣連續(xù)加熱和冷卻，測(cè)量其R-T曲線，得出轉(zhuǎn)變溫度。(2)測(cè)定形狀記憶合金中的相變溫度將形狀記憶合金試樣連續(xù)加熱和冷卻，測(cè)量其R-T曲線。①?gòu)氖覝丶訜幔R氏體試樣R基本隨T線性增大；

達(dá)到As

時(shí)馬氏體開始向母相轉(zhuǎn)變，電阻向下偏離直線變化，

T繼續(xù)↑，轉(zhuǎn)變量↑，R繼續(xù)↓；

完全轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶鄷r(shí)R隨T線性增加，這就是Af

點(diǎn)。②冷卻時(shí)與加熱時(shí)相反，R先隨T線性下降；母相向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)上升，轉(zhuǎn)變終了時(shí)繼續(xù)下降，由此得Ms

及Mf

點(diǎn)。(2)測(cè)定形狀記憶合金中的相變溫度1、電阻測(cè)量方法(1)雙電橋法

雙電橋法是測(cè)量小電阻的常用方法，測(cè)量精度較高。(2)電位差計(jì)法測(cè)量小電阻有很高的精度。(3)安培-伏特計(jì)法(4)直流四端電極法五、導(dǎo)電性的測(cè)量及應(yīng)用10.2熱電性能

金屬與合金的熱電勢(shì)是一個(gè)組織結(jié)構(gòu)敏感的物理量。通過(guò)熱電勢(shì)分析，可以研究金屬與合金的成分及組織變化規(guī)律。

賽貝克效應(yīng)(熱電第一效應(yīng))金屬的熱電效應(yīng)珀?duì)栙N效應(yīng)(熱電第二效應(yīng))

湯姆遜效應(yīng)(熱電第三效應(yīng))

金屬不同，其自由電子的能量狀態(tài)也不同。

接觸電勢(shì)：某溫度下，當(dāng)金屬A與金屬B相接觸時(shí)，若A的電子能量高，則電子從A流向B，使A的電子減少、電位變正，B的電子增加、電位變負(fù)，從而在A與B間產(chǎn)生一個(gè)靜電勢(shì)VAB。此靜電勢(shì)通常稱為接觸電勢(shì)。1、珀?duì)柼?yīng)帕爾帖效應(yīng)：由于接觸電勢(shì)的存在，若沿AB方向通電流，則接觸點(diǎn)處要吸收熱量；若反向通電，則接觸點(diǎn)放熱；這種現(xiàn)象稱為珀?duì)栙N效應(yīng)。

帕爾帖熱：吸收或放出的熱量Qp。PAB為帕爾帖系數(shù)或帕爾帖電勢(shì)，與金屬的本性和溫度有關(guān)。Qp可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。1、珀?duì)柼?yīng)沿AB方向通電流，則接觸點(diǎn)處要吸收熱量，這是由于：接觸點(diǎn)處，電子從A流向B；沿AB通電，則電子從B流向A；接觸點(diǎn)處由A流向B的電子受阻，電子減速；減速的電子又與金屬原子碰撞，從金屬原子取得動(dòng)能，從而使該處溫度降低，需從外界吸收熱量。

湯姆遜效應(yīng)：當(dāng)一根金屬導(dǎo)線兩端溫度不同時(shí)，若通以電流，則在導(dǎo)線中除產(chǎn)生焦耳熱外，還要產(chǎn)生額外的吸放熱現(xiàn)象。電流方向與導(dǎo)線中熱流方向一致時(shí)產(chǎn)生放熱效應(yīng)，反之則產(chǎn)生吸熱效應(yīng)。吸收或放出的熱量稱為湯姆遜熱QT，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。S為湯姆遜系數(shù)，I為電流，t為通電時(shí)間，ΔT為導(dǎo)線兩端溫差。2、湯姆遜效應(yīng)當(dāng)兩種不同的金屬或合金A、B聯(lián)成閉合回路，且兩接點(diǎn)處溫度不同，則回路中將產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。3、賽貝克效應(yīng)賽貝克效應(yīng)的實(shí)質(zhì)在于接觸電勢(shì)的產(chǎn)生：兩種金屬接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)VAB，其電勢(shì)差大小取決于金屬的電子逸出功V和電子濃度N。T1＞T23、賽貝克效應(yīng)熱電勢(shì)：當(dāng)此兩金屬頭尾相接時(shí)，若兩接觸點(diǎn)溫度不同，則兩接觸點(diǎn)的接觸電位也不同，從而在回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)εAB：T1＞T23、賽貝克效應(yīng)熱電勢(shì)方向：規(guī)定在熱端，若電流由A流向B，則B正A負(fù)。T1＞T23、賽貝克效應(yīng)1、溫度的測(cè)量由賽貝克效應(yīng)，熱電勢(shì)與兩接點(diǎn)的溫差成正比。如果保持冷端溫度T2不變，則熱電勢(shì)與熱端溫度T1成正比。實(shí)際上，熱電勢(shì)還受其他因素影響，常用經(jīng)驗(yàn)公式為T為熱端的溫度(冷端為0℃)，a、b、c為材料參數(shù)。二、熱電效應(yīng)的應(yīng)用中間金屬定律：如果在兩根不同的金屬絲之間串聯(lián)另一種金屬，只要串聯(lián)金屬兩端的溫度相同，則回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)只與原有的兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)，而與串聯(lián)入的中間金屬無(wú)關(guān)。1、溫度的測(cè)量利用賽貝克效應(yīng)和中間金屬定律，可制成熱電偶來(lái)測(cè)量溫度。

熱電偶工作原理：將兩種不同金屬的一端焊在一起，作為熱端，放入待測(cè)溫度的環(huán)境中；而將另一端分開，并保持恒溫(通常為室溫)，并分別串接補(bǔ)償導(dǎo)線(第三金屬或中間金屬)，再接入電位差計(jì)，測(cè)量熱電勢(shì)，反過(guò)來(lái)計(jì)算(查表)熱端溫度。1、溫度的測(cè)量熱電偶中間金屬定律：均質(zhì)導(dǎo)體定律：熱電偶必須由兩種不同的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成。若熱電極材料不均勻，由于溫度梯存在，將會(huì)產(chǎn)生附加熱電勢(shì)。中間溫度定律：熱電偶回路兩接點(diǎn)(溫度為T、T0)間的熱電勢(shì)，等于熱電偶在溫度為T、Tn時(shí)的熱電勢(shì)與在溫度為Tn、T0時(shí)的熱電勢(shì)的代數(shù)和。Tn稱中間溫度。熱電偶基本定律熱電偶種類很多，已研制的組合約300種，標(biāo)準(zhǔn)化的15種，廣泛應(yīng)用的有8種，最常見：鉑銠-鉑(1700℃)、鎳鉻-鎳硅(靈敏度高、電勢(shì)與溫度成正比)、銅-康銅(15K~室溫范圍內(nèi)有高的靈敏度)、金鈷合金-銅(低于4K)、金鐵合金-鎳鉻等(低于4K)。1、溫度的測(cè)量利用熱電材料制備的“熱-電”轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)材料內(nèi)部的載流子運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)“熱能”和“電能”的直接相互轉(zhuǎn)換，可用于溫差發(fā)電(賽貝克效應(yīng))及電制冷(珀?duì)栙N效應(yīng))。2、熱-電轉(zhuǎn)換1、金屬本性：電子逸出功、自由電子密度

2、溫度

3、合金化：固溶體(懸鏈?zhǔn)?、金屬化合物(突變或顯著增加)、多相合金(加權(quán)平均)

4、鋼中含碳量及其組織狀態(tài)純鐵與鋼組成熱電偶時(shí)，其熱電勢(shì)鐵為正、鋼為負(fù)；鋼中的含碳量越高熱電勢(shì)越負(fù)，鐵與鋼組成的熱電偶的熱電勢(shì)就越大。含碳量相同時(shí)，淬火態(tài)比退火態(tài)的熱電勢(shì)要高。三、影響熱電勢(shì)的因素材料的熱電勢(shì)除可作為測(cè)溫用的熱電偶外，還可用以材料科學(xué)研究。①馬氏體的回火轉(zhuǎn)變(P194)、②合金的時(shí)效、③加工硬化奧氏體的轉(zhuǎn)變、④不同牌號(hào)鋼材的鑒別等。四、熱電勢(shì)的測(cè)量與應(yīng)用

10.3半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)

半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)(圖e)與絕緣體的(圖d)相同，但其禁帶較窄(約1eV)；半導(dǎo)體在外界作用下如熱、光輻射等，滿帶中的電子就有能量，可能躍遷到空帶中去。這樣，在空帶中出現(xiàn)電子導(dǎo)電，在滿帶中出現(xiàn)空穴導(dǎo)電。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性受環(huán)境影響很大，產(chǎn)生了一些半導(dǎo)體敏感效應(yīng)：熱敏效應(yīng)、光敏效應(yīng)、壓敏效應(yīng)、磁敏效應(yīng)、氣敏效應(yīng)、光磁效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、熱電效應(yīng)等

半導(dǎo)體的導(dǎo)電，主要由電子和空穴產(chǎn)生的。T↑，自由電子數(shù)和空穴數(shù)↑，電導(dǎo)率↑、電阻率↓。

B為材料的電導(dǎo)活化能，與材料有關(guān)。某些材料的B值很大，在感受微弱溫度變化時(shí)的電阻率變化十分明顯。具有熱敏特性的半導(dǎo)體可制成各種熱敏溫度計(jì)、電路溫度補(bǔ)償器、無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)、熱敏電阻等。一、熱敏效應(yīng)

光電導(dǎo)：光的照射使某些半導(dǎo)體的電阻率↓↓的現(xiàn)象。

機(jī)理：具有一定能量的光子照射到半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體接收光子能量，受到激發(fā)，半導(dǎo)體材料產(chǎn)生大量的自由電子和空穴，促使電阻率急劇下降。

條件：光子的能量必須大于半導(dǎo)體禁帶寬度。

用途：光敏電阻器，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制系統(tǒng)，如光敏電阻可實(shí)現(xiàn)照明自動(dòng)化等。二、光敏效應(yīng)

1、電壓敏感效應(yīng)

某些半導(dǎo)體材料對(duì)電壓的變化很敏感，如半導(dǎo)體氧化鋅陶瓷，通過(guò)它的電流和電壓不是線性關(guān)系，即電阻隨電壓改變。用具有壓敏特征的材料可制成壓敏電阻，可用于過(guò)電壓吸收、高壓穩(wěn)壓、避雷器等。2、壓力敏感效應(yīng)

由于壓力作用使電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。

三、壓敏效應(yīng)(電壓敏感效應(yīng)和壓力敏感效應(yīng))1、霍爾效應(yīng)將通有電流的半導(dǎo)體放在均勻磁場(chǎng)中，設(shè)電場(chǎng)沿x方向，電場(chǎng)強(qiáng)度Ex；磁場(chǎng)與電場(chǎng)垂直，沿z方向，磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度為Bz，則在電場(chǎng)和磁場(chǎng)平面的法線方向y將產(chǎn)生一個(gè)橫向電場(chǎng)Ey，這個(gè)現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栯妶?chǎng)Ey與電流密度Jx和Bz成正比。

根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的霍爾器件在測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及信息處理等方面得到廣泛應(yīng)用。

四、磁敏效應(yīng)（霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)）

半導(dǎo)體中，在垂直于電流的方向施加磁場(chǎng)，使電流密度降低，即由于磁場(chǎng)的存在使半導(dǎo)體的電阻增大的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。通常用電阻率的相對(duì)變化來(lái)表示磁阻。2、磁阻效應(yīng)10.4介質(zhì)極化與介電性能一、極化的基本概念二、極化的基本形式三、介電常數(shù)極化現(xiàn)象：在真空平行板電容器的電極板間嵌入介質(zhì)并在電極之間加以外電場(chǎng)時(shí)，則會(huì)在介質(zhì)表面感應(yīng)出電荷，即正極板附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出負(fù)電荷，負(fù)極板附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出正電荷。這種感應(yīng)電荷不會(huì)跑到對(duì)面極板上形成電流，因此稱它們?yōu)槭`電荷。電介質(zhì)極化示意圖一、極化的基本概念

介質(zhì)的極化：介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象。這類材料稱為電介質(zhì)，可分為極性介質(zhì)和非極性介質(zhì)。電介質(zhì)極化示意圖一、極化的基本概念

沒有電場(chǎng)時(shí)，其正負(fù)電荷中心重合，對(duì)外不顯示極性。電偶極子：當(dāng)外電場(chǎng)作用時(shí)，粒子的正電荷沿著電場(chǎng)方向移動(dòng)，負(fù)電荷逆著電場(chǎng)方向移動(dòng)，形成電偶極子。正電荷和負(fù)電荷的電量大小相等。電偶極矩：正電荷與負(fù)電荷的位移矢量為u，則此偶極子的電偶極矩μ=qu，并規(guī)定其方向從負(fù)電荷指向正電荷。外電場(chǎng)越強(qiáng)，電偶極矩越大。電介質(zhì)極化示意圖電偶極子1、非極性介質(zhì)

沒有電場(chǎng)時(shí)，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，電偶極矩的排列是無(wú)序的，整個(gè)介質(zhì)呈電中性，對(duì)外也不顯示極性。施加外電場(chǎng)時(shí)，電偶極矩有轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向的趨勢(shì)。

外電場(chǎng)越強(qiáng)，分子偶極子的排列越整齊，電介質(zhì)表面的束縛電荷也越多，電極化的程度越高。極性和非極性介質(zhì)在外電場(chǎng)取消后，束縛電荷隨之消失。2、極性介質(zhì)：每個(gè)分子存在固有電偶極矩

(1)極化率α

單位電場(chǎng)強(qiáng)度下，介質(zhì)粒子的電偶極矩的大小。

α=μ/ElocEloc為作用在粒子上的局部電場(chǎng)。α表征材料的極化能力，只與材料的性質(zhì)有關(guān)，單位F·m2。

(2)極化強(qiáng)度矢量P

電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的極化程度。

P表征單位體積中介質(zhì)的感生電偶極矩，簡(jiǎn)稱電矩。介質(zhì)極化的主要性能指標(biāo)：介質(zhì)的極化由電子極化、離子極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化組成的。極化的基本形式：①位移式極化：彈性的、瞬時(shí)完成的極化，不消耗能量，是一種自發(fā)過(guò)程，有電子位移極化和離子位移極化。

②松弛極化：與粒子的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，屬于非彈性極化，需要一定的時(shí)間，要消耗能量，是不可逆過(guò)程，有電子松弛極化和離子松弛極化。

偶極子轉(zhuǎn)向極化：在極性分子介質(zhì)中，是一個(gè)可逆過(guò)程。二、極化的基本形式

介電常數(shù)ε：表示電容器(兩極板間)在有電介質(zhì)時(shí)的電容與在真空狀態(tài)(無(wú)電介質(zhì))時(shí)的電容相比較時(shí)的增長(zhǎng)倍數(shù)。是綜合反映電介質(zhì)極化行為的一個(gè)主要宏觀物理量。三、介電常數(shù)

①松弛極化：T↑、ε↑；②位移極化和轉(zhuǎn)向極化：T↑、ε↓。③頻率④電場(chǎng)強(qiáng)度四、影響介電常數(shù)的因素

10.5電介質(zhì)的介質(zhì)損耗

任何電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，總是或多或少地把部分電能轉(zhuǎn)成熱能使介質(zhì)發(fā)熱。

介質(zhì)損耗：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，在單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱為電介質(zhì)的耗損功率，簡(jiǎn)稱介質(zhì)損耗。10.5電介質(zhì)的介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗是應(yīng)用于交流電場(chǎng)中電介質(zhì)的重要品質(zhì)指標(biāo)之一。電介質(zhì)在電工或電子工業(yè)上的重要職能是直流絕緣和貯存能量，所以介質(zhì)損耗不但消耗了能量，而且由于溫度上升可能影響元器件的正常工作。

介質(zhì)損耗越小越好。10.5電介質(zhì)的介質(zhì)損耗

介質(zhì)的損耗形式：電導(dǎo)(漏導(dǎo))損耗、極化損耗、電離損耗、結(jié)構(gòu)損耗、宏觀結(jié)構(gòu)不均勻的介質(zhì)損耗。

影響材料介電損耗的因素：①材料結(jié)構(gòu)本身的影響：電導(dǎo)損耗、極化損耗②外界環(huán)境或試驗(yàn)條件的影響：頻率和溫度10.6絕緣材料的抗電強(qiáng)度一、強(qiáng)電場(chǎng)作用下絕緣材料的破壞電介質(zhì)的擊穿：在強(qiáng)電場(chǎng)中工作的絕緣材料，當(dāng)所受的電壓超過(guò)一臨界值V穿時(shí)便喪失了絕緣性能而擊穿(永久破壞)的現(xiàn)象。V穿稱為擊穿電壓。

抗電強(qiáng)度(或介電強(qiáng)度)：材料所能承受的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，其數(shù)值等于相應(yīng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)E穿。

E穿=V穿/d

d為擊穿處試樣的厚度。10.6絕緣材料的抗電強(qiáng)度

固體介質(zhì)的擊穿同時(shí)伴隨著材料的永久破壞，是不可逆過(guò)程；

而氣體及液體介質(zhì)被擊穿后，隨著外電場(chǎng)的撤消仍然能恢復(fù)材料性能，是可逆過(guò)程。10.6絕緣材料的抗電強(qiáng)度V穿既與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，還與一系列的外界因素有關(guān)，如試樣形狀、溫度、壓力等。故E穿不僅表示材料的優(yōu)劣，同時(shí)反映材料進(jìn)行擊穿試驗(yàn)的條件。電介質(zhì)的擊穿形式有

電擊穿、

熱擊穿、

化學(xué)擊穿二、擊穿形式電擊穿是一個(gè)“電過(guò)程”，只有電子參與。

強(qiáng)電場(chǎng)作用下，處于熱運(yùn)動(dòng)的少數(shù)“自由電子”將沿反電場(chǎng)方向定向運(yùn)動(dòng)，不斷撞擊介質(zhì)內(nèi)的離子，并將部分能量傳給離子。

外電場(chǎng)強(qiáng)度足夠高時(shí)，自由電子定向運(yùn)動(dòng)的速度超過(guò)一臨界值，可使介質(zhì)內(nèi)的離子電離出一些新的電子即次級(jí)電子。1、電擊穿——“雪崩電擊”理論自由電子和次級(jí)電子又有了一定的速度，又撞擊出第三級(jí)電子。這樣連鎖反應(yīng)，造成大量自由電子形成“電子潮”，這個(gè)現(xiàn)象叫“雪崩”?！把┍馈笔关灤┙橘|(zhì)的電流迅速增長(zhǎng)，導(dǎo)致介質(zhì)的擊