材料物理性能測試技術(shù)講課-電學(xué)特性

1、辦公室：辦公室：10號樓號樓402室室TEL：績主要包括三個部分：成績主要包括三個部分： 課堂出勤及討論課堂出勤及討論 10% 課后大作業(yè)及課堂論文等課后大作業(yè)及課堂論文等 20% 期末考試期末考試 70% 陳凌川，陳樹川，材料物理性能，上海交通陳凌川，陳樹川，材料物理性能，上海交通大學(xué)出版社，大學(xué)出版社，1999 田蒔，材料物理性能，北京航空航天大學(xué)出田蒔，材料物理性能，北京航空航天大學(xué)出版社，版社，2001 耿桂宏，材料物理與性能學(xué)，北京大學(xué)出版耿桂宏，材料物理與性能學(xué)，北京大學(xué)出版社，社，2010 馬如璋，材料物理性能近代分析方法，冶金馬如璋，材料物理性能近代分

2、析方法，冶金工業(yè)出版社，工業(yè)出版社，1997材料（材料（material）：材料是人類用于制造物品、）：材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)分類：金屬材料，無機(jī)非金屬材料，高分分類：金屬材料，無機(jī)非金屬材料，高分 子材料子材料 結(jié)構(gòu)材料與功能材料結(jié)構(gòu)材料與功能材料現(xiàn)代材料發(fā)展的特點(diǎn)現(xiàn)代材料發(fā)展的特點(diǎn)：明顯地超出了傳統(tǒng)組成和工藝范圍；明顯地超出了傳統(tǒng)組成和工藝范圍；創(chuàng)造出具有各種性能的新材料；創(chuàng)造出具有各種性能的新材料；在現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)上獲得廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)上獲得廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代材料科學(xué)的重要研究內(nèi)容：現(xiàn)代材料科學(xué)的

3、重要研究內(nèi)容：在在嚴(yán)格控制材料組成和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，深入了解和研究各嚴(yán)格控制材料組成和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，深入了解和研究各項(xiàng)物理化學(xué)性能。也是發(fā)展材料的主要途徑項(xiàng)物理化學(xué)性能。也是發(fā)展材料的主要途徑。工程學(xué)看材料：工程學(xué)看材料：首先注意材料的物性，然后考慮它與外界條件相互作用出首先注意材料的物性，然后考慮它與外界條件相互作用出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，最后聯(lián)系到用途，作為制品出售?，F(xiàn)的各種現(xiàn)象，最后聯(lián)系到用途，作為制品出售。 材料與物性、現(xiàn)象、用途間的關(guān)系：材料與物性、現(xiàn)象、用途間的關(guān)系：具體化具體化現(xiàn)象現(xiàn)象經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性材料材料作用作用改善改善原料工原料工藝藝條件條件物性物性用途用途以材料為中心，以材料為中心，從

4、物性從物性 現(xiàn)象現(xiàn)象 用途周轉(zhuǎn)循環(huán)，用途周轉(zhuǎn)循環(huán)，巧妙地應(yīng)用此表巧妙地應(yīng)用此表征方法能容易做征方法能容易做到逐步地改進(jìn)材到逐步地改進(jìn)材料，不斷創(chuàng)造出料，不斷創(chuàng)造出性能更好、更穩(wěn)性能更好、更穩(wěn)定的制品。定的制品。性能本質(zhì)：性能本質(zhì)：感應(yīng)物理量與作用物理量呈一定的關(guān)系，感應(yīng)物理量與作用物理量呈一定的關(guān)系，其中有一與材料本質(zhì)有關(guān)的常數(shù)其中有一與材料本質(zhì)有關(guān)的常數(shù)材料的性能材料的性能。 四、材料設(shè)計的工作思路四、材料設(shè)計的工作思路改變結(jié)構(gòu)改變結(jié)構(gòu)制備制備觀測觀測測試測試 實(shí)際使用實(shí)際使用微觀組織結(jié)構(gòu)設(shè)計微觀組織結(jié)構(gòu)設(shè)計制備方法設(shè)計制備方法設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計原料原料材料試樣材料試樣組織

5、結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) 特性特性可否可否評價評價要在科研工作中有所作為，真正做出要在科研工作中有所作為，真正做出點(diǎn)有價值的研究成果，要做到三個點(diǎn)有價值的研究成果，要做到三個“善于善于”：要要善于善于發(fā)現(xiàn)和提出問題。尤其是要提發(fā)現(xiàn)和提出問題。尤其是要提出在科學(xué)研究上有意義的問題。出在科學(xué)研究上有意義的問題。善于善于提出模型或方法去解決問題。提出模型或方法去解決問題。善于善于做出最重要、最有意義的結(jié)論。做出最重要、最有意義的結(jié)論。 黃昆黃昆材料按電性能分類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體材料按電性能分類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體金屬材料的電學(xué)性能的表征量及其影響因素金屬材料的電學(xué)性能的表征量及其影響因素金屬導(dǎo)電性的物理機(jī)

6、制及其認(rèn)識過程金屬導(dǎo)電性的物理機(jī)制及其認(rèn)識過程金屬材料的電學(xué)性能影響因素金屬材料的電學(xué)性能影響因素材料電學(xué)性能的測試技術(shù)材料電學(xué)性能的測試技術(shù) 第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)載流子電子、空穴正離子、負(fù)離子、空位Txxt某種載流子輸運(yùn)電荷的電導(dǎo)率各載流子輸運(yùn)電荷的總電導(dǎo)率某一種載流子輸運(yùn)電荷占全部電導(dǎo)率的分?jǐn)?shù)ti+、ti-、te-、th+離子遷移數(shù) ti0.99的導(dǎo)體為離子導(dǎo)體； ti0.99的導(dǎo)體為混合導(dǎo)體。一、電阻率和電導(dǎo)率l長L，橫截面S的均勻?qū)щ婓w，兩端加電壓V,在這樣一個形狀規(guī)則的均勻材料，電流是均勻的， 歐姆定律：U=RI R表示導(dǎo)體的電阻，不僅與

7、導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)，還與其長度l及截面積S有關(guān)，其值RL/S，式中 稱為電阻率或比電阻。電阻率只與材料特性有關(guān)，而與導(dǎo)體的幾何尺寸無關(guān)，因此評定材料導(dǎo)電性的基本參數(shù)是電阻率或電導(dǎo)率，電阻率的單 位為m, cm, cm。EJ第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)這樣一個形狀規(guī)則的均勻材料，電流是均勻的，電流密度J在各處是一樣的，總電流強(qiáng)度 I=S J同樣 電場強(qiáng)度也是均勻的LEV RVI RLESJ EESRLJ1EJ電流密度定義：電流密度定義：dsdtdQj Ej電流密度矢量：電流密度矢量：歐姆定律的微分形式反映材料中歐姆定律的微分形式反映材料中電流與電場的逐點(diǎn)

8、對應(yīng)關(guān)系電流與電場的逐點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系,說明導(dǎo)體中某點(diǎn)的電流密度正比于該點(diǎn)的電場，比例系數(shù)為電導(dǎo)率EjEdsdtnevdtdsEdsdtdQEj11neEvnevvdtdsEv/載流子在單位電場作用下的遷移速率載流子在單位電場作用下的遷移速率遷移率：遷移率：電子：電子：)/(14. 02Vsme空穴：空穴：)/(05. 02VsmhSi 單晶單晶電導(dǎo)率的微電導(dǎo)率的微觀表達(dá)式：觀表達(dá)式：歐姆定律的微分形式反映材料中歐姆定律的微分形式反映材料中電流與電場的逐點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系電流與電場的逐點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系電導(dǎo)率與電阻率的關(guān)系？電導(dǎo)率與電阻率的關(guān)系？ 與材料本質(zhì)密切相關(guān)，是表征材料導(dǎo)電性與材料本質(zhì)密切相關(guān)，是表征材料導(dǎo)

9、電性能的重要參數(shù)，電阻率的單位是能的重要參數(shù)，電阻率的單位是m 第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù) 電導(dǎo)率與我們通常用來表征材料電性能的電阻率電導(dǎo)率與我們通常用來表征材料電性能的電阻率有著直接的關(guān)系有著直接的關(guān)系 1 1S/m=1 -1 m-1 把國際標(biāo)準(zhǔn)軟黃銅（在室溫把國際標(biāo)準(zhǔn)軟黃銅（在室溫20下電阻率下電阻率 0.01724mm2/m）的電導(dǎo)率作為）的電導(dǎo)率作為100%，其他，其他導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與之相比的百分?jǐn)?shù)即為該導(dǎo)導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與之相比的百分?jǐn)?shù)即為該導(dǎo)體材料的相對電導(dǎo)率體材料的相對電導(dǎo)率相對電導(dǎo)率IACS%= / Cu%第一章第一章 材料的電學(xué)性能及

10、其測試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)導(dǎo)體： 108 cm；半導(dǎo)體： 值介于10-3108 cm之間。金屬的導(dǎo)電性：金屬的導(dǎo)電性：幾乎不隨電壓變化幾乎不隨電壓變化恒定恒定半導(dǎo)體的導(dǎo)電性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電性：隨電壓明顯變化隨電壓明顯變化)(V伏安特性曲線為直線伏安特性曲線為直線伏安特性曲線為曲線伏安特性曲線為曲線 材料物理性能與材料的材料物理性能與材料的晶體結(jié)構(gòu)、原子間的鍵合、電子晶體結(jié)構(gòu)、原子間的鍵合、電子能量狀態(tài)能量狀態(tài)方式有密切的關(guān)系。由于固體中原子、分子、離子方式有密切的關(guān)系。由于固體中原子、分子、離子的排列方式不同，因此固體材料的的排列方式不同，因此固體材料的電子結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)電子結(jié)構(gòu)和能量

11、狀態(tài)呈現(xiàn)呈現(xiàn)不同的運(yùn)動狀態(tài)，對材料的電學(xué)將產(chǎn)生很大影響不同的運(yùn)動狀態(tài)，對材料的電學(xué)將產(chǎn)生很大影響電子類載流子導(dǎo)電金屬導(dǎo)電性主要以電子、空穴作為載流子導(dǎo)電的材料，可以是金屬或半導(dǎo)體離子類載流子導(dǎo)電固體電解質(zhì)主要以帶電荷的離子作為載流子導(dǎo)電的材料，主要是固體電解質(zhì)，分為本征導(dǎo)電和雜質(zhì)導(dǎo)電n金屬導(dǎo)電性的物理本質(zhì)研究的三個理論階段金屬導(dǎo)電性的物理本質(zhì)研究的三個理論階段 經(jīng)典自由電子論1900年特魯?shù)?洛倫茲 第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)經(jīng)典自由電子理論經(jīng)典自由電子理論：假設(shè)所有自由電子都對金屬：假設(shè)所有自由電子都對金屬電導(dǎo)率作出貢獻(xiàn)電導(dǎo)率作出貢獻(xiàn) vmlne22主

12、要以電子、空穴作為載流子導(dǎo)電的材料，可以是金屬或半導(dǎo)體經(jīng)典自由電子理論（量子理論發(fā)展前）經(jīng)典自由電子理論（量子理論發(fā)展前）正離子構(gòu)成了晶體經(jīng)典，形成一個均勻的電場價電子是完全自由的，稱為自由電子，彌散分布于整個點(diǎn)陣之中，具有相同的能量，稱為“電子氣”自由電子運(yùn)動的規(guī)律遵循經(jīng)典力學(xué)氣體分子運(yùn)動規(guī)律f=qE=ma 沒有外電場作用：金屬中的自由電子沿各方向運(yùn)動幾率相同，不產(chǎn)生電流 施加外電場后：自由電子受電場作用，獲得附加速度，沿外電場方向發(fā)生定向移動，形成電流 電阻的產(chǎn)生：自由電子在定向移動過程中不斷與正離子點(diǎn)陣發(fā)生碰撞，使電子移動受阻，產(chǎn)生電阻。量子自由電子理論：量子自由電子理論：只有在費(fèi)米面附

13、近能級的電只有在費(fèi)米面附近能級的電子才能對導(dǎo)電作出貢獻(xiàn)，因而，利用能帶理論才子才能對導(dǎo)電作出貢獻(xiàn)，因而，利用能帶理論才嚴(yán)格導(dǎo)出電導(dǎo)率的表達(dá)式嚴(yán)格導(dǎo)出電導(dǎo)率的表達(dá)式 FFefvmlen*2式中的變化有二點(diǎn)：式中的變化有二點(diǎn)： nnef表示單位體積內(nèi)實(shí)際參加傳導(dǎo)過程的電子數(shù)；表示單位體積內(nèi)實(shí)際參加傳導(dǎo)過程的電子數(shù)； mm*，m*為電子的有效質(zhì)量，為電子的有效質(zhì)量， 考慮晶體點(diǎn)陣對電場作用的結(jié)果?？紤]晶體點(diǎn)陣對電場作用的結(jié)果。 第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)量子力學(xué)可以證明，當(dāng)電子波在絕對零度下通過量子力學(xué)可以證明，當(dāng)電子波在絕對零度下通過一個完整的晶體點(diǎn)陣時，將

14、不受到散射而無阻礙一個完整的晶體點(diǎn)陣時，將不受到散射而無阻礙的傳播，這時電阻率的傳播，這時電阻率0。第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)電子在理想晶體運(yùn)動時不受晶格散射，電場的電子在理想晶體運(yùn)動時不受晶格散射，電場的作用下自由電子作勻加速運(yùn)動、電流不斷增大作用下自由電子作勻加速運(yùn)動、電流不斷增大量子理論：量子理論：理想晶體：理想晶體：實(shí)際晶體：實(shí)際晶體： 施加一定的電場于導(dǎo)體后，電流迅速達(dá)到平衡值。施加一定的電場于導(dǎo)體后，電流迅速達(dá)到平衡值。而只有在晶體點(diǎn)陣的完整性遭到破壞的地方電子而只有在晶體點(diǎn)陣的完整性遭到破壞的地方電子波才受到散射，因而產(chǎn)生電阻。波才受到散射

15、，因而產(chǎn)生電阻。由溫度引起的點(diǎn)陣離子的振動由溫度引起的點(diǎn)陣離子的振動晶體中異類原子、點(diǎn)缺陷和位錯的存在晶體中異類原子、點(diǎn)缺陷和位錯的存在使理想晶體的點(diǎn)陣周期性遭到破壞，電子波在這使理想晶體的點(diǎn)陣周期性遭到破壞，電子波在這些地方發(fā)生散射而產(chǎn)生附加電阻，降低導(dǎo)電性。些地方發(fā)生散射而產(chǎn)生附加電阻，降低導(dǎo)電性。 實(shí)際晶體：實(shí)際晶體： 施加一定的電場于導(dǎo)體后，電流迅速達(dá)到平衡值。施加一定的電場于導(dǎo)體后，電流迅速達(dá)到平衡值。原因原因: 實(shí)際晶體中存在實(shí)際晶體中存在缺陷缺陷缺陷使電子運(yùn)動受到散射，電場作用下缺陷使電子運(yùn)動受到散射，電場作用下金屬中電子的運(yùn)動軌跡為復(fù)雜的曲折線金屬中電子的運(yùn)動軌跡為復(fù)雜的曲折線

16、遷移遷移（如同容器中氣體分子的運(yùn)動）（如同容器中氣體分子的運(yùn)動）遷移率：遷移率：反映晶體缺陷對載流子運(yùn)動的散射程度反映晶體缺陷對載流子運(yùn)動的散射程度neEv/載流子受晶體缺陷散射的頻率、強(qiáng)載流子受晶體缺陷散射的頻率、強(qiáng)度越高，遷移率越低、電阻率越高度越高，遷移率越低、電阻率越高導(dǎo)電材料：導(dǎo)電材料：應(yīng)有良好的導(dǎo)電性、力學(xué)及熱學(xué)性能應(yīng)有良好的導(dǎo)電性、力學(xué)及熱學(xué)性能Ag：導(dǎo)電性最好，但力學(xué)性能差、價格貴導(dǎo)電性最好，但力學(xué)性能差、價格貴Cu：導(dǎo)電性好，應(yīng)用最廣泛導(dǎo)電性好，應(yīng)用最廣泛Al：導(dǎo)電性較好、價格低廉，常用的導(dǎo)電材料導(dǎo)電性較好、價格低廉，常用的導(dǎo)電材料 在晶體點(diǎn)陣完整性遭到破壞的地方，電子才受到

17、散射，形成金屬的電阻。 可定義為散射系數(shù)，記為 因此電阻率為 與溫度成正比； 雜質(zhì)原子使晶體點(diǎn)陣的周期性破壞，增加散射系數(shù)的值；1/Fl*2Fefm vn e 散射系數(shù)可分成兩部分：因此，電阻率記為此即為Matthiessen定律。 基本電阻； 金屬剩余電阻。 根據(jù)Matthiessen定律可以測定金屬晶體的純度電學(xué)純度。指標(biāo)為：T*22FFTTefefm vm vnene 3004.2/KK理想金屬理想金屬的電阻對應(yīng)著兩種散射機(jī)制（聲子散射的電阻對應(yīng)著兩種散射機(jī)制（聲子散射和電子散射），可以看成為基本電阻。這個電阻和電子散射），可以看成為基本電阻。這個電阻在絕對零度時降為零。在絕對零度時降為

18、零。實(shí)際金屬實(shí)際金屬與理想金屬相比，不僅存在合金元素和與理想金屬相比，不僅存在合金元素和雜質(zhì)元素，而且還存在晶體缺陷。雜質(zhì)元素，而且還存在晶體缺陷。 因此，與理想金屬相比，實(shí)際金屬中還存在第三因此，與理想金屬相比，實(shí)際金屬中還存在第三種機(jī)制（電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射），在有缺種機(jī)制（電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射），在有缺陷的晶體中可以觀察到，是絕對零度下金屬殘余陷的晶體中可以觀察到，是絕對零度下金屬殘余電阻的實(shí)質(zhì)，這個電阻表示了金屬的純度和完整電阻的實(shí)質(zhì)，這個電阻表示了金屬的純度和完整性。性。 第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測試技

19、術(shù)材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)殘)(Tii第一章第一章 材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)材料的電學(xué)性能及其測試技術(shù)化學(xué)缺陷為偶然存在的雜質(zhì)原子以及化學(xué)缺陷為偶然存在的雜質(zhì)原子以及人工加入的合金元素原子人工加入的合金元素原子 物理缺陷系指空位、間物理缺陷系指空位、間隙原子、位錯以及它們隙原子、位錯以及它們的復(fù)合體的復(fù)合體 原子序數(shù)原子序數(shù) 溫度對金屬電阻率的影響規(guī)律溫度對金屬電阻率的影響規(guī)律 壓力對材料電阻的影響壓力對材料電阻的影響 冷加工及退火對電阻率的影響冷加工及退火對電阻率的影響電阻的尺寸效應(yīng)電阻的尺寸效應(yīng))1 (0Tt 式中：式中： 為電阻溫度系數(shù)。為電阻溫度系數(shù)。 一般在溫度高于室溫情況下，一

20、般在溫度高于室溫情況下， 上式對于大多數(shù)金屬是適用的上式對于大多數(shù)金屬是適用的 )1(00CTt)1(1CdTdtt除過渡族金屬外、所有純金屬：除過渡族金屬外、所有純金屬：Co/1043 理論可以證明，對于無缺陷理論可以證明，對于無缺陷的理想晶體的電阻是溫度的的理想晶體的電阻是溫度的單值函數(shù)，如圖中的曲線單值函數(shù)，如圖中的曲線1所所示。示。 如果在晶體中存在少量的雜如果在晶體中存在少量的雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，那末電阻與質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，那末電阻與溫度的關(guān)系曲線將發(fā)生變化，溫度的關(guān)系曲線將發(fā)生變化，如圖中曲線如圖中曲線2和和3所示。所示。 低溫下微觀機(jī)制對電阻的貢低溫下微觀機(jī)制對電阻的貢獻(xiàn)主要由馬基申定則

21、中的獻(xiàn)主要由馬基申定則中的 殘殘決定，缺陷的數(shù)量和類型決決定，缺陷的數(shù)量和類型決定了與缺陷有關(guān)的電阻，也定了與缺陷有關(guān)的電阻，也決定了圖上曲線的位置。決定了圖上曲線的位置。雜質(zhì)和晶體缺陷對金屬低溫比電阻的影響 1完美晶體2雜質(zhì)元素3晶體缺陷 金屬的電阻率隨溫度升高而金屬的電阻率隨溫度升高而增大。增大。 在不同溫度區(qū)間，電子散射在不同溫度區(qū)間，電子散射的機(jī)制不同，因此電阻與溫的機(jī)制不同，因此電阻與溫度的關(guān)系不同度的關(guān)系不同 在低溫下在低溫下，“電子電子電子電子”散射對電阻的貢獻(xiàn)較為顯著散射對電阻的貢獻(xiàn)較為顯著 所有溫度條件下所有溫度條件下，大多數(shù)金，大多數(shù)金屬的電阻都取決于屬的電阻都取決于“電子

22、電子聲子聲子”散射散射雜質(zhì)和晶體缺陷對金屬低溫比電阻的影響 1完美晶體2雜質(zhì)元素3晶體缺陷 在流體靜壓壓縮時，大多數(shù)金屬的電阻率會下降 在流體靜壓力壓縮時，金屬原子間距縮小，內(nèi)部缺陷形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)、費(fèi)密能和能帶結(jié)構(gòu)都將發(fā)生變化，因而影響金屬的導(dǎo)電性能 在流體靜壓下金屬的電阻率可用下式計算)1 (0PP 0表示在真空條件下的電阻率表示在真空條件下的電阻率P表示壓力表示壓力 是壓力系數(shù)（一般為負(fù)值，大約為是壓力系數(shù)（一般為負(fù)值，大約為10-510-6） 根據(jù)壓力對電阻的影響，根據(jù)壓力對電阻的影響，可以把金屬元素分為正常可以把金屬元素分為正常元素和反常元素。元素和反常元素。 所謂所謂正常元素正常元素

23、，是指隨著，是指隨著壓力增大，金屬的電阻率壓力增大，金屬的電阻率下降，例如，下降，例如，F(xiàn)e，Co，Ni，Pd，Cu，Au，Ag，Hf，Zr，Ta等。反之則稱為等。反之則稱為反反常金屬常金屬，主要包括堿金屬，主要包括堿金屬，堿土金屬、稀土金屬和第堿土金屬、稀土金屬和第V族的半金屬。它們有正族的半金屬。它們有正的電阻壓力系數(shù)，且隨著的電阻壓力系數(shù)，且隨著壓力升高系數(shù)變號，即在壓力升高系數(shù)變號，即在 f（P）曲線上存在極大）曲線上存在極大值。值。MM表示與溫度相關(guān)的退火金屬的電阻率，是剩余電阻率。試驗(yàn)證明，與溫度無關(guān))1 (dLd為大塊樣品的電阻率為大塊樣品的電阻率 d為樣品厚度，為樣品厚度，L為

24、平均自由程為平均自由程 d為為薄樣品的電阻率薄樣品的電阻率電阻率電阻率 q電阻率的各向異性對稱性高的金屬的電阻表現(xiàn)為各向同性；對稱性差的晶體，其導(dǎo)電性表現(xiàn)為各向異性。0 0表示固溶體溶劑組元電阻率表示固溶體溶劑組元電阻率 為剩余電阻率，為剩余電阻率，C，C是雜質(zhì)原子含量，是雜質(zhì)原子含量，表示表示1原子雜質(zhì)原子雜質(zhì)引起的附加電阻率。引起的附加電阻率。 0 為偏離馬基申定律的值，它與溫度與為偏離馬基申定律的值，它與溫度與溶質(zhì)濃度有關(guān)。隨溶質(zhì)濃度增加，偏離溶質(zhì)濃度有關(guān)。隨溶質(zhì)濃度增加，偏離愈嚴(yán)重愈嚴(yán)重 。 2)( Zba有序轉(zhuǎn)變時，電阻率也發(fā)生變化：離子電導(dǎo)是帶電荷的離子載流子在電場作用下的定向運(yùn)動

25、。電荷載流子一定是材料中最易移動的離子。離子型晶體可分為兩類：本征導(dǎo)電晶體點(diǎn)陣的基本離子，由于熱振動而離開晶格，形成熱缺陷，在電場作用下成為載流子參加導(dǎo)電。（高溫時）雜質(zhì)導(dǎo)電參加導(dǎo)電的載流子結(jié)合力比較弱的離子，主要是雜質(zhì)低溫下雜質(zhì)導(dǎo)電表現(xiàn)顯著高溫下本征導(dǎo)電成為主導(dǎo)q離子電導(dǎo)理論離子導(dǎo)電性可以認(rèn)為是離子電荷載流子在電場作用下，通過材料的長距離的遷移。因此，電荷載流子一定是材料中最易移動的離子?？紤]離子在一維平行于x方向上移動，那么越過能壘V的幾率P為：為與不可逆跳躍相關(guān)的適應(yīng)系數(shù) 為離子在勢阱中振動頻率。當(dāng)加上電場后，沿電場方向位壘降低，而反電場方向位壘將提高。expkTVhkTP/kT h離子

26、的尺寸和質(zhì)量都比電子大很多，其運(yùn)動方式是從一個平衡位置跳躍到另一平衡位置，因此，離子導(dǎo)電可以看成是離子在電場作用下的擴(kuò)散現(xiàn)象擴(kuò)散路徑通暢，離子擴(kuò)散系數(shù)高，導(dǎo)電率就高 能斯特愛因斯坦方程，建立了離子電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散系 數(shù)D之間的關(guān)系載流子濃度載流子濃度 對于固有電導(dǎo)（本征電導(dǎo)），載流子由晶體本身熱缺陷弗侖克爾缺陷和肖脫基缺陷提供。kTENNff2exp 單位體積內(nèi)離子結(jié)點(diǎn)數(shù) 形成一個弗侖克爾缺陷所需能量肖脫基空位濃度，在離子晶體中可表示為：NfEkTENNss2exp 單位體積內(nèi)離子對數(shù)目 離解一個陰離子和一個陽離子并到達(dá)表面所 需能量。NsEkTENNff2exp 離子導(dǎo)電的影響因素溫度的影響

27、溫度以指數(shù)形式影響其電導(dǎo)率。隨著溫度從低溫向高溫增加，其電阻率的對數(shù)的斜率出現(xiàn)拐點(diǎn)，將整個區(qū)間分為高溫區(qū)的本征導(dǎo)電，低溫區(qū)的雜質(zhì)導(dǎo)電拐點(diǎn)的存在不一定代表離子導(dǎo)電機(jī)制變化也有可能是載流子種類發(fā)生變化離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)的影響離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)對離子導(dǎo)電的影響是通過改變導(dǎo)電激活能實(shí)現(xiàn)的熔點(diǎn)高的晶體，結(jié)合力大，相應(yīng)的導(dǎo)電激活能也高，電導(dǎo)率就低價數(shù)低，尺寸下，荷電少，價鍵強(qiáng)激活能低，遷移率高，電導(dǎo)率高 晶體結(jié)構(gòu)的影響是提供利于離子移動的通路。間隙越大，離子易于移動，激活能低離子導(dǎo)電的影響因素點(diǎn)缺陷的影響 由于熱激活，在晶體中產(chǎn)生Shottky缺陷或Frenkel缺陷，影響晶體中的擴(kuò)散系數(shù)，以至影響到固體

28、電解質(zhì)的電導(dǎo)率。此外，環(huán)境氣氛變化，使離子型晶體的正負(fù)離子化學(xué)計量比發(fā)生變化，而生成晶格缺陷。如ZrO2中，氧的脫離形成氧空位。離子導(dǎo)電的影響因素固體電子能帶結(jié)構(gòu)固體電子能帶結(jié)構(gòu)能量能量能帶能帶能帶能帶禁帶禁帶平衡間距平衡間距原子間距原子間距能級能級能級能級孤立原子孤立原子的能級的能級考察考察 N 個相同原個相同原子組成的固體子組成的固體 ：原子距離很大（無相互原子距離很大（無相互作用、孤立原子）時：作用、孤立原子）時：每個原子的能級構(gòu)造相同；每個原子的能級構(gòu)造相同；系統(tǒng)的能級相當(dāng)于系統(tǒng)的能級相當(dāng)于 N 度簡度簡并并的孤立原子能級的孤立原子能級。原子相互靠近結(jié)合成晶體原子相互靠近結(jié)合成晶體（原

29、子間有相互作用）（原子間有相互作用） ：電子除受自身原子的作用外，還受周圍原子勢場的作用，電子除受自身原子的作用外，還受周圍原子勢場的作用，系統(tǒng)的電子系統(tǒng)的電子能態(tài)結(jié)構(gòu)：能態(tài)結(jié)構(gòu)：N 度簡并度簡并的能級的能級N 個彼此相距很近的個彼此相距很近的能級，展寬為能級，展寬為能帶能帶固體電子能帶的形成固體電子能帶的形成能級分裂的原因：能級分裂的原因：電子波函數(shù)疊合、相互作用的結(jié)果電子波函數(shù)疊合、相互作用的結(jié)果能級分裂：能級分裂： 從價電子到內(nèi)層電子。從價電子到內(nèi)層電子。能量能量能帶能帶能帶能帶禁帶禁帶平衡間距平衡間距原子間距原子間距能級能級能級能級孤立原子孤立原子的能級的能級內(nèi)層能級只有原子非常接內(nèi)層

30、能級只有原子非常接近時才發(fā)生分裂，即使分近時才發(fā)生分裂，即使分成能帶、能帶也很窄成能帶、能帶也很窄固體電子能帶結(jié)構(gòu)：固體電子能帶結(jié)構(gòu)：原子間處于平衡間原子間處于平衡間距時的能帶結(jié)構(gòu)距時的能帶結(jié)構(gòu)固體在固體在 0 K 時時的能帶結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)電子填充能帶的原則：電子填充能帶的原則：2、首先填充能量最小的狀態(tài)、首先填充能量最小的狀態(tài)1、泡利不相容原理：不能有兩個電子處于完全相同的量子態(tài)、泡利不相容原理：不能有兩個電子處于完全相同的量子態(tài)孤立原子的能量較高的空能級，原子結(jié)孤立原子的能量較高的空能級，原子結(jié)合成晶體、形成的能帶后仍是空著的合成晶體、形成的能帶后仍是空著的電子能帶結(jié)構(gòu)因電子能帶結(jié)構(gòu)因材料

31、不同而異材料不同而異（一）金屬的電子能帶結(jié)構(gòu)（一）金屬的電子能帶結(jié)構(gòu)Na 金屬電子能帶金屬電子能帶3s3p622221pss13s鈉原子的電子結(jié)構(gòu)：鈉原子的電子結(jié)構(gòu)：:221622pss滿電子能級滿電子能級鈉晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶鈉晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶與之相應(yīng)能帶是半滿帶與之相應(yīng)能帶是半滿帶:31sMg 金屬電子能帶金屬電子能帶3s3p622221pss23s鎂原子的電子結(jié)構(gòu)：鎂原子的電子結(jié)構(gòu)：622221pss滿電子能級滿電子能級鎂晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶鎂晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶與之相應(yīng)能帶是空帶與之相應(yīng)能帶是空帶:3p23sMg 金屬電子能帶金屬電子能帶3s3p鎂晶

32、體的鎂晶體的 3s 與與 3p 能帶存在交疊能帶存在交疊622221pss1233ps鋁原子的電子結(jié)構(gòu)：鋁原子的電子結(jié)構(gòu)：622221pss滿電子能級滿電子能級與之相應(yīng)能帶僅部分填充與之相應(yīng)能帶僅部分填充:31p23sAl 金屬電子能帶金屬電子能帶3p3s鋁晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶鋁晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶s3p3 能帶與能帶與 能帶存在交疊能帶存在交疊金屬的能帶結(jié)構(gòu)特征：金屬的能帶結(jié)構(gòu)特征：存在未滿的價帶或存在存在未滿的價帶或存在價帶和其上的空帶交疊價帶和其上的空帶交疊被價電子占據(jù)的被價電子占據(jù)的最高能最高能級級上存在許多空能級上存在許多空能級最高能級：最高能級：費(fèi)米能級費(fèi)米能級(

33、Fermi level ), Ef極小的能量即可激發(fā)費(fèi)米能級極小的能量即可激發(fā)費(fèi)米能級附近的價電子成為自由電子附近的價電子成為自由電子金屬是良導(dǎo)體金屬是良導(dǎo)體 并非說有價電子都能參與導(dǎo)電、只有被激發(fā)到并非說有價電子都能參與導(dǎo)電、只有被激發(fā)到費(fèi)米能級以上的電子費(fèi)米能級以上的電子（自由電子）（自由電子）才能導(dǎo)電才能導(dǎo)電金屬中自由電子的數(shù)密度：金屬中自由電子的數(shù)密度：322/10m（二）半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)（二）半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)禁帶禁帶禁帶禁帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶ECEVEg絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)特征：能帶結(jié)構(gòu)特征：被電子填滿的價帶與未被電子被電子填滿的價帶與未被電

34、子填充的空帶（導(dǎo)帶）間沒有交填充的空帶（導(dǎo)帶）間沒有交疊，疊，價帶和導(dǎo)帶間被禁帶隔開價帶和導(dǎo)帶間被禁帶隔開禁帶寬度：禁帶寬度：VCgEEE絕緣體的禁帶寬度：絕緣體的禁帶寬度：eVEg105常溫下價電子幾乎常溫下價電子幾乎不能被激發(fā)到導(dǎo)帶不能被激發(fā)到導(dǎo)帶價帶電子必須獲得價帶電子必須獲得 ，才能從價帶被激發(fā)到導(dǎo)帶、參與導(dǎo)電，才能從價帶被激發(fā)到導(dǎo)帶、參與導(dǎo)電gEE 激發(fā)前激發(fā)前激發(fā)后激發(fā)后絕緣體絕緣體不導(dǎo)電不導(dǎo)電半導(dǎo)體的禁帶寬度：半導(dǎo)體的禁帶寬度：eVEg32 . 0常溫下具有一定的導(dǎo)帶性常溫下具有一定的導(dǎo)帶性31916/1010mn 導(dǎo)帶中電導(dǎo)帶中電子數(shù)密度子數(shù)密度晶體能帶與原子能級不一定有一一對

35、應(yīng)關(guān)系晶體能帶與原子能級不一定有一一對應(yīng)關(guān)系Si 單晶：單晶：3sps3p3雜化雜化分裂成兩個各包含分裂成兩個各包含 2N 個能級的能帶：個能級的能帶：價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶4N 個價電子恰好填滿價帶，導(dǎo)帶全空個價電子恰好填滿價帶，導(dǎo)帶全空金屬（a、b、c）和絕緣體（d）的能帶特征 kTEe/ E為一個電子越過禁帶所需要的能量為一個電子越過禁帶所需要的能量 金屬（a、b、c）和絕緣體（d）的能帶特征 金屬（a、b、c）和絕緣體（d）的能帶特征 本征半導(dǎo)體的載流子本征半導(dǎo)體的載流子 四族四族元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體和和化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體（一）本征半導(dǎo)體（一）本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：沒有雜質(zhì)

36、和缺陷、理想半導(dǎo)體沒有雜質(zhì)和缺陷、理想半導(dǎo)體禁帶禁帶價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶ECEV本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體gE能帶特征：能帶特征：價帶全滿、導(dǎo)帶全空、禁帶中無能級價帶全滿、導(dǎo)帶全空、禁帶中無能級eVEg32 . 0分類：分類：四族元素半導(dǎo)體：四族元素半導(dǎo)體：:SieVEg1 . 1:GeeVEg7 . 0化合物半導(dǎo)體：化合物半導(dǎo)體：IV-IV 族：族：III-V 族：族：SiC,GaAsInSb（銻化銦）（銻化銦）II-VI 族：族：CdSZnTe（硫化鎘），（硫化鎘），（碲化鋅）（碲化鋅）寬禁帶、大功率半導(dǎo)體材料寬禁帶、大功率半導(dǎo)體材料CoeVcmV /CcmWo/610361036105 . 251

37、03SiC與與Si的物性比較的物性比較本征本征Si 原子鍵合與導(dǎo)電機(jī)制：原子鍵合與導(dǎo)電機(jī)制：電場電場Si每當(dāng)一個電子從價帶被激發(fā)到導(dǎo)帶，每當(dāng)一個電子從價帶被激發(fā)到導(dǎo)帶，便在價帶中留下一個便在價帶中留下一個電子空位，電子空位， 空穴空穴導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子和和價帶價帶空穴成對出現(xiàn)空穴成對出現(xiàn):導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子:準(zhǔn)自由電子、可在電場的作準(zhǔn)自由電子、可在電場的作用下定向運(yùn)動、形成電流用下定向運(yùn)動、形成電流導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子價帶空穴價帶空穴:電場電場Si等效載流子等效載流子其導(dǎo)電過程實(shí)質(zhì)其導(dǎo)電過程實(shí)質(zhì)上是電場的作用上是電場的作用下價電子向空穴下價電子向空穴的跳躍過程的跳躍過程等效于等效于帶正電的空穴帶正電的

38、空穴沿與價電子相反方向的運(yùn)動沿與價電子相反方向的運(yùn)動空穴帶正電量：空穴帶正電量：e本征半導(dǎo)體導(dǎo)電：本征半導(dǎo)體導(dǎo)電： 導(dǎo)帶電子和價帶空穴的共同貢獻(xiàn)導(dǎo)帶電子和價帶空穴的共同貢獻(xiàn)電導(dǎo)率：電導(dǎo)率：hemene,:n m導(dǎo)帶電子和價帶空穴的數(shù)密度。導(dǎo)帶電子和價帶空穴的數(shù)密度。導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子和價帶空穴的遷移率。導(dǎo)帶電子和價帶空穴的遷移率。:,hehe通常：通常：本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體:nm )(hehenemene11,m)/(,2Vsme)/(,2VsmheVEg,11. 1410414. 005. 067. 025. 235. 117. 040. 226. 22 . 2610410238. 0

39、05. 085. 07 . 703. 003. 018. 0002. 045. 007. 001. 0本征半導(dǎo)體基本參數(shù)本征半導(dǎo)體基本參數(shù)（二）非本征半導(dǎo)體（二）非本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體：雜質(zhì)半導(dǎo)體：對本征半導(dǎo)體摻雜、實(shí)現(xiàn)改變其電性或?qū)Ρ菊靼雽?dǎo)體摻雜、實(shí)現(xiàn)改變其電性或獲得某種功能獲得某種功能實(shí)際使用的半導(dǎo)體都是實(shí)際使用的半導(dǎo)體都是雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體1、N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體5價價P原子原子束縛電子束縛電子5價原子以價原子以替位式替位式參入本征參入本征 Si 或或 Ge 中中摻雜原子：摻雜原子：P, As, Sb未鍵合電子受雜質(zhì)原子的束縛很弱未鍵合電子受雜質(zhì)原子的束縛很弱結(jié)合能

40、：結(jié)合能：eV1 . 0Si單晶單晶eVEg1 . 104. 0044. 0049. 0SbPAsvEcEdEN型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)5價雜質(zhì)原子摻入相當(dāng)在價雜質(zhì)原子摻入相當(dāng)在導(dǎo)帶底引入導(dǎo)帶底引入施主雜質(zhì)能級施主雜質(zhì)能級雜質(zhì)能級上的束縛電子很易雜質(zhì)能級上的束縛電子很易被（熱和電）激發(fā)到導(dǎo)帶被（熱和電）激發(fā)到導(dǎo)帶5價雜質(zhì)原子向?qū)峁╇娮觾r雜質(zhì)原子向?qū)峁╇娮?價雜質(zhì)原子：價雜質(zhì)原子：施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)室溫下施主激發(fā)產(chǎn)生的電子數(shù)室溫下施主激發(fā)產(chǎn)生的電子數(shù)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于本征激發(fā)的電子或空穴數(shù)本征激發(fā)的電子或空穴數(shù)kTEe/N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：電子電子是多數(shù)載流子；是多數(shù)載流子；空穴空穴是

41、少數(shù)載流子是少數(shù)載流子ene2、P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體3價原子以替位式參入本征價原子以替位式參入本征 Si 或或 Ge中中摻雜原子：摻雜原子：Al, B, Ga3價原子的周圍共價價原子的周圍共價鍵缺一個電子、周圍鍵缺一個電子、周圍價電子很容易被激發(fā)價電子很容易被激發(fā)到這個電子空缺上到這個電子空缺上結(jié)合能：結(jié)合能：eV1 . 03價價B原子原子空位空位缺電子的位置缺電子的位置可看作可看作與雜質(zhì)與雜質(zhì)原子結(jié)合微弱原子結(jié)合微弱的空位。的空位。價電子向空位跳躍的過程等效于空位向價帶的運(yùn)動價電子向空位跳躍的過程等效于空位向價帶的運(yùn)動3價雜質(zhì)原子：價雜質(zhì)原子：受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)接受來自價帶的電子接受來自價帶的電

42、子P 型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)3價雜質(zhì)原子摻入相當(dāng)在價雜質(zhì)原子摻入相當(dāng)在價帶頂引入價帶頂引入受主雜質(zhì)能級受主雜質(zhì)能級價帶電子很易被（熱和價帶電子很易被（熱和電）激發(fā)到電）激發(fā)到受主受主能級上能級上Si單晶單晶eVEg1 . 1BAlGa045. 0057. 0065. 0vEcEaE室溫下受主激發(fā)在價帶中產(chǎn)生的空穴室溫下受主激發(fā)在價帶中產(chǎn)生的空穴數(shù)數(shù)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于本征激發(fā)的電子或空穴數(shù)本征激發(fā)的電子或空穴數(shù)P 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：電子電子使少數(shù)載流子；使少數(shù)載流子；空穴空穴是多數(shù)載流子是多數(shù)載流子Pme等效于空位被激發(fā)到價帶中、成為空穴等效于空位被激發(fā)到價帶中、成為空穴3、半導(dǎo)體摻雜工藝

43、、半導(dǎo)體摻雜工藝摻雜：摻雜： 將微量的施主或受主雜質(zhì)加入本征半導(dǎo)將微量的施主或受主雜質(zhì)加入本征半導(dǎo)體中、使之成為體中、使之成為 N 或或P型半導(dǎo)體的過程型半導(dǎo)體的過程摻雜物：摻雜物： 被摻入的物質(zhì)被摻入的物質(zhì)摻雜工藝方法：摻雜工藝方法：擴(kuò)散法擴(kuò)散法和和離子注入法離子注入法（1）擴(kuò)散法：）擴(kuò)散法：氣相法氣相法和和預(yù)沉積、高溫?zé)崽幚矸A(yù)沉積、高溫?zé)崽幚矸?a、氣相法：、氣相法：置硅片于置硅片于 1000 1100 oC 的擴(kuò)散爐中，的擴(kuò)散爐中，擴(kuò)散爐中充滿摻雜原子氣體。擴(kuò)散爐中充滿摻雜原子氣體?？刂齐s質(zhì)濃度和摻雜深度的工藝參數(shù)：控制雜質(zhì)濃度和摻雜深度的工藝參數(shù)：溫度、時間、氣相中摻雜原子濃度溫度、

44、時間、氣相中摻雜原子濃度（2）離子注入法：）離子注入法：b、預(yù)沉積、高溫?zé)崽幚矸ǎ?、預(yù)沉積、高溫?zé)崽幚矸ǎ篠i基板基板預(yù)沉積雜質(zhì)層預(yù)沉積雜質(zhì)層熱處理熱處理Si基板基板擴(kuò)散層擴(kuò)散層比氣相法更易比氣相法更易精確控制摻雜精確控制摻雜控制雜質(zhì)濃度和摻雜深度的工藝參數(shù)：控制雜質(zhì)濃度和摻雜深度的工藝參數(shù)：摻雜濃度和深度由摻雜濃度和深度由溫度和時間決定溫度和時間決定50100kV電壓電壓加速雜質(zhì)離子加速雜質(zhì)離子轟擊轟擊Si基板基板轟擊深度：轟擊深度：取決于雜質(zhì)原子的質(zhì)量、取決于雜質(zhì)原子的質(zhì)量、基板的晶格損傷可在適當(dāng)基板的晶格損傷可在適當(dāng)?shù)臏囟认峦嘶鹛幚硐臏囟认峦嘶鹛幚硐稍谑覝叵逻M(jìn)行、能精確控制摻雜可

45、在室溫下進(jìn)行、能精確控制摻雜濃度和深度、適于集成電路制作濃度和深度、適于集成電路制作加速電壓、及基板的表面狀態(tài)加速電壓、及基板的表面狀態(tài)雜質(zhì)量由預(yù)沉積層厚度決定雜質(zhì)量由預(yù)沉積層厚度決定EjehneVpeVjVh和和Ve分別為空穴和電子在電場中獲得的平均漂移速度分別為空穴和電子在電場中獲得的平均漂移速度 EVEVeehh比例常數(shù)比例常數(shù) h和和 e分別為空穴和電子的遷移率，均取正值分別為空穴和電子的遷移率，均取正值 Ejhepenen型半導(dǎo)體電阻率隨溫度的變化型半導(dǎo)體電阻率隨溫度的變化 RjBEy比例常數(shù)比例常數(shù)R稱為霍爾系數(shù)稱為霍爾系數(shù) 電子在磁場中的偏轉(zhuǎn)電子在磁場中的偏轉(zhuǎn) 絕緣材料的主要性能

46、指標(biāo)：絕緣材料的主要性能指標(biāo)：電阻率、介電系數(shù)、介質(zhì)損失電阻率、介電系數(shù)、介質(zhì)損失和和介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度（一）體電阻率和面電阻率（一）體電阻率和面電阻率體電阻率：體電阻率：表征載流子在材料表征載流子在材料體內(nèi)體內(nèi)輸運(yùn)時的能耗特征輸運(yùn)時的能耗特征面電阻率：面電阻率：表征載流子在材料表征載流子在材料表面或界面表面或界面輸運(yùn)時的能耗特征輸運(yùn)時的能耗特征測量方法：測量方法： 歐姆定律歐姆定律1、體電阻率、體電阻率A電極電極試樣試樣AdIVRVVV/:d:A試樣厚度試樣厚度電極面積電極面積電極被蒸鍍電極被蒸鍍在試樣上在試樣上AdIVRVVV/dARdIVAVVV/)/()(2、面電阻率、面電阻率A電極電極

47、試樣試樣（1）平行電極）平行電極LbIVRSSS/:b:L電極間距，電極間距，電極長度電極長度bLRSS/)./(qs)/ln()2/()2/(/1221rrdrrIVRSrrSSS)/ln(/2)/ln(/21212DDRrrRSSS:1D:2D芯電極直徑芯電極直徑環(huán)電極內(nèi)徑環(huán)電極內(nèi)徑（2）對環(huán)狀電極）對環(huán)狀電極)2/(/21rdrIVRrrSSSA芯電極芯電極環(huán)電極環(huán)電極試樣試樣絕緣材料：絕緣材料：陶瓷、高分子聚合物陶瓷、高分子聚合物制作或合成過程引入的雜質(zhì)會降低材料電阻率制作或合成過程引入的雜質(zhì)會降低材料電阻率影響聚合物電阻率的因素：影響聚合物電阻率的因素：未反應(yīng)的單體、殘留的引發(fā)劑、輔

48、助劑及吸附的水分等未反應(yīng)的單體、殘留的引發(fā)劑、輔助劑及吸附的水分等潮濕空氣中吸附的表面水分會使表面電阻率大幅度降低潮濕空氣中吸附的表面水分會使表面電阻率大幅度降低 顯然，Bc的大小與溫度有關(guān) 破壞超導(dǎo)態(tài)的最小磁場 Bc0是0K時對應(yīng)的臨界磁場強(qiáng)度 臨界超導(dǎo)電流：Jc 保持超導(dǎo)態(tài)的最大輸入電流，與磁場作用有關(guān)。 總結(jié)：只有在一定溫度和磁場內(nèi)才有超導(dǎo)性。 材料導(dǎo)電性的測量實(shí)際上歸結(jié)為一定幾何尺寸試樣電阻的材料導(dǎo)電性的測量實(shí)際上歸結(jié)為一定幾何尺寸試樣電阻的測量，因?yàn)楦鶕?jù)幾何尺寸和電阻值就可以計算出電阻率。測量，因?yàn)楦鶕?jù)幾何尺寸和電阻值就可以計算出電阻率。根據(jù)跟蹤測量試樣在變溫或變壓裝置中的電阻，就可

49、以建根據(jù)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壓力的關(guān)系，從而得到電阻溫度系數(shù)或電立電阻與溫度或壓力的關(guān)系，從而得到電阻溫度系數(shù)或電阻壓力系數(shù)。阻壓力系數(shù)。 電阻的測量分為：直流指示測量法和直流比較測量法。電阻的測量分為：直流指示測量法和直流比較測量法。 直流指示測量法：直接測量法和間接測量法直流指示測量法：直接測量法和間接測量法 直流比較測量法：直流電橋測量法和直流補(bǔ)償測量法直流比較測量法：直流電橋測量法和直流補(bǔ)償測量法 用電流表和電壓表測量直流電阻時，有以下兩種接線方法。用電流表和電壓表測量直流電阻時，有以下兩種接線方法。 （a）中的線路，根據(jù)電壓表和）中的線路，根據(jù)

50、電壓表和電流表的指示電流表的指示Uv和和Ia計算的電阻計算的電阻為為 avxIUR由于 aaxvRIUUaaxxRIURaxaxxxRRRIUR 方法誤差為：方法誤差為：xaxxxaRRRRR （b）中的線路）中的線路vxvavxIIUIUR vvvRUI 為電壓表中的電流為電壓表中的電流 vxvxvxxxxvxxxxRRRRRIUIURUIUR11 Uv=Ux根據(jù)儀表示值計算出的電阻根據(jù)儀表示值計算出的電阻Rx是是Rx和和Rv的并聯(lián)總電阻。由此可得，圖（的并聯(lián)總電阻。由此可得，圖（b）線路的方法誤差為線路的方法誤差為 vxxvxxxxbRRRRRRRR111 單電橋又稱惠斯登電橋，是單電橋又

51、稱惠斯登電橋，是橋式電路中最簡單地一種，橋式電路中最簡單地一種，采用經(jīng)典的橋式測量線路，采用經(jīng)典的橋式測量線路，由連接成封閉環(huán)形的四個電由連接成封閉環(huán)形的四個電阻組成。接上工作電源的阻組成。接上工作電源的ac稱為輸入端，接上平衡用指稱為輸入端，接上平衡用指零計的零計的bd稱為輸出端，如圖稱為輸出端，如圖所示。所示。 如果在單電橋線路中電阻如果在單電橋線路中電阻R1，R2和和R4已知，則調(diào)節(jié)這些已知已知，則調(diào)節(jié)這些已知電阻達(dá)到某一數(shù)值時，可以使頂電阻達(dá)到某一數(shù)值時，可以使頂點(diǎn)點(diǎn)b和和d的電位相等，這時指零儀的電位相等，這時指零儀中電流中電流Ig0，因此有，因此有 I1R1I3RX I2R2I4R

52、4 4432211RIRIRIRIx因?yàn)殡姌蚱胶猓ㄒ驗(yàn)殡姌蚱胶猓↖g0）時，）時，I1I2，I3I4，故上式簡化為，故上式簡化為 214RRRRx 用電橋測量電阻時的相對誤差決定于各已知電阻的相對補(bǔ)用電橋測量電阻時的相對誤差決定于各已知電阻的相對補(bǔ)償，當(dāng)償，當(dāng)R2數(shù)值偏大時待測電阻數(shù)值偏大時待測電阻Rx的讀數(shù)將偏小。通常在電的讀數(shù)將偏小。通常在電阻測量時選擇一個與待測電阻阻測量時選擇一個與待測電阻Rx有同一數(shù)量級的有同一數(shù)量級的R1作為標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)電阻準(zhǔn)電阻Rn以較小誤差，提高測量精度。以較小誤差，提高測量精度。 當(dāng)電橋四個電阻相等時，其線路靈敏度接近最大值。此外當(dāng)電橋四個電阻相等時，其線路靈敏

53、度接近最大值。此外考慮到電橋的靈敏度正比于電源電壓，故在各電阻允許的考慮到電橋的靈敏度正比于電源電壓，故在各電阻允許的功率條件下，工作電源的電壓功率條件下，工作電源的電壓U應(yīng)盡可能大一些。應(yīng)盡可能大一些。 必須指出，單電橋測量電阻是基于電橋各頂點(diǎn)必須指出，單電橋測量電阻是基于電橋各頂點(diǎn)a,b,c,d間的間的電勢降落只發(fā)生在各電阻上，但是，實(shí)際上并非如此，在電勢降落只發(fā)生在各電阻上，但是，實(shí)際上并非如此，在線路的接線上存在著導(dǎo)線和接頭的附加電阻。倘若待測電線路的接線上存在著導(dǎo)線和接頭的附加電阻。倘若待測電阻阻Rx較小，數(shù)量級接近于附加電阻，將出現(xiàn)不允許的測量較小，數(shù)量級接近于附加電阻，將出現(xiàn)不允

54、許的測量誤差?？梢姡瑔坞姌蜻m合于測量較大的電阻（誤差?？梢?，單電橋適合于測量較大的電阻（102106 ）。）。 雙電橋又稱開爾文電橋，是測量電阻值低于雙電橋又稱開爾文電橋，是測量電阻值低于10 的一種常的一種常用測量儀器用測量儀器 待測電阻待測電阻Rx和標(biāo)準(zhǔn)電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻RN相互串聯(lián)，并串聯(lián)于有恒直相互串聯(lián)，并串聯(lián)于有恒直流源的回路中。由可調(diào)電阻流源的回路中。由可調(diào)電阻R1、R2、R3、R4組成的電橋組成的電橋臂線路與臂線路與Rx、RN線段并聯(lián)，并在其間的線段并聯(lián)，并在其間的B、D點(diǎn)連接檢點(diǎn)連接檢流計流計G。調(diào)節(jié)可變電阻調(diào)節(jié)可變電阻R1、R2、R3、R4，使電橋達(dá)到平衡，即此時檢，使電橋達(dá)到平

55、衡，即此時檢流計流計G指示為零（指示為零（UB=UD，B與與D點(diǎn)電位相等。點(diǎn)電位相等。 11323RIRIRIx21423RIRIRINrIIRRI)()(23432)(432143421RRRRrRRrRRRRRNx)(432143421RRRRrRRrRRRRRNx 式中，第二項(xiàng)為附加項(xiàng)。為了使該項(xiàng)等于零或接近于式中，第二項(xiàng)為附加項(xiàng)。為了使該項(xiàng)等于零或接近于零，必須滿足得條件是可調(diào)電阻零，必須滿足得條件是可調(diào)電阻R1R3，R2R4。這。這樣樣Rx=(R1*RN)/R2=(R3*RN)/R4 為了滿足上述條件，在雙電橋結(jié)構(gòu)設(shè)計上有所考慮：為了滿足上述條件，在雙電橋結(jié)構(gòu)設(shè)計上有所考慮：無論可調(diào)

56、電阻處于何位置，可調(diào)電阻無論可調(diào)電阻處于何位置，可調(diào)電阻R1=R3，R2=R4（使（使R1與與R3和和R2與與R4分別做到同軸可調(diào)旋轉(zhuǎn)式電阻）。分別做到同軸可調(diào)旋轉(zhuǎn)式電阻）。R1、R2、R3、R4的電阻不應(yīng)小于的電阻不應(yīng)小于10 ，只有這樣，雙，只有這樣，雙電橋線路中的導(dǎo)線和接觸電阻可忽略不計（為使電橋線路中的導(dǎo)線和接觸電阻可忽略不計（為使r值盡值盡量小，選擇連接量小，選擇連接RX、RN的一段銅導(dǎo)線應(yīng)盡量短而的一段銅導(dǎo)線應(yīng)盡量短而粗）。粗）。直流電位差計是比較測量法測量電動勢（或電直流電位差計是比較測量法測量電動勢（或電壓）的一種儀器。它是基于被測量與已知量相壓）的一種儀器。它是基于被測量與已

57、知量相互補(bǔ)償?shù)脑韥韺?shí)現(xiàn)測量的一種方法。用來進(jìn)互補(bǔ)償?shù)脑韥韺?shí)現(xiàn)測量的一種方法。用來進(jìn)行比較的已知量一般是標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢，比行比較的已知量一般是標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢，比較方式是使某一電路通過電位差計中的電阻，較方式是使某一電路通過電位差計中的電阻，并在其中形成一個已知壓降，取這已知壓降的并在其中形成一個已知壓降，取這已知壓降的一部分（或全部）與被測電動勢（或電壓）相一部分（或全部）與被測電動勢（或電壓）相比較，從而測定被測量的大小比較，從而測定被測量的大小 右圖所示為目前通用的用標(biāo)準(zhǔn)電池來校右圖所示為目前通用的用標(biāo)準(zhǔn)電池來校準(zhǔn)工作電流的直流電位差計線路原理。準(zhǔn)工作電流的直流電位差計線路原理。圖中

58、圖中E為電位差計工作電源的電動勢，為電位差計工作電源的電動勢，RP為調(diào)節(jié)工作電流的調(diào)節(jié)電阻；為調(diào)節(jié)工作電流的調(diào)節(jié)電阻；RK為為測量電阻（或稱為補(bǔ)償電阻），是電位測量電阻（或稱為補(bǔ)償電阻），是電位器器R的輸出部分，其數(shù)值是準(zhǔn)確知道的；的輸出部分，其數(shù)值是準(zhǔn)確知道的；G為指零儀，一般多采用電磁系檢流計；為指零儀，一般多采用電磁系檢流計；EX為待測電動勢；為待測電動勢；EN為標(biāo)準(zhǔn)電池的電為標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢；動勢；RNRN1RN2為準(zhǔn)確知道數(shù)為準(zhǔn)確知道數(shù)值的電阻，稱為工作電流調(diào)定電阻，其值的電阻，稱為工作電流調(diào)定電阻，其數(shù)值可以根據(jù)電位差計的工作電流來選數(shù)值可以根據(jù)電位差計的工作電流來選定；定；K為單

59、刀雙擲開關(guān)。整個線路包括為單刀雙擲開關(guān)。整個線路包括工作電流回路、標(biāo)準(zhǔn)回路和測量回路三工作電流回路、標(biāo)準(zhǔn)回路和測量回路三部分。工作電流回路由工作電源、調(diào)節(jié)部分。工作電流回路由工作電源、調(diào)節(jié)電阻電阻RP以及全部調(diào)定電阻和測量電阻組以及全部調(diào)定電阻和測量電阻組成。標(biāo)準(zhǔn)回路也稱為調(diào)定工作電流回路，成。標(biāo)準(zhǔn)回路也稱為調(diào)定工作電流回路，由標(biāo)準(zhǔn)電池、換接開關(guān)、指零儀和調(diào)定由標(biāo)準(zhǔn)電池、換接開關(guān)、指零儀和調(diào)定電阻電阻RN組成。測量回路也稱補(bǔ)償回路，組成。測量回路也稱補(bǔ)償回路，它由待測電動勢它由待測電動勢EX（或待測電壓（或待測電壓UX）、）、指零儀、換接開關(guān)和測量電阻指零儀、換接開關(guān)和測量電阻RK組成。組成。

60、為了測量電動勢為了測量電動勢EX，首先利用，首先利用變阻器變阻器RP調(diào)節(jié)好該電位差計所調(diào)節(jié)好該電位差計所規(guī)定的工作電流，稱為電流標(biāo)規(guī)定的工作電流，稱為電流標(biāo)準(zhǔn)化。調(diào)節(jié)時，把開關(guān)準(zhǔn)化。調(diào)節(jié)時，把開關(guān)K合向合向N位置，改變位置，改變RP的值直至檢流計的值直至檢流計處于零位。這時標(biāo)準(zhǔn)電池的電處于零位。這時標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢動勢EN已經(jīng)被調(diào)節(jié)電阻上的已經(jīng)被調(diào)節(jié)電阻上的電壓降電壓降IRN所補(bǔ)償，電位差計所補(bǔ)償，電位差計所需的工作電流即已調(diào)定，其所需的工作電流即已調(diào)定，其大小為大小為 NNREI 工作電流調(diào)好后，把換接開關(guān)工作電流調(diào)好后，把換接開關(guān)K合向合向X位置。然后移動測量電位置。然后移動測量電阻阻R的