材料物理性能-蔡苇-功材2013_学霸学习网
材料物理性能-蔡苇-功材2013
材料物理性能蔡苇 博士/教授
weicai_cqust@ 2015.91冶金与材料工程学院个人简介2010年破格评为副教授，2012年破格评为教授，2013年起任重 庆市科技青年联合会理事。2014年9月至2015年9月由国家留学基金 委公派至美国Rutgers, The State University of New Jersey （2015 U.S News世界排名55，凝聚态物理排名15）物理与天文系SangWook Cheong教授组访学1年。 近年来主持国家自然科学基金等省部级以上项目7项。主研14 项省部级以上项目，获重庆市自然科学二等奖1项和重庆市教学成 果三等奖1项，主要从事功能材料（尤其是电、磁功能材料）相关 研究。以第一作者/通讯作者发表学术论文45篇(其中25篇被SCI收 录, 10篇被EI收录)，编写规划教材2部。在指导大学生科技创新方 面具有丰富的经验，指导学生完成重庆科技学院优秀创新人才资助 计划、大学生科技创新项目8项，指导学生获第十一届全国大学生 “挑战杯”课外学术科技作品竞赛重庆市二等奖，指导本科生以第 一作者发表学术论文16篇（其中SCI收录5篇，中文核心9篇）。2世界各国重点和优先 发展的技术是什么？①新材料技术、②信息技术、③能源技术、④生物技术、⑤先进制 造技术、⑥航空航天技术、⑦环境保护技术等已经成为影响人类进步的重要技术。其中新材料技术是重中之重的技术。其他任何技术的发展都离不开材料的发展。没有高性能的材料作为基础，现代社 会的文明很难再上一层楼！3比如：信息技术追求的是信息存储的密度和速度，而信息存储的密度和速度的提高与材料的发展是息息相关的。固态硬盘 SSD 闪存 机械硬盘 HDD 磁性 混合硬盘 HHD4能源技术：氢能源，太阳能的转换（光热、光电）氢 能 发 电 机5生物技术：本身就是材料技术的发展6先进制造技术： 零件制备精度的提高有赖于设备材料性能的提高；7航空航天技术：该技术是一门综合的科学技术，与材料、信息技术密切关联。航天器的回收，航天器的耐磨性，航天服材料的发展，航天靴由压力靴和舱外热防护套靴组成，其中压力靴是服装气密加 具有减震、隔热、消声、通风、供氧等功能。压限制层的延续。航天头盔由头盔壳、面窗结构和颈圈等组件构成，8环境保护技术：该技术的发展也需要环保材料的进步，比如可降解的塑料，污水处理所用的添加剂等都是材料的进步。可降解塑料污水处理添加剂光致变色材料总之，没有高性能的材料作为基础，现代社会的文明很难再上 一层楼！9compositionpropertystructureprocess材料科学的核心四面体重庆科技学院10?物理性能是材料科学研究重要组成部分，材料科学包括：制备与合成、性能、应用?基础是：物理学、化学等学科，是这些学科在材料性能方面的应用重庆科技学院11? ??材料的性能主要是由其结构因素所决定的。 材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的 行为的参量。 研究方法有：经验方法、机理（反映本质的基本关系 出发，建立物理模型等） 材料设计、计算材料学?重庆科技学院12?现代材料科学在较大程度上依赖于材料性能与其成分 关系 及结构之间的关系。?成分与结构有从宏观到微观的各个不同层次，测试技 术和表征技术是联系它们的工具。重庆科技学院13?物质的结构：晶体的结构；晶体的缺陷；玻璃的结 构；固体的表面结构 材料的显微结构：在显微镜下直至电子显微镜下观 察到的结构组织；包括：相种类、多少、分布、晶 粒尺寸、形状；气孔大小和分布；杂质、缺陷、晶 界等。结构?重庆科技学院14?材料使用中表现有多少行为，就对应有多少性能。 性能 （结构材料和功能材料的划分） 外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。 多数的性能都有量纲。为了便于学习、测试和研究， 常采用不同的标准来划分性能??重庆科技学院15为什么要研究材 料的性能？16材料性能研究的重要性1.材料性能的研究，贯穿于整个人类的文明史 石器 陶器 青铜器 钢铁 合成材料 新型材料人类使用的材料，即材料的性能决定了人类的文明程序。172.材料性能决定了材料用途 金属铁 金属铜 半导体Si 铝合金 AlN等无机 强度、硬度高 导电性能好 半导体特性 比强度高 压电性 结构件 电线、电缆 大规模集成电路 航空航天 超声波元件，滤波器18研究材料和生产材料的目的→应用材料 →材料能否达到 要求和优劣、性能价格比（科技发展对材料的性能要求越 来越高）。 有些场合要求材料某方面的指标越高越好；有些场合 要考虑其“性价比”，即达到使用要求即可。 那么，性能如何表征和测试、性能的物理本质、影响 性能的因素、如何正确选择材料和提高材料的性能是材料 科学的基础知识。19●力学性能●物理性能 由材料的物理本质所决定的性能。是材料在热、电、磁、光等 作用下通过材料的物理本质所表现出的不同性能。作为功能材料最 重要的性能指标。 ●化学性能 材料在一定环境条件下抵抗各种介质化学作用的能力。如耐腐 蚀性能、抗氧化性能等。?工艺性能 材料在不同制造工艺条件下所表现出来的承受加工的能力，是 物理、化学性能的综合。直接影响材料使用的方式、成本、生产效 率等。20为什么要学习和研究材料的性能材料科学的根本任务是：材料制备、提高材料性能、开发 性能优异的新材料、研究材料的应用，以满足各行业对材 料性能要求日益提高的需要。最终归结到材料性能上。通过材料性能的学习，可以掌握材料性能的基本概念、 物理本质、变化规律及性能指标的工程意义，了解影响材 料性能的各种因素及材料性能与其化学成分、组织结构间 的关系，掌握改善和提高材料性能、充分发挥材料性能潜 力的主要途径，同时了解材料性能的测试原理、方法及相 关仪器设备。21意义?意义判断材料的优劣?正确选择和使用材料---立足材料的性能改变材料的性能 贯穿材料的结构-性能-制备-应用这个关系??重庆科技学院22知识要求 ? 物理?化学? 固体物理 ? 物理化学23本课程的学习特点? 重视物理基本概念的描述（公式相对次要）? 重视介绍表征材料物理性能的主要参数? 描述这些物性与材料的成分、组织结构、工艺过 程的关系及变化规律。 ? 以介绍材料物理性能为主线，把性能、材料和主 要测试方法有机地结合起来241.课前预习，包括一些普通物理知识；2.3. 4. 5. 6. 7.在课件的基础上认真作笔记；及时复习、归纳； 完成作业，检验学习的效果； 注意复习，温故而知新； 善于思考问题，积极提出问题； 不迟到，不早退，不旷课，有事请假。25课程考核方式 ? 平时30% ? 期末考试（70%）26教材及参考书参考书：1．耿桂宏. 材料物理与性能学. 北京大学出版社, 2010. 2. 陈文. 材料物理性能. 武汉理工大学出版社, 2010. 3. 邱成军. 材料物理性能. 哈尔滨工业大学出版社, 2009.27第1章 概论?意义材料物理性能定义 外界因素（物理因素）作用于某一物体，引起物 体内部原子、分子及电子的微观运动，在宏观上表 现为感应物理量，使物体呈现某一物理性能。材料的物理性能强烈依赖于物质不同层次的结构组成。重庆科技学院28意义 1.1 电子排布规律及电子理论?? ??原子结构不同，材料的所表现出来的各种物理性能则 有很大不同。 单个原子的结构：核外电子运动状态+排布规律。 而金属电子理论是以单个原子结构为出发点研究金属 原子集合体中电子的能量状态（主要是指原子最外层 活跃的价电子）。 三个阶段：经典自由电子学说、量子自由电子学说和 现代能带理论。重庆科技学院291.1.1 核外电子排布规律?意义单电子的状态由四个量子数决定，即：主量子数n， 角量子数l，磁量子数m，自旋量子数ms。此四个量子 数决定了电子的运动状态。 电子在原子中是按一定规则来排布的： 泡利不相容原理：在一个原子中，不可能有两个或两 个以上的电子具有完全相同的状态（即完全相同的四 个量子数）； 能量最小原理：电子按能量由低到高的次序填充各壳 层，从而使体系能量最低，最稳定。 重庆科技学院30???主量子数n它可以取非零的任意正整数，即1，2，3…n。它决定电子在核外空间出现概率最大的区域离核的远 近，并且是决定电子能量高低的主要因素。n＝1时，电 子离核的平均距离最近，能量最低。n愈大，电子离核的 平均距离愈远，能量愈高。所以n也称电子层数（electron shell number）重庆科技学院31角量子数l（也称轨道角动量量子数，orbital angular momentum quantum number）它的取值受主量子数的限制，它只能小于n的正整数并 包括零，即l可以等于0、1、2、、3…（n-1），共可取n个 数值。 按光谱学的习惯，l＝0时，用符号s表示，l＝1时，用 符号p表示，l＝2时，用符号d表示，l＝3时用符号f表示等 等。重庆科技学院32轨道角动量量子数决定原子轨道的形状。如l＝0时， 原子轨道呈球形分布；l＝1时，原子轨道呈双球形分布等 。在多电子原子中，轨道角动量量子数也是决定电子能量 高低的因素。所以，在多电子原子中，主量子数相同、轨 道角动量量子数不同的电子，其能量是不相等的，即在同 一电子层中的电子还可分为若干不同的能级（energy level ）或称亚层（subshell），当主量子数n相同时，轨道角动 量量子数l愈大，能量愈高。于是有Ens＜Enp＜End＜Enf重庆科技学院33磁量子数ml（magnetic quantum number）它的取值受轨道角动量量子数的限制。即m可以等于0 、+1、+2，…+l等整数。所以，磁量子数共有（2l+1）个 数值。 磁量子数决定原子轨道在空间的伸展方向，但它与电 子的能量无关。例如l＝1时，磁量子数可以有三个取值， 即m＝0、+1，说明p轨道在空间有三种不同的伸展方向， 即共有三个p轨道。但这3个p轨道的能量相同，即能级相同 ，称为简并或等价轨道。 Ml的取值数也代表亚层中具有的轨道数 重庆科技学院34重庆科技学院35例:n＝1时，l只能等于0，m也只能等于0，三个量子数的组合 只有一种，即1、0、0，说明第一电子层只有一个能级，也 只有一个轨道。 n＝2时，l可以等于0和1，所以第二电子层共有两个能级。 当n＝2、l＝0时，m只能等于0；而当n＝2、l＝1时，m可以 等于0、+1。它们的量子数组合共有4种，即2，0，0；2，1 ，0；2，1，+1。这也说明第二电子层共有4个轨道，其中2 ，0，0的组合是一个能级，其余三种组合属第二个较高的 能级。 每个电子层的轨道总数应为n2。 重庆科技学院36表 量子数组合和轨道数主量子数n 1 角量子数l 0 0 2 1 0 磁量子数m 0 0 0 ±1 0 0 1 3 0 ±1 2 Ψ3dz2 Ψ3dxz，Ψ3dyz ±1 波函数ψ Ψ1s Ψ2s Ψ2Pz Ψ2Px ，Ψ2Py Ψ3s Ψ3Pz Ψ3Px，Ψ3Py 9 4 同一电子层的 轨道数（n2） 1±2Ψ3dxy，Ψ3dx2-y2重庆科技学院37上述三个量子数的合理组合决定了一个原子轨道。但 要描述电子的运动状态还需要第四个量子数－自旋角动量 量子数（spin angular momentum quantum number），用符 号si表示。它与n、l、m无关。电子本身还有自旋运动。 自旋运动有两种相反方向，重庆科技学院38电子自旋运动示意图 分别用自旋角动量量子数+1/2和-1/2两个数值表示，也可用正 反两个箭头符号↑和↓表示。 两个电子的自旋方向相同时称为平行自旋，反之称为反平行自旋 。 一个电子的运动状态需要有四个量子数才能表示。
重庆科技学院39多电子原子中电子分布规律如下： ? 四个量子数确定以后，电子位Z随之确定。四个量子数都相同的 电子只有一个。? 凡主量子数相同的电子最多只有2n2个。? 依据洪特法则(Hund)，电子次壳层全充满、半充满或全空时是稳 定状态（原子能力最低）。40? 影响电子填充次序的还有屏蔽效应和穿透效应。 在多电子的原子中，不但原子核对电子有吸引作用， 还有电子间的相互排斥。内层电子对外层电子的排斥意味 着核电荷对外层电子的引力减弱，相当于屏蔽作用。主壳 层中的s电子对同壳层其他能态电子有较大的屏蔽作用表明 ，它们靠原子核近，有穿透到内部空间更靠近核的作用。411.1.2 经典自由电子理论 原子中只是外围的价电子在金属键中起主要作用，其 决定着固体金属的强度、硬度等特性，而内部满壳层中的 电子实质上是没有影响的。因此经典自由电子论主要考虑 了价电子的作用，且在金属中所有原子的价电子是共有的 ，并可在金属中自由运动，故称之为自由电子。42? 经典电子理论可解释金属具有良好的导电性和导热性。 ? 无法很好解释电子热熔以及电导率与温度的变化关系。? 不能解释一、二价金属的导电问题（即二价金属导电性 比一价金属更好），但实际情况并非如此。经典自由电子理论的种种不足的根源在于其立足于牛 顿力学，而对微观粒子运动问题，需要由量子力学解决。431.1.3 量子自由电子理论 量子自由电子理论同意经典自由电子学说所认为的价 电子是完全自由的，但其认为自由电子的状态不服从麦克 斯韦-波尔茨曼统计规律，而是服从费米-狄拉克（FermiDirac）的量子统计规律。即量子自由电子理论与经典电子理论的主要区别在于 电子运动服从量子力学原理。44? 经典电子理论认为所有价电子都参加导电，量子自由电 子理论认为只有那些在费米-狄拉克分布曲线端部的电子能 参加导电。 ? 尽管量子自由电子理论可解释电导率问题，但无法解释 为什么有的固体是导体，有的是半导体，而有的是绝缘体 。451.2 能带理论意义导带：电子未填满的能带，通常指最低的不满带。 对于金属，所有价电子所处的能带就是导带（即金属中价 带与导带重叠）。 对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带 能量更高的能带是导带。在绝对零度温度下，半导体的价 带是满带，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子 会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后即成 为导电的能带――导带。 （空带-导带，满带-价带）重庆科技学院46价带(valence band)：价电子能级分裂而成的能带称为价带。能量 比价带低的各能带一般都是满带，价带可以是满带，也可以是导带: 在金属中是导带。在绝缘体中和半导体中是满带。但半导体很容易 因其中有杂质或受外界影响（如光照，升温等），使价带中的电子 数目减少，或使空带中出现一些电子而成为导带，因而也能导电。 满带(full band)：完全被电子占据的能带。 空带(empty band) ：无电子填充的能带。 禁带(band gap)：通常是指价带最高能级与导带最低能级之间的能 量间隙。由于金属的价带与导带重叠，因此无禁带。47导体、绝缘体、半导体?导体: 电阻率为10-8~10-4Ω?m；?半导体: 电阻率是10-5~10-7Ω?m； ?绝缘体: 电阻率是108~1018Ω?m。48导电?经典的导电概念:自由电子在外场作用下作定向运动?费米分布的观点:未满能级的布氏区中的电子在外场作用 下，使费米分布出现不对称性?能带结构：一部分电子获得能量后在能带中运动49导体、半导体、绝缘体能带50第2章 材料的电学性能 2.1.1 电导意义V I? RL R?? SI=SJ，J为电流密度（定义：单位面积通过的电流量，单位A/m2）V=LE，E为电场强度（定义：单位长度上所施加的电压，单位V/m）重庆科技学院51J?E?由于电阻率ρ是材料自身的性质，与几何尺寸无关，因此常用 电阻率ρ来评定材料的导电性。??1?J=σE52电导机理 ? 宏观导电性：带电粒子响应电场的作用发生定向移动 ? 载流子：参与传导电流的带电粒子 电子（电子、电子空穴）、离子（正离子、负离子和 空位） 电子电导 离子电导 载流子可能是一种，也可能是几种，起主导作用的为 主要载流子53? 金属材料：处于公有化运动在电场作用下可定向移动的 自由电子才是载流子。 ? 半导体材料：电子（导带）/空穴（价带），n/p型；多 数载流子/少数载流子? 陶瓷： 核外未排满的次外层上的电子导电 价带空穴/导带电子 离子导电（离子键结合）? 高分子 载流子数量很少54导电的微观本质：载流子在电场作用下的定向迁移J=nqvσ=J/E=nqv/Eμ=v/E：载流子的迁移率，其物理意义为载流子在单位电 场下的迁移速度 ζ=nqμni qi ?i 多种载流子： ? ? ? i ? i 影响电导率的主要因素是载流子的浓度和迁移率55??导电性理论 ? 经典自由电子理论ne 2 ?? ? ? ? 2m v 2m局限性：自由电子数量越多，导电性越好。似乎二、三价 金属的导电性比一价金属好，但实际却是一价金属的导电 性比二、三价金属要好。材料 Ag Cu Ca Mg Ga Al2ne 2l电子结构 1s22s2p63s2p6d104s2p6d105s1 1s 2s p 3s p d 4s 1s22s2p63s2p64s2 1s22s2p63s2 1s22s2p63s2p6d104s2p1 1s22s2p63s2p12 6 2 6 10 1电导率 σ (× 107Ω-1?cm-1) 5.98 6.80 3.16 2.25 0.66 3.7756局限性： ?ρ应与热力学温度T成正比，但实际却是ρ与T成反比 ?无法解释超导根源：忽略了电子之间的排斥作用和正离子点阵周期场的 作用，是立足于牛顿力学的宏观运动，而对于微观粒子的 运动问题，需要利用量子力学来进行解决57? 量子自由电子理论 认为金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离 子间没有相互作用，且为整个金属所有，可以在整个金属 中自由运动。但这一理论认为，金属中每个原子的内层电 子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子按量 子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。58电子具有波粒二象性。运动的电子作为物质波，其频率和波长与电 子的运动速率或动量之间的关系为h h ?? ? mv p2?2? mv 2? p ? ? ? h h1 2 E ? mv 2式中：h22E?2?h28? m2K28? m，K ??（称为波数频率），它是表征金属中自由电子可能具有的能量状态的参数59自由电子的E-K曲线电场对E-K曲线的影响60材料产生电阻的本质： 当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵（完 整无缺陷）时，它将不会受到散射而无阻碍地传播，这时 材料是一个理想的导体；而只有在由于晶体点阵离子的热 振动以及晶体中的异类原子、位错和点缺陷等使晶体点阵 周期性遭到破坏的地方，电子波受到散射，对其传播进行 了阻碍，降低了导电性。61??nef e2 2m??nef e2 2mpnef为单位体积内参与导电的电子数，称为有效自由电子数；η为两 次反射之间的平均时间；p为单位时间内散射的次数，称为散射概 率。不同的材料nef不同，一价金属的nef比二、三价金属多，因此一 价金属比二、三价金属导电性好。62(金属): 温度升高离子热振动的振幅大，电子在传播中就 容易受到散射，散射概率p与温度成正比，而ζ与温度成反 比，这是金属导电性随温度升高而降低的原因。 电子的能级是分立不连续的，只有那些处在高能级的 电子才能够跳到没有别的电子占据的更高能级上去，那些 处于低能级的电子不能跳到较高的能级上去，因为那些较 高能级已经被别的电子所占据。热激发的电子的数量远低 于总的价电子数，因此，用量子自由电子理论推导出的比 热容可以解释实验结果。63量子自由电子理论局限性： 较好地解释了金属导电的本质，但它假定金属中离子 所产生的势场是均匀的，因此还不能很好地解释诸如铁磁 性、相结构以及结合力等一些问题。 为此，在量子自由电子理论的基础上，考虑离子所造 成的周期性势场的存在，导出了电子在金属中的分布特点 ，建立了禁带的概念，形成了能带理论。64? 能带理论 单个原子：每个电子都占有一个分立的能级，由泡利不相 容原理可知，每个能级只能容纳2个电子。如一个原子的 2s轨道只能有一个能级，可容纳2个电子，2p轨道有3个能 级，可容纳6个电子。固体（原子聚集体）：当固体中有N个原子，这N个原子 的2s轨道的电子会相互影响，这时就必须有N个不同的分 立的能级来安排所有这些2s轨道的电子（共有2N个）。2s 轨道的N个分立的能级组合在一起，就成为2s的能带。同 样2p轨道的3N个分立的能级组合在一起，成为2p能带， 可容纳6N个电子。6566钠的能带结构67能带理论对固体导电性的解释 ? 当温度为0K时，只有下面一半的能级被电子占据，而上面一半的 能级没有被电子占据，称为费米能级。 ?当温度高于0K时，有部分电子获得了能量，跃迁到价带里的较高 能级，而在相对应的低能级上失去了电子，从而产生了相同数量的 空穴，这些激发电子和空穴都是载流子，如图所示。所有外层电子占据 尽可能低的能级部分电子跃迁到原来的空能级68两个相邻能带出现重叠，从而使得 禁带消失。能带重叠的程度与原子 间距有关，原子间距越小，重叠的 程度越大。镁的能带结构 能带理论除了对金属导电性有很好的解释外，还可以很好地解 释半导体和绝缘体的导电性。69? 连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动经典―自由 电子理论 ? 不连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动―量子自 由电子理论? 不连续能量分布的价电子在周期性势场中的运动―能带 理论70晶体的能带晶体的能带中，物质的导电性反映为： (价带： 导带： 禁带：band gap） 它的价带是否被填满是否存在禁带禁带宽度的大小重庆科技学院71导体与非导体的区别?金属导体的能带分布 一是价带和导带重叠，而无禁带； 二是价带未被价电子填满，所以这种价带本身就是导带。这两种情 况下的价电子就是自由电子，所以金属导体即使在温度较低的情况下 仍有大量的自由电子，具有很强的导电能力。?非导体（包括半导体和绝缘体）在绝对零度时，其能带情况是满价 带和空导带且有禁带，故基本无导电能力。重庆科技学院72半导体和绝缘体的区别? 半导体和绝缘体的能带图的区别仅是禁带宽度的大小。（绝缘体： 3ev~6ev, 半导体: 0.1 ev~2ev) ? 禁带宽度的大小就影响到自由电子数量的多少，禁带宽度小，自由 电子多，反之就少。重庆科技学院732.1.2 金属的导电性? 金属的导电机制 ???nef e2 2m??nef e2 2mp适用于金属/非金属当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时，它将不会 受到散射而无阻碍地传播，这时ρ＝0，而ζ为无穷大，即此时的材料 是一个理想的导体。 只有在晶体点阵的完整性以及由于晶体点阵离子的热振动，晶 体中的异类原子、位错和点缺陷等使晶体点阵的周期性遭到破坏的 地方，电子波才会受到散射，从而产生了阻碍作用，降低了导电性 ，这就是材料产生电阻的本质所在。
重庆科技学院74? 散射系数p和电导率成反比。对于金属而言，温度升高离子热振动 的振幅愈大，电子就愈易受到散射，这就是金属的电阻随温度升高 而增大的原因。 ? 实际的晶体不但有杂质，而且还存在缺陷。传导电子的散射发生在 电子－声子、电子－杂质原子以及与其他晶体点阵静态缺陷相碰撞 的时候。理想金属的电阻对应着两种散射机制（声子散射和电子散 射），可以看成为基本电阻。这个电阻在绝对零度时降为零。第三 种机制（电子在杂质和缺陷上的散射）在有缺陷的晶体中，是绝对 零度下金属的残余电阻。这个电阻反映了金属的纯度和完整性。重庆科技学院75三种散射机制 ? 声子散射 ? 电子散射 ? 电子在杂质和缺陷上的散射重庆科技学院76马基申定律（马希森定则）Matthiessen's rule ? 固溶体电阻率看成由金属基本电阻率ρ(T)和残余电阻率ρ残组成。 不同散射机制对电阻率的贡献可以加法求和。这一导电规律称为 马基申定律，即? ? ? ?i ? ? (T ) ? ?残i（化学缺陷：偶然存在的杂质原子及人工加入的合金元素的原子； 物理缺陷：指空位、间隙原子、位错以及它们的复合体。） 高温时金属的电阻率基本上取决于ρ(T)，而在低温时取决于ρ残。马基申定律成立的前提：忽略了电子各种散射机制间的交互作用 重庆科技学院77影响金属导电性的因素? 温度? 受力情况? 冷加工? 晶体缺陷? 热处理 ? 几何尺寸效应 ? 电阻率的各向异性重庆科技学院78?(1) 温度对金属电阻的影响 加热时发生点阵热振动和振幅的变化，出现相变、回复、空位 退火、再结晶以及合金相成分和组织的变化，这些现象往往对电阻 的变化显示出重要的影响。 另一方面，测量电阻与温度的关系可以显示电子散射的不同机 制，同样也显示超导现象和引起铁磁性反常的特殊性能。重庆科技学院79金属的电阻随温度变化的一般规律：? 绝对零度下，纯净又无缺陷的金属，其电阻率等于零。? 随温度的升高金属的电阻率也增加。? 理想晶体的电阻率是温度的单值函数。若晶体中存在杂质和结构缺 陷，电阻与温度的关系曲线将发生变化（注意三条曲线绝对0度时 的电阻率） 1-理想金属晶体 2-含有杂质金属 3-含有晶体缺陷重庆科技学院80? 低温下“电子－电子”散射对电阻的贡献可能是显著的，但除低温 以外几乎所有温度下大多数金属的电阻都取决于“电子－声子”散 射。点阵的热振动在不同温区存在差异。在各自的温区有各自的电 阻变化规律（在T&θD和T&θD是不同的）。重庆科技学院81(2) 受力情况对金属电阻的影响 （1）拉力的影响在弹性范围内单向拉伸或扭转应力能提高金属的ρ，并有：? ? ?0 (1 ? ?? ? t )（2）压力的影响 对大多数金属而言，在受压力情况下电阻率降低，有：? ? ?0 (1 ? ?? p ) 重庆科技学院82压力影响金属材料电阻的原因：? 金属在压力的作用下，其原子间距缩小，内部缺陷的形态、电子结 构、费米面和能带结构以及电子散射机制等都将发生变化，这必然 会影响金属的导电性能。 （尤其是过渡金属） ? 足够大的压力可使半导体和绝缘体变为导体，甚至超导体? 根据压力对电阻的影响，可把金属分为两类：一类是正常金属元素 ，其电阻率随压力增大而下降（负电阻压力系数）；另一类为反常 金属元素，它们是碱金属、碱土金属、稀土金属和第Ⅴ族的半金属 ，它们有正的电阻压力系数，但随压力升高一定值后系数变号（这 种反常现象和压力作用下相变有关）
重庆科技学院83重庆科技学院84(3) 冷加工对金属电阻的影响? 冷加工 cold processing of metal在金属工艺学中，与热加工相对应，冷加工则指在低于再结晶温度 下使金属产生塑性变形的加工工艺，如冷轧、冷拔、冷锻、冲压、 冷挤压等。重庆科技学院85? 冷加工变形可以使金属的电阻率增加（一般规律），但 有例外。 ? 金属经范性形变电阻率增大的原因 由于冷加工使晶体点阵发生畸变和缺陷，从而增加了电子 散射的几率。同时冷加工也会引起金属原子间结合键的变 化，导致原子间距的改变，对电阻有一定的影响。重庆科技学院86? 若以ρT表示加工前的电阻率， ρ’ 表示加工对电阻率的影响部分， 则加工后金属总的电阻率是：? ? ?T ? ?'重庆科技学院87（4）晶体缺陷对电阻的影响 ? 缺陷（defect）化学缺陷：偶然存在的杂质原子及人工加入的合金元素的 原子。物理缺陷：指空位、间隙原子、位错以及它们的复合体。 ? 空位(vacancy)、位错(dislocation)、间隙原子(interstitial atom)以及它们的组合（即物理缺陷）等晶体缺陷会使金 属电阻率增加。 ? 不同类型的晶体缺陷对金属电阻的影响程度不同。 重庆科技学院88? 通常，分别用1%原子空位浓度或1%原子间隙原子、单 位体积中位错线的单位长度、单位体积中晶界的单位面 积所引起的电阻率变化来表征点缺陷、线缺陷、面缺陷 对金属电阻的影响。点缺陷引起的残余电阻率变化远比线缺陷的影响大 重庆科技学院89（5）热处理(heat treatment)对金属电阻的影响 ? 金属冷加工形变后，若再进行退火，则可使电阻降低， 尤其当退火温度接近再结晶温度时（再结晶退火），电 阻可恢复到接近冷加工前的水平。? 淬火能够固定金属在高温时空位的浓度，从而产生残余 电阻。淬火温度愈高，则残余电阻率就越大。重庆科技学院90补充? 退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保 温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平 衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组 织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的 效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性 能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。重庆科技学院91补充 ? 淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有 机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但 同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高 于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时间的保温， 再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、 回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火 关系密切，常常配合使用，缺一不可。重庆科技学院92（6）几何尺寸对电阻的影响? 导电性同试样的几何尺寸有关。从金属的导电机制可知，当导电电 子的自由程同试样尺寸是同一数量级时，这种“尺寸效应(size effect)”就显得十分突出（纳米材料的尺寸效应，量子隧道效应）。 这一现象对研究和测试金属薄膜和细丝材料的电阻非常重要。重庆科技学院93（7）电阻率的各向异性? 立方晶系金属 各向同性? 其它：四方晶系、六方晶系、斜方晶系等 各向异性重庆科技学院94? 固溶体的分类 按溶质原子在晶格中的位Z不同可分为Z换固溶体和间隙固溶体。 1、Z换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格中的结点位Z而形成的固溶 体称Z换固溶体。当溶剂和溶质原子直径相差不大，一般在15％以 内时，易于形成Z换固溶体。重庆科技学院952、间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称间隙固溶体。 间隙固溶体的溶剂是直径较大的过渡族金属，而溶质是直径很小的 碳、氢等非金属元素。其形成条件是溶质原子与溶剂原子直径之比 必须小于0.59。 另外，按溶质元素在固溶体中的溶解度，可分为有限固溶体和 无限固溶体。但只有Z换固溶体有可能成为无限固溶体。重庆科技学院96合金(alloy)的导电性?固溶体(solid solution)的导电性1. 固溶体的电阻与组元浓度的关系在形成固溶体时，与纯组元相比，合金的导电性能降低了（即电 阻增大），即使是在低导电性的金属溶剂中加入高导电性的金属溶质 也是如此。重庆科技学院97规律：电阻随成分连续变化而 无突变，故在连续固溶体的情 况下，当组元A溶入组元B时， 电阻由B组元的电阻值增大至 极大值后再逐渐减小到A组元 的电阻值。银Ag 1.60（10-6Ω?m） 金Au 2.40（10-6Ω?m）
重庆科技学院98? 原因：纯组元间原子半径差所引起的晶体点阵畸变，增 加了电子的散射，故固溶体的电阻总是要大于各组元纯金 属的电阻，且原子半径差越大，固溶体的电阻也越大。重庆科技学院99但是晶体点阵畸变不是固溶体电阻增大的唯一原因，这种 合金化对电阻的影响还有如下几方面：一是杂质对理想晶体的局部破坏； 二是合金化对能带结构起了作用，移动费米面并改变了 电子能态的密度和有效导电电子数； 三是合金化也影响弹性常数，因此点阵振动的声子谱要 改变。重庆科技学院100规律：在连续固溶体中，合金成分距组元越远，电阻率越 高。因此，在二元合金中最大电阻率通常在50％浓度处， 而且比组元电阻高几倍。例外：铁磁性和强顺磁性金属组成的固溶体，其电阻的极 大值一般不在50％浓度处，而在较高的浓度处。此外，贵 金属（Cu、Ag、Au）与过渡族金属组成固溶体时，不仅 极大值出现在较高浓度处，而且电阻也异常的高。重庆科技学院1012．固溶体电阻与温度的关系 根据马基申定律（适于固溶体），低浓度固溶体的电阻率为：? ? ?T ? ? '重庆科技学院102重庆科技学院103重庆科技学院104? 3.有序固溶体（超结构）的电阻Cu3Au和CuAu合金在退火时晶体点阵中的原子进行有序排列 （称为合金固溶体有序化） 当固溶体有序化后，其合金组元的化学作用加强，因此，其 电子结合比无序态时更强，这就使导电电子数减少而残余电阻增 大。然而晶体的离子势场在有序化后则更为对称，这就使电子的 散射几率大大降低，因而有序合金的残余电阻减小。通常在上述 两种相反作用的因素中，第二个因素占主导作用，故合金有序化 时电阻总是降低。重庆科技学院1054. 不均匀固溶体（K状态）的电阻 正常：冷加工可使固溶体电阻升高，而退火则降低（ 与纯金属一样）。 反常：但对某些成分含有过渡族金属的合金，尽管金 相分析和X射线分析的结果认为其组织仍是单相的，但在 回火中发现合金电阻有反常升高，而在冷加工时发现合金 的电阻有明显降低，这种合金组织出现的反常状态称为K 状态。重庆科技学院106这种固溶体中原子间距的大小显著地波动着，其波动 正是组元原子在晶体中不均匀分布的结果，所以也把 K状 态称为“不均匀固溶体”，在这些固溶体中有着特殊的相 变及特殊的结构状态存在着。重庆科技学院107?金属化合物的导电性当两种金属的原子形成化合物时，其合金的性能尤其 是导电性的变化最为激烈，其电阻率要比各组元的电阻率 高很多原因：原子键合的方式发生了质的变化，其中至少一 部分由原金属键变为共价键或离子键，使导电电子数减少 。此外晶体结构变化也有一定的作用。重庆科技学院108金属间形成的化合物的电阻与组元间的电离势之差有关。 当组成化合物时，若两组元给出价电子的能力相同， 则所形成的化合物的电阻就低，因而具有金属的性质。 若两组元的电离势相差较大，即一组元给出的电子被 另一组元吸收，则化合物的电阻就大，接近半导体的性质 。重庆科技学院109电离势元素呈气态时，从它的一个原子或阳离子中将一个电子移至无 穷远处时所需做的功，称为该元素的电离势，单位为电子伏特(ev)。 当原子失去第一个电子成为一价阳离子时，所需的能量为元素 的第一电离势；当一价阳离子再失去一个电子成为二价阳离子时所 需的能量为第二电离势，其余类推。第二电离势高于第一电离势， 第三电离势又高于第二电离势，如此等等。通常所称的电离势一般 都是指第一电离势。 电离势愈小，表示愈易失去电子。金属元素的电离势比非金属 元素电离势小。重庆科技学院110? 化合物在许多金属系统中往往是在原始组元的一定浓度区形成，其 晶体结构不同于组元及其固溶体的结构。? 中间相：分为道尔顿体、别尔多利体。重庆科技学院111两者区别：道尔顿体存在奇异点，别尔多利体没有奇异点 ，两者的结构不同，在道尔顿体中两组元的原子排列到达 了最大的远程有序，而在别尔多利体中则无这种最大有序 的点，其晶体内原子的有序排列仅是局部的。 显然，奇异点的存在与否表示金属相能否形成有序结 构。重庆科技学院112金属化合物的电学性能可以在很宽的范围内变化，从低温下的超 导电性到常温的半导体，存在部分共价键和离子键的金属化合物具有 高电阻率。与离子型和共价型化合物不同，金属化合物是以异类原 子间的金属键占优势为特征，因而具有光泽、导电性和正电阻温度 系数等金属性能。重庆科技学院113? 多相合金的导电性多相合金：由两个以上的相组成的合金。单相合金？ 多相合金的导电性由组成相的导电性来决定。 导电性具有组织敏感性。重庆科技学院1142.1.3 半导体材料的导电性? 半导体材料电学性能介于金属导体和绝缘体之间。? 典型半导体材料：Si、Ge? 硅的优越性 ?储量非常丰富； ?在较宽的禁带中能有效地设Z杂质能级； ?硅器件的功率比锗大，器件的工作温度较高，可达150~200℃，而 锗只能达到75.9℃； ?硅可制备MOSFET场效应。重庆科技学院115(1)本征半导体定义：纯净的无结构缺陷的半导体单晶在0K和无外界影响时，半导体的导带中无电子；受热激发（热、光辐射）时，电子占据导带能级的可能性增加 了，半导体的导电性随之增加（满带→价带，空带→导带，同时产生了自由电子和空穴） 重庆科技学院116本征半导体中载流子浓度： 电子浓度：* ? 8? 2 me E E * ne ? 2 ( 2 ) exp( F ) ? ( E ? EF )1/2 exp( )dE ? 2(2? me kT /h2 )3/2 exp[?( EC ? EF )/(kT )] 2? h kT EC kT1空穴浓度：* nh ? ? ?V ( E ) f h ( E )dE ?2(2? mh kT /h2 )3/2 exp[?( EF ? EV )/(kT )] ?? EV重庆科技学院117费米能级位Z：* m 1 3 EF ? ( EC ? EV ) ? kT ln h * 2 4 me费米能级位于本征半导体的导带和价带的正中间位Z（即禁带的中 间）重庆科技学院118本征半导体载流子的迁移率：* * 3/4 * * 3/4 ne ? nh ? 2(2? kT /h2 )3/2 (me mh ) exp[?(EC ? EV ) / (2kT )] ? 2(2? kT / h2 )3/2 (me mh ) exp[?Eg /(2kT )]一定温度下，本征半导体的载流子浓度是可以计算的。重庆科技学院119本征半导体的载流子浓度： ? 无外电场：载流子不断发生热运动，在各个方向上得数量和速度都 是均等的，故不会引起宏观的迁移，也就不会产生电流? 有外电场：载流子发生定向漂移运动，产生电流?自由电子的自由度大，故它的迁移率较大?而空穴的漂移实际上是价电子依次填补共价键中空位的结果，这种 运动被约束在共价键范围内，所以空穴的自由度小，迁移率也小。重庆科技学院120室温下 Ge单晶： ?e ? 0.39m2 /(V ? s) Si单晶：?e ? 0.14m2 /(V ? s)?h ? 0.19m2 /(V ? s) ?h ? 0.05m2 /(V ? s)121在本征半导体中施加外电场E时，自由电子将沿电场反方向作定 向漂移运动，产生电子电流密度je，空穴将沿电场方向作定向漂移运 动，产生空穴电流密度jh。总电流密度j是两者之和j ? je ? jh ? ene ?e E ? enh ?h EE 1 ?? ? j ene ( ?e ? ?h )重庆科技学院122本征半导体的电学特征： ?自由电子和空穴是成对形成的，两者浓度相等； ?载流子浓度与带隙Eg有近似反比关系； ?载流子浓度与温度近似正比； ?载流子浓度与原子密度相比是非常小的，所以本征半导体的导电能 力实际上是很弱的。重庆科技学院123(2)非本征半导体（杂质半导体）? n型半导体导带中的自由电子数比本征半导体显著增多。 施主杂质、施主杂质能级、施主电离能 重庆科技学院1240K室温125在n型半导体中，由于自由电子的浓度大，故自由电子称为多 数载流子，简称多子。同时由于自由电子的浓度大，由本征激发而 产生的空穴与它们相遇的几率也增大，故空穴被复合掉得数量也增 多。所以，n型半导体中空穴的浓度比本征半导体中的空穴浓度还 要小，故将空穴称为少数载流子，简称少子。 在电场作用下，n型半导体中的电流主要由多数载流子－自由 电子产生，即以电子导电为主，因此，n型半导体又称为电子半导 体，施主杂质也称为n型杂质。126? p型半导体价带中的空穴数比本征半导体显著增多。 受主杂质、受主杂质能级、受主电离能 重庆科技学院1270K室温128? 在p型半导体中，因受主杂质接受价电子产生空穴，使空穴浓度大 大增加，故空穴为多数载流子。同时，较多空穴的存在使得本征激 发的自由电子与空穴复合的机会增多，所以，p型半导体中的自由 电子浓度比本征半导体中的自由电子少，即电子是少数载流子。 ? 在电场作用下，p型半导体中的电流主要由多数载流子空穴产生， 即以空穴导电为主，因此，p型半导体又称为空穴型半导体，受主 杂质又称为p型杂质129杂质半导体的电学特征： ?掺杂浓度与原子浓度相比虽很微小，但是却能使载流子浓度有较 大幅度增加，使得导电能力显著增强； ?掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子 导电，当掺入比半导体本身更高价元素（施主杂质）时，主要是自 由电子导电，当掺入比半导体本身更低价元素（受主杂质），主要 靠空穴导电。130非本征半导体的电子和空穴数Eg ? ED 1/2 ? ? 1 1 nD EF ? ED ? kTln ?? ? [1 ? 4 exp( )] ? nC kT ? 2 2 ?EF ?Eg ? ED 2nD kT ? ( ) ln( ) 2 nCEF ? ED ? kT ln(nC /nD )131n型半导体p型半导体132对于n型半导体，随着施主杂质浓度的降低，费米能级向比导 带更低的能量方向移动；对于p型半导体，随着受主杂质浓度降低 ，费米能级向价带顶部更高能量方向移动。133(3)pn结p-n结是指同一块半导体单晶中p型掺杂区与n型掺杂区的交界面附近 的区域 同质结 异质结pn结是构成种类繁多的半导体电子器件的基本单元。n区的费米能级高于p区的费米能级重庆科技学院134施主杂质可释放出一个自由电子，而受主杂质则需要接受一个价电 子（即产生一个空穴）。半导体的性质是n型还是p型将随着两种杂 质浓度的大小而改变。 （杂质补偿） ? 当施主杂质的浓度nD比受主杂质的浓度nA大时，半导体是n型的， 根据能量最小原则，从施主原子释放出来的电子将优先填补受主原 子，单位体积中余下的（nD-nA）个施主原子再各自释放出一个电子 ，这时n型半导体的自由电子浓度为nD-nA。 ?当施主杂质的浓度nD比受主杂质的浓度nA小时，半导体是p型的。 施主原子先释放出nD个自由电子，以填补nD个受主原子，在单位体 积中，余下的（nA-nD）个受主原子再从四价元素的原子中吸收（nAnD）个价电子，从而产生（nA-nD）个空穴，这时p型半导体的空穴 浓度为nA-nD。135PN结阻挡层的形成过程 （1）载流子的浓度差引起载流子的扩散运动 在PN结中，P区中的空穴（多子）浓度远大于N区中的空穴（少 子）浓度，同时，N区中的自由电子（多子）浓度远大于P区中的自 由电子（少子）浓度。即在PN结的两边，由于存在着载流子分布的 浓度差，这就必然会引起载流子的扩散运动。P区中的空穴将向N区 扩散，N区中的电子将向P区扩散。136（2）扩散运动形成空间电荷区（阻挡层） 在扩散运动进行之前，整个晶体中的任何一部分都是中性的， 但随着多数载流子扩散运动的进行，在交界面附近的P区和N区的电 中性状态被打破。由于P区中的空穴扩散到了N区，故在交界面附近 的P区中就只留下了带负电荷的受主杂质离子。同样，由于N区中的 电子扩散到了P区，在交界面附近的N区就只留下了带正电荷的施主 杂质离子。这些离子被束缚在晶格结构中，不能自由移动，于是在 交界面处形成了一层很薄的空间电荷区。137（3）内电场使扩散与漂移达动态平衡由于在空间电荷区的N区一边带正电荷，P区一边带负电荷，于 是就形成一个由N区指向P区的内电场E和内建电位差VD。这时虽然 中性P区和空间电荷区之间仍存在着空穴的浓度差，P区中的空穴将 继续向右边扩散，但空间电荷区将受到内电场的漂移作用，空穴要 被扫回到P区。同理，中性N区扩散到空间电荷区的自由电子将被扫 回到N区。可见，空间电荷区产生的内电场将阻止载流子的进一步扩 散，所以空间电荷区又称为阻挡层。138在无外加电压作用时，起初扩散运动占优势，但随着扩散的进 行，空间电荷区逐渐增宽，内电场逐渐增大，对载流子的漂移作用 加强，最后达动态平衡。平衡后在P区和N区的交界面处形成一个有 一定宽度L的空间电荷区，同时也有一定值的内电场E和内建电位差 VD。PN结内没有载流子的净流动，即无电流。139PN结的特性PN结的主要特性是其单向导电性（整流特性），即当外加电压 极性不同时其表现出的导电性截然不同。140（1）外加正向电压的情况 由于中性P区和N区的ρ比阻挡层小得多，故外加电压都降落在阻 挡层上，由于外加正向电压U与内建电位差VD方向相反，因而使阻 挡层两端的电位差由VD减小到（VD－U）。相应地阻挡层变窄，空 间电荷量减小，以至内电场减小，使载流子的漂移作用减弱，扩散 与漂移的平衡被破坏，扩散作用大于漂移作用，结果产生了从P区流 向N区的正向电流。由于该电流是由多子扩散形成的，故正向电流较 大，且随U的增大而迅速增大。 正向电压：P区加正电压，N区加负电压。141142（2）外加反向电压的情况 由于外加电压U和VD方向相同，故阻挡层两端的电位差由VD增 大为（VD＋U）。阻挡层加宽，空间电荷量增多，以至内电场增强 ，使载流子的漂移作用加强。这将产生两方面的后果：一方面P区的 多子（空穴）被强电场扫回P区而不能扩散进入阻挡层，同样N区多 子（自由电子）也不能进入阻挡层，即多子的扩散运动完全被阻止 ；另一方面P区的少子（自由电子）一旦扩散到阻挡层边界时，便被 强电场扫至N区，同样N区的少子（空穴）一旦扩散到阻挡层边界时 ，也被扫至P区，这样就形成了从N区流向P区的反向电流。由于该 电流是由于少子漂移形成的，故反向电流很微弱，且几乎不随U的增 大而变化。PN结正、反向导电的显著差异反映出其具有整流特性。143144145146晶体（半导体三极）管的放大特性 （自学） 晶体管的核心是一块具有两个相互联系的PN结的单晶。两个PN 结把单晶分成三部分，其排列方式有两种：一种是PNP，另一种是 NPN。三个电极分别为发射极e、基极b和集电极c，连接各极的相应 的单晶区域分别叫发射区、基区、集电区。（e－b）结为发射结， （c－b）结为集电结。 发射极：emitter基极：base集电极：collector147PN结 （发射结） e P NPN结PN结 （发射结） e N PPN结（集电结）c P（集电结）c Nbb（a）PNP三极管（b）NPN三极管148由于三极管具有两个互相联系的PN结，它的性能与二极管相比 有了质的飞跃，即三极管有放大作用，它可以把微弱的电信号转换 成较强的电信号。三极管具有放大作用的条件是基区宽度要小于载 流子的平均扩散长度（即基区要做的非常薄），发射结正向偏Z而 集电结反向偏Z（p上加正电压，n上加负电压即为正向偏Z，p上加 负电压，n上加正电压即为负向偏Z）。 正向偏压使电子能从发射极进入基极，基极的空穴和电子存在 相互再结合的趋势，但基极薄，若结合时间稍长，则几乎所有的电 子汇穿过基极进入集电极。149超导电性1. 超导电性的发现与进展 低温下水银电阻实验中发现的。(荷兰莱顿大学的昂内斯发现将 汞冷却到-268.98℃，电阻消失，1913年诺贝尔奖） 超导电性：在一定条件下（温度、磁场、压力）材料的电阻突 然消失的现象。发生这一现象的温度称为临界温度，以Tc表示。材料失去电阻的状态称为超导态，存在电阻的状态称为正常态/ 常导态。具有超导态的材料称为超导体。150151一些材料的超导临界温度Tc152近年来发现的超导材料并不是传统上被人们认为是良导体的金 属及其合金中，而是在常态下导电性很差的氧化物体系的陶瓷中。 研究的热点：常温超导 液氦区、液氮区（液氮 -196度， 液氦是-269度）153常温超导研究现状 1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属 氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导 热”。 1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏 诺兹（J.Georg Bednorz）和缪勒（K.Alex Mǖller）首先发现钡镧铜 氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；154日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K； 12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将 超导温度提高到40.2K。1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获 得了48.6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变 的迹象。1552月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。 2月20日，中国也宣布发现100K以上超导体。 3月3日，日本宣布发现123K超导体。 3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。 3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温 度为240K的超导迹象。 日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材 料在14℃温度下存在超导迹象。156赵忠贤 中科院物理所朱经武 香港科技大学157158159160超导的应用 超导热核反应能源、超导磁流体发电、超导储能装Z、无损耗 超导输电、超导发电-电动机、强大的电磁 铁及超导磁悬浮列车、磁 共振成像仪器等医疗设备中均使用了超导材料。 云南昆明－我国第一组实用超导电缆。英纳161目前世界上超导磁悬浮列车只有日本拥有（专利），其运行时车体距离轨道高度 为8-10cm，但目前还没有商业化运行线路。上海的磁悬浮列车是根据常导原理 制造的，其运行时车体距离轨道仅1cm左右高度。162时速550公里以上 ，最高580 公里日本使用的超导物质是将超 细铌钛合金多芯线埋入铜母 线内制成的超导电线，当此 种超导电线浸入液氦 (－ 269℃)中时进入超导状态产生 强大磁场。163超导导线 （含2120根微米直径之铌钛合金纤维）超导发电机，拥有两万千瓦的功率164日本神户港内的Yamato-I型 超导电磁动力船超导量子干涉仪 (SQUID, 磁学测量系统)165核磁共振断层扫描仪与人体断层扫描图1662. 超导体的性能 （1）完全的导电性 超导体超导性的试验证明（在T&Tc时，将加在超导体上的磁场 去除，由于电磁感应作用产生电流，通过检验此电流是否衰减来判 断是否具有超导性）（超导体是等电位的，即超导体内没有电场）167168纯金属的导电性取决于原子的电子结构。但是，载流子电子的 移动速度也影响材料的导电性。当载流子电子与材料中的缺陷碰撞 时，其移动速度自然就会降低。 温度对材料的导电性也有很大影响。温度升高时，原子的振动 幅度变大，对载流子的阻碍作用也增加。169（2）完全抗磁性 迈斯纳效应：先将超导体冷却至超导态（T&Tc），然后加磁场 ，发现磁场不能进入超导体内。若在常温下将超导体先放入磁场内， 则有磁力线穿过超导体；然后再将超导体冷却至Tc以下，发现磁场从 超导体内被排出，即超导体内无磁场，磁感应强度B为零。这说明了 超导体具有完全的抗磁性，即迈斯纳效应。170171172超导态出现完全抗磁性的原因：由于外磁场在试样表面感应产生一 个感应电流。此电流由于所经路径电阻为零，故它所产生的附加磁 场总是与外磁场大小相等，方向相反，因而使超导体内的合成磁场 为零。由于此感应电流能将外磁场从超导体内挤出，故称抗磁性感 应电流，又因其能起着屏蔽磁场的作用，又称屏蔽电流。1731743.超导电性的影响因素和基本临界参数超导态除了决定于温度外，还与外磁场有关，纵使处于T&Tc下 ，但如果磁场强度超过某Hc(T)值时，超导态便转变为正常态（普通 态）。Hc(T)称为温度为T时的临界磁场，Hc(T)与T的关系为? ? T ?2 ? H c (T ) ? H c (0) ?1 ? ? ? ? TC ? ? ? ? ? ?175温度和磁场对超导电性都起破坏作用，只有在一定的温度和磁 场范围内才能呈现超导态。除了受温度和磁场强度影响外，当超导 体里流过的电流密度大于临界值Jc时也会失去超导性。超导体的超导 性能只有在由Tc、Hc和Jc组成的三维区域内才会呈现超导性。176177具有较高临界温度Tc的超导体在常态下却是相当差的导体（甚 至可能是绝缘体）； 超导态与磁有序似乎互不相容，铁磁性或反铁磁性金属没有一 个同时具有超导电性。磁性对超导的不相容性还扩展到了杂质对超 导的影响，非磁性杂质对超导影响微小，但具有磁矩的杂质会明显 地影响超导的Tc； 每个原子具有3、5、7个价电子的元素具有高的Tc。临界温度Tc 与原子的价电子数有联系，还与原子质量有关。1784. 两类超导体超导体分为两类：第一类超导体（又称Pippard超导体或软超导体）的超导临界温 度随着磁场强度的增加而下降。这类超导体的熔点较低，质地较软。由于临界电流密度和临界磁场 较低，实用价值不大。当磁场强度超过某一临界值Hc时，磁力线就会穿过这类材料， 使其不再呈现超导性。只有温度和磁场都在由Tc和Hc组成的二维区 域内，第一类超导体才会呈现超导性。179180包括Nb3Sn在内的大多数超导体都属于第二类超导体（又称 London超导体或硬超导体）。当磁场强度增加时，这类超导体从完 全超导体先转变为混合状态导体，最后转变为普通导体。 在某一磁场强度下，有可能材料表面是超导体，而材料内部却是 普通导体。第二类超导体的Tc和Hc通常都大于第一类超导体。在已 发现的超导元素中只有钒、铌和锝属第二类超导体，其他元素均为第 一类超导体，但大多数超导合金则属于第二类超导体。181第二类超导体比第一类超导体有 更高的临界转变温度、更大的临 界电流密度和临界磁场强度182第一类超导体只存在一个临界磁场Hc，当外磁场H&Hc时，呈现 完全抗磁性，体内磁感应强度为零。 第二类超导体具有两个临界磁场，分别用Hc1（下临界磁场）和 Hc2（上临界磁场）表示。当外磁场H&Hc1时，具有完全抗磁性，体 内磁感应强度处处为零。外磁场满足Hc1&H&Hc2时，超导体和正常态 同时并存，磁力线通过体内正常态区域，称混合态或涡旋态。外磁 场H增加时，超导态区域缩小，正常态区域扩大，H≥Hc2时，超导体 全部变为正常态。183一个理想的超导体应该具有较大的临界电流、较高的 临界磁场和较高的临界温度。尤其是临界温度。184导电性的测量材料的导电性的测量实际上就是对试样电阻的测量，因为根据 试样的电阻值和它的几何尺寸就可以由S ??R L算出电阻率。跟踪测量试样在变温或变压装Z中的电阻，就可以建 立电阻与温度或电阻与压力的关系，从而得到电阻温度系数或电阻 压力系数。重庆科技学院185电阻的测量方法很多，一般都是根据测量的需要和具体的测试 条件来选择不同的测试方法。通常都是按测量的范围或测量的准确度要求来分类：一般对106Ω以上较大的电阻（俗称高阻），如材料的绝缘电阻 的测量，要求不严格的测量（粗测）时，可选用兆欧表（俗称摇表 ）；要求精测时，可选用冲击检流计测量。重庆科技学院186对102~106Ω的中值电阻粗测时，可选用万用表Ω档、数字式欧 姆表或伏安法测量，精测时可选用单电桥测量。重庆科技学院187对10-6~102Ω的电阻的测量，如金属及其合金电阻的测量，必须 采用较准确的测量，可选用双电桥法或直流电位差计法测量。对半导体材料电阻的测量一般用直流四探针法。（重点介绍）重庆科技学院188半导体电阻的测量：半导体材料的电阻常用四探针法来测量。这种方法测量时使用 相距约1mm的四根金属探针同时与样品表面接触，通过恒流源给其 中两根探针通以小电流使样品内部产生压降，并以高输入阻抗的直 流电位差计或数字电压表来测量其他的两根探针的电压，然后计算 材料的电阻率U 23 ? ?C I1，4为电流探针，2，3为电压探针重庆科技学院189测量原理： 设有一均匀的半导体试样，其尺寸与探针间距相比可视为无限 大，探针引入点电流源的电流强度为I。因均匀导体内恒定电场的等 位面为球面，故在半径为r处等位面的面积为2πr2，则电流密度为 j=I/2πr2。电场强度E=j/ζ=jρ=Iρ/2πr2,因此，距点电荷r处的电位为 V=Iρ/2πr。重庆科技学院190半导体内各点的电位应为电流探针分别在该点形成电位的矢量 和。四探针法测量电阻率的普遍公式为：1 1 1 1 ?1 U 23 ? ? 2? ( ? ? ? ) r12 r24 r13 r34 I若四探针处于同一平面的同一直线上，其间距分别为L1、L2、L3，则 上式又可写成：1 1 1 1 ?1 U 23 ? ? 2? ( ? ? ? ) L1 L2 ? L1 L2 ? L3 L3 I重庆科技学院191当L1=L2=L3=L时，又可简化为：U 23 ? ? 2? L I这就是常用的直流等间距四探针法测电阻率的公式。 若令I=C=2πL，即流过探针1，4的电流数值上等于探针系数，则? ? U23即从探针2，3上测得的电压在数值上就等于试样的电阻率。
重庆科技学院192为减小测量区域以观察电阻率的不均匀性，四探针不一定都排 成一直线，也可排成正方形或矩形，但采用这些排法与直线四探针 法并无原则差别，只需改变公式中的系数。如正方形四探针法：2? L U 23 ?? 2? 2 I问题：正方形四探针法公式如何推导出来的？重庆科技学院193四探针法的优点：探针与半导体样品之间不要求制备合金结电极，这给测量带来 了方便，且可测量样品沿径向分布的断面电阻率，从而可以观察电 阻率的不均匀情况。可迅速、方便、无破坏地测量任意形状的样品 ，且精度较高。局限：测量精度略逊于二探针法，受到针距的限制，很难发现 &0.5 mm 两点电阻的变化。重庆科技学院194对于片状样品、薄层样品或不规则形状样品，样品不能被看作 无穷大的规则形状样品，公式需要进行修正后才能使用。对于圆晶 表面薄掺杂层或硅外延片电阻率的测量，样品厚度通常小于1mm， 与探针间距同数量级或更小。设样品厚度为t，当t≤L/2 时（L为探 针间距），电阻率测量公式为：U ? ? 4.532t I195四探针测试仪：常用来测试薄膜的方块电阻（方阻）。方阻指一个正方形的薄 膜导电材料边到边之间的电阻，方块电阻有一个特性，即任意大小 的正方形边到边的电阻都是一样的，不管边长是1米还是0.1米，它们 的方阻都是一样，这样方阻仅与导电膜的厚度等因素有关。重庆科技学院196对于上述的薄层样品，常用方块电阻RS来表征材料的电学特性。 方块电阻是指单位面积的电阻，其表达式为：U RS ? ? 4.532 t I?197在四探针测量时应注意以下几点： ① 在根据试样的厚度和尺寸，调整探针的位Z，并选择与之匹配 的修正.如果所测的晶片或层的厚度明显小于探针间距，那么计算 的电阻率随厚度变化。因此，精确测量厚度对电阻率的测量非常重 要；方块电阻的测量则不需要知道厚度。② 高阻材料很难用四探针测量，薄的半导体膜通常有很高的方块 电阻，这种测量通常要求大的探针电流，从而带来样品发热，引起 明显电阻率的增加。可采用汞探针来代替金属探针，并降低测量电 流。③ 电流源的注入电流不能太大，否则会引起探针周围较大区域的 电阻率出现变化。测量电流的取值范围见下表。198样品电阻率范围（Ω?cm） &0.01通过样品的电流值 &100mA0.01~1 1~3030~00&10mA &1mA&100μA &10μA199④ 测量探针与被测试样品表面应有良好的接触，有一定的压力接 触，以确保测量的稳定性。 ⑤ 当样品尺寸、厚度与探针间距相比不能看成无限大时，要对测 量公式进行修正。 ⑥ 薄层电阻测量时，要求四个探针间距完全相等。200材料的介电性电介质(绝缘体)定义：指电阻率大于10 ? ? m 用来限制电流使它按一 定的途径流动的材料，另外还有利用其“介电”特性建立电场以贮 存电能的材料。（此定义中说明了绝缘体的主要作用，其它作用： 灭弧、防火、防潮、防雾、防腐、防辐射和保护导体等作用）9重庆科技学院201绝缘体的性能要求：（1）具有足够高的耐电强度，以经受住导体间的高电场。 （2）具有足够高的绝缘电阻，以防止跨越导体的漏泄电流。（3）具有良好的耐电弧性，以防发生飞弧损坏。（4）必须能在环境危害的条件下（如温度、湿度、辐射）保持其完 整性。（5）必须具有足够的机械强度，以抗振动和冲击。重庆科技学院202绝缘体主要的电性能：（电介质的四大基本常数） （1）介电常数； （电极化） （2）耐电强度（耐压强度）； （击穿） （3）损耗因数； （介电损耗或介质损耗） （4）体积和表面的电阻率 （电导）重庆科技学院203电介质的极化 dielectric polarization电介质：在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种 物质。 基本属性：具有极化能力； 其中能够长期存在电场。重庆科技学院204电介质对电场的响应特性不同于金属导体。金属的特点是电子的共有化，体内有自由载流子，这样就决定 了金属具有良好的导电性，它们以传导的方式来传递电的作用和影 响。在电介质体内，一般情况下，只具有被束缚着的电荷，在电场 的作用下将不能以传导方式而只是以感应的方式，即以正、负电荷 受电场驱使形成正、负电荷中心不相重合的电极化方式来传递和记 录电的影响。重庆科技学院205电介质极化的程度可用极化率、极化强度以及极化系数来表示。单 位电场强度下，介质粒子电偶极矩的大小称为粒子的极化率α? ?? Eloc电介质在电场作用下的极化强度用极化强度矢量P表示，它是介质 单位体积内电偶极矩的总和，单位为C/m2，?? P? V206如果介质单位体积极化粒子数为n，由于每一个偶极子的电偶极矩 具有同一方向（电场方向）P ? n? ? n? Eloc对一定材料，n和α一定，则P与宏观平均电场E成正比，定义P ? ?0 ? E207(1) 分类 电介质按其分子中正负电荷的分布状况可分为： ① 中性电介质：它由结构对称的中性分子组成，其分子内部的 正负电荷中心互相重合，因而电偶极矩P＝0。 ② 偶极电介质：它由结构不对称的偶极分子组成，其分子内部 的正负电荷中心不重合，而显示出分子电矩P＝qd。 ③ 离子型电介质：它由正负离子组成。因任何一对电荷极性相 反的离子可看做一偶极子。重庆科技学院208从电学性质看电介质的分子可分为两类：无极分子;有极分子.重庆科技学院209?有极分子和无极分子电介质1.无极分子( nonpolar molecule) 在无外场作用下整个分子无电矩.例如CO2 H2 N2 O2 He电子云无极分子He原子核 2.有极分子( polar molecule) 在无外场作用下存在固有电矩.例如H2O HCl CO SO2 因无序排列对外不呈现电性.有极分子H2O O H H? Pe210重庆科技学院H+分子的正、负电荷中心在 无外场时重合。H+C-H+H+无极分子=±CH4分子的正、负电荷中心在无外 有极分子 场时不重合，分子存在固有电偶 极矩 P＝qlO-H+ H+=-q +qH2O重庆科技学院211按物质组成特性分： 无机电介质（如云母、玻璃、陶瓷等） 有机电介质（如矿物油、纸以及其他有机高分子聚合物等）重庆科技学院212按物质的聚集态分： 气体介质（如空气）；液体介质（如电容器油）；固体介质（如涤纶薄膜）重庆科技学院213按物质原子排列的有序化分： 晶体电介质（如石英晶体）；非晶态电介质（如玻璃塑料）重庆科技学院214按介质组成成分的均匀度分： 均匀介质（如聚苯乙烯）； 非均匀介质（如电容器纸-聚苯乙烯薄膜复合介质）重庆科技学院215电介质的极化：电介质在电场的作用下，其内部的束缚电荷所发 生的弹性位移现象和偶极子的取向（正端转向电场负极、负端转 向电场正极）现象。极化时间很关键。重庆科技学院216（2）介质极化的基本形式? 电子位移极化(电子极化) ? 离子位移极化(离子极化) ? 固有电矩转向极化(偶极子转向极化) ? 空间电荷极化重庆科技学院217重庆科技学院218电子位移极化在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对 位移，形成感应电矩而使介质极化的现象。 特点：电子位移极化的形成过程很快，仅需10-14～10-16s。它的 极化是完全弹性的，即在外电场消失后会立即恢复原状，且不消耗 任何能量。电子位移极化在所有电介质中都存在。 仅有电子位移极化而不存在其他极化形式的电介质只有中性的气 体、液体和少数非极性固体。重庆科技学院219电子极化率： 一般情况下，感应电矩μe与所用的局部有效电场强度E成正比， 于是：?e ? ?e E电子云偏离核心，原子核的作用是阻止偏离的形成，所以形成一 个稳定的电矩。重庆科技学院220离子极化很重要，通常负离子的电子位移极化远大于正离子， 电子极化率大，一般具有较大的介电常数。 根据定义，极化强度为单位体积的电矩。极化的大小不仅决定 于粒子的感应电矩，而且决定于单位体积的粒子数。重庆科技学院221电极化强度定义 在宏观上测量到的是大量分子电偶极矩的统计平均值， 为了描述电介质在外场中的行为引入一个物理量：? ? 介质分子电偶极矩 p的矢量和 ? p 在极化后将不为零.介质单位体积的总电偶极 矩矢量称为电极化强度。 ? ? p ? P? ?V 单位是[库仑/米2]、[C/m2]. 电极化强度矢量简称为极化强度。重庆科技学院222? P?? ???0?? ??? 0离子位移极化在离子晶体中，除离子中的电子要产生位移极化外，处于晶格结 点上的正负离子也要在电场作用下发生相对位移而引起极化，这就是 离子式极化，又称离子位移极化。 离子的相对位移包括离子之间的间距变化和键与键之间夹角的 变化。重庆科技学院223分类： 根据离子位移的大小和取消外电场后是否能恢复原位分为： a 离子弹性位移极化：这种极化只存在于离子键构成的晶体中，且 极化过程也很快，约10-12～10-13s。也不消耗能量。这种极化因离子 间束缚力较强，离子位移有限，一旦撤去外电场后又会恢复原状。b 热离子极化(离子松弛式位移极化)：在离子晶体和无定形体中，往 往有一定量的束缚力较弱的离子，它们在热的影响下将作无规则的 跳跃迁移。无外电场时，这种迁移沿各向概率相同，故无宏观电矩； 当外加电场后，由于正负离子沿、逆电场跃迁率增大，因此形成了 正负离子分离而产生介质极化。这种极化建立过程较长，约10-2～105s。所以有极化滞后现象，故又称离子松弛式位移极化。重庆科技学院224有极分子电介质的取向极化重庆科技学院225固有电矩转向极化 (偶极子转向极化)偶极分子在无外电场时就有一定的偶极矩p，但因热运动，它在 各方向概率相同，故无外电场时偶极电介质的宏观电矩为零。但有 外电场时，由于偶极子要受到转矩的作用，有沿外电场方向排列的 趋势，而呈现宏观电矩，形成极化。 这种极化所需较长，约10-2～10-10s。且极化是非弹性的，即撤去外电 场后，偶极子不能恢复原状，故又称偶极松弛式极化。在极化过程 中要消耗一定能量。重庆科技学院226空间电荷极化在一部分电介质中存在着可移动的离子。在外电场作用下，正 离子将向负电极侧移动并积累，而负离子将向正电极侧移动被积累， 这种正、负离子分离所形成的极化称空间电荷极化。这种极化所需 时间最长，约10-2s。重庆科技学院227电子极化、离子极化及空间电荷极化都是正、负电荷在电场作 用下发生相对位移而产生的，故统称为位移极化。而偶极极化是由 于偶极子在外电场作用下发生转向形成的，故称为转向极化。重庆科技学院228?电介质极化微观机理1.位移极化 displacement polarization? E02.取向极化 orientation polarization? ? p ? ql? E0 重庆科技学院229无外场下，所具有的电偶极矩称为固有电偶极矩. 在外电场中产生感应电偶极矩(约是前者的10-5).无极分子只有位移极化，感生电矩的方向沿外场方向.有极分子具有上述两种极化机制.在高频下只有位移 极化。 重庆科技学院230根据电介质的极化形式，把其分为两大类：只有位移极化的电 介质称非极性材料，有转向极化的电介质称极性材料。分子的总极化率可以认为是各种机制极化率的总和：? ? ?e ? ? a ? ? d?e 离子位移极化率 ? a电子位移极化率 固有电矩的转向极化率 ? d重庆科技学院231由于各种极化机制随外电场变化的速度不同，因此可以通过研 究介电频谱来研究材料中存在的极化机制。 频率较低时，三种极化机制均起作用，随外电场频率增大，固 有电偶极矩的取向迟缓而不能跟上电场的变化，频率再高，离子的 位移也不能跟上电场的变化，此时电子位移极化起主要作用。所以可以通过测试介质材料的介电常数随频率的变化而获得介 质材料中存在的极化机制。重庆科技学院232影响介电常数的因素 电极化强度不仅与外加电场有关，而且与极化电荷产生的电场有 关，可表示为P ? ? 0 (? r ?1)E宏E宏=E0 +Ed233材料的介电常数与它的极化强度有关，因此影响电极化的因素对介 电常数均有影响。极化类型、环境均对介电常数产生影响。① 极化类型的影响：电介质的极化过程是比较复杂的，极化形式 也较多，介质材料以何种形式极化，与其结构紧密程度相关。 ② 环境的影响 温度对介电常数的影响，可分为两类：一类是介电常数与温度 为非线性关系的电介质，这类材料很难用介电常数的温度系数来描 述其温度特性；另一类是介电常数与温度为线性关系。此外，介质 的介电常数还与频率、电场强度有关。234电介质的介电常数平板电容器的电容量C与平板的面积S、板间距离d的关系，即：S C ?? d当极板间为真空时，将有S C0 ? ? 0 d重庆科技学院235根据C=Q/U,带有电介质的电容C与无电介质（真空）的电容C0之 比称为电介质的相对介电常数εr，即? ?r ? ?0ε0=8.85×10-12 F/m重庆科技学院236相对介电常数均是无量纲的正数，它们反映了电介质在电场中 的极化特性。 放入电介质的电容器的电荷量Q和电容C增大的原因就是由于介 质的极化作用。显然不同的电介质其极化能力不同，ε越大，极化能 力越强。重庆科技学院237从电介质中存储能量的角度来看，电容器存储的能量为1 1 S 2 1 S 1 1 2 2 2 W ? CU ? ? U ? ? (dE ) ? ? SdE ? ?VE 2 2 2 d 2 d 2 2从而有2W ?? 2 VE介电常数又可理解为在单位电场强度下，单位体积中所存储的 能量。重庆科技学院238固体电介质的击穿概述：固体电介质的击穿就是在电场作用下伴随着热、化学、力等等 的作用而丧失其绝缘性能的现象。239与气体和液体电介质相比，固体电介质击穿有以下几个特点：?固体介质的击穿强度比气体和液体介质高，约比气体高两个数量 级，比液体高一个数量级左右； ?固体通常总是在气体或液体环境媒质中，因此对固体进行击穿试 验时，击穿往往发生在击穿强度比较低的气体或液体媒质中，这种 现象称为边缘效应。（试验时必须尽可能排除）?固体电介质的击穿一般是破坏性的，击穿后在试样中留下贯穿的 孔道、裂纹等不可恢复的伤痕。240固体电介质击穿的类型 ?电击穿 ?热击穿 ?局部放电击穿 ?其他击穿机制（树枝化击穿、电-机械击穿、沿面击穿、化学击穿 等） 对于任何一种材料，各种形式的击穿都可能发生，这取决于材 料的缺陷情况及电场的特性（交流或直流、高频或低频、是否脉冲 电场等）以及所构成器件的工作条件。电介质在电场中的击穿实际 是相当复杂的，一个器件的击穿可能存在多种击穿形式，但总有一 种是主要的形式。241电击穿 当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，电介质 就由介电状态变为导电状态，这个过程就是电击穿。 发生击穿时的电场强度称为击穿电场强度(介电强度），用EB表 示，此时所加电压称为击穿电压，用VB表示。即：VB EB ? d陶瓷材料的击穿强度一般在4～60kV/mm。242电介质的击穿电场强度的影响因素：?材料的厚度 ?所处的环境（温度和气氛） ?电极的形状 ?材料的表面状态?电场的频率和波形?材料的成分和孔隙度?晶体的各向异性243244电击穿是指电场直接作用下，介质中载流子迅速增殖造成的击 穿。这个过程约在10-7s完成，击穿是突然发生的。击穿电场强度较高 ，约为106～107V/cm。 一般认为，电击穿的发生是由于晶体能带在强电场作用下发生 变化，电子直接由满带跃迁到空带发生电离所致。245电击穿理论通常，当电场强度升高至接近击穿强度时，材料中流过的大电流 主要是电子型的。 引起导电电子倍增的方式，也即击穿的机制主要有碰撞电离理论 和雪崩理论，此外有时也可能发生齐纳击穿（或称隧道击穿）。246碰撞电离理论 当晶体的温度高于绝对零度时，晶格的微小振动形成格波，其 能量量子即声子，在碰撞电离理论中，碰撞机制一般应考虑电子和 声子的碰撞，同时也应该包括杂质和缺陷对自由电子的散射。若外 加电场足够高，当自由电子在电场中获得的能量超过失去的能量时 ，自由电子便可在每次碰撞后积累起能量，最后发生电击穿。247雪崩理论 雪崩理论是在电场足够高时，自由电子从电场中获得能量在每 次碰撞后都能产生一个自由电子。因此在n次碰撞后就有2n个自由电 子，形成雪崩或倍增效应。当雪崩或倍增效应贯穿两电极时，则出 现击穿。248若电介质中的场强很大，电介质分子的正负电荷有可能被拉开 而变成可自由移动的电荷。大量自由电荷的产生，使电介质的绝缘 性能破坏而成为导体。249齐纳击穿（隧道击穿） 当外电场足够高时，由于量子力学的隧道效应，禁带电子就可 能进入导带。在强电场作用下，自由电子被加速，引起电子碰撞电 离。这种电子雪崩过程同样引起很大的电流，但这并不导致晶体的 破坏。导致晶体击穿的原因是由于隧道电流的增加，晶体局部温度 升高，致使晶体局部熔融而破坏。 禁带宽度越窄，隧道效应越显著。电介质的禁带宽度一般较大（ &4eV），在10MV?cm-1时，齐纳击穿的可能性不大，但不排除介质 中局部电场的集中而引起大隧道电流的可能。250规律：?固体介质的击穿电场强度往往取决于材料的均匀性；?大部分材料在交变电场下的击穿强度低于直流下的击穿电场强度 ，在高频下由于局部放电的加剧，使得击穿电场强度下降得更厉害 ，并且材料的介电常数越大，击穿电场强度下降得越多；?无机电介质在高频下的击穿往往具有热的特征，发生纯粹电击穿 的情况并不多见；251?在室温附近，高分子电介质的击穿电场强度往往比陶瓷等无机材 料要大，并且极性大高聚物的击穿电场强度常常要比非极性的大； ?在软化温度附近，热塑性高聚物的击穿电场强度急剧下降。252热击穿当固体电介质在电场作用下，由电导和介质损耗产生的热量超 过试样通过传导、对流和辐射所能散发的热量时，试样中的热平衡 就被破坏，试样温度不断上升，最终造成介质永久性的热破坏，这 就是热击穿。热击穿有一个热量积累过程，不像电击穿那样迅速。热击穿电 场强度较低，一般约为1～10kV/mm。253介质中所产生的热量，一方面使试样本身的温度升高，另一方 面通过热传导和热对流向周围散发热量。在电场作用下，如试样的发热功率为W1，散热功率为W2，临界 热平衡方程即为：W1 (T m ) ? W2 (Tm )254255?当外加电压V1较小时，发热曲线W1（V1）与散热曲线W2在A点相 交。这表明，在A点发热功率W1等于散热功率W2，介质处于热平 衡情况，这时试样的温度为T，电压可持续作用，温度不再升高 。?若外加电压V3较高，这是发热功率W1恒大于散热功率W2，曲线 W1（V3）与直线W2不可能相交，这表明介质在任何温度下都不会 达到热平衡，这就使介质温度不断地升高，最后导致热击穿。256?在一定电压V2下，曲线W1(V2)直线W2相切于C点，相应于C点介质 的温度为Tm。这就是介质达到临界热击穿时的最高极限温度。 因为当T&Tm时，发热功率大于散热功率，温度继续上升至Tm； 而当T&Tm时，W1(V2) &W2，介质温度将不断上升，最后导致热 击穿。发热曲线W1(V2) 是介质稳定与不稳定状态的临界曲线，电压 V2就是固体电介质热击穿电压，以Vt表示。257当固体电介质临界热击穿最高极限温度Tm超过材料的最高工作 温度时，由于介质发热，材料在低于Tm的温度下，就可能失效。（ 例如当Tm大于晶体材料的熔化温度，或高于高聚物的玻化温度或软 化温度时的情况就是如此） 对于介质损耗较高的固体介质材料，在高频下的主要击穿形式 是热击穿。258局部放电击穿局部放电就是在电场作用下，在电介质局部区域中所发生的放 电现象，这种放电没有电极之间形成贯穿的通道，整个试样并没有 被击穿。（如气体的电晕放电、液体中的气泡放电）259对于固体电介质，电极与介质之间常常存在着一层环境媒质： 气隙或油膜。就固体电介质本身来说，实际上也是不均匀的，往往 存在着气泡、液珠或其他杂质和不均匀的组分等。 例如陶瓷就是一种多孔的不均匀材料。气体和液体的击穿电场 强度比较低，于是当外加电压达到一定数值时，在这薄弱的区域， 就发生局部放电。260局部放电是脉冲性的，其过程与电晕放电相同。放电结果产 生大量的正、负离子，形成空间电荷，建立反电场，使气隙中的 总电场强度下降，放电熄灭。这样的放电持续时间很短，为109~10-8s。在直流电压作用时，放电熄灭后直到空间电荷通过表面泄 漏，使反电场削弱到一定程度，才能开始第二次放电。因此在直 流电压作用下，放电次数很少。在交流电压作用时，情况有所不 同。由于电压的大小与方向是变动的，放电将反复出现，表明局 部放电是脉冲性的。261工程介质，从材料本身而言，其本征击穿电场强度一般较高 ，但由于介质的不均匀性和各种影响，实际击穿强度往往并不很 高，有时甚至要降低一、二个数量级，原因？ 局部放电 局部放电将导致介质的击穿和老化，因为局部放电除电的过 程以外，还伴随着热、辐射、化学和应力作用等过程。这些过程 的综合作用，就使介质击穿或老化变质。262电-机械-热击穿 大部分陶瓷材料中存在着相当大的气孔，其直径可达几个微米 。这些气孔在电场作用下，特别是高频电场作用下，将发生强烈的 游离，而且气孔的直径愈大，游离电压愈低。在高频电压下，由于 气孔中的强烈游离，产生大量的热量，使得气孔附近局部区域过热 ，在材料中产生相当高的内应力。当热应力超过一定限度时，材料 因丧失机械强度发生破坏，以致失去抗电能力，造成“击穿”。 这种击穿往往发生在质地疏松、介电常数高的材料中。263化学击穿电介质在长期的使用过程中受电、光、热以及周围媒质的影响， 产生化学变化，电性能发生不可逆的破坏，最后被击穿。这一类的 击穿在工程上被称为老化，亦称为化学击穿（或电化学击穿）。高聚物绝缘体在高电压下长期工作会在高聚物表面或缺陷、小 孔处引起局部的空气碰撞电离，从而产生氧化物，这些化合物都能 使高聚物老化，引起电导的增加直至发生击穿。在电场长期作用下 ，有机电介质发生的变硬、变黏等都是化学性质变化的表现。264陶瓷介质材料的化学性质比较稳定，但对于以银为电极的含 钛陶瓷，若长期在直流电场下使用，由于阳极上的银原子容易失 去电子变成银离子，银离子进入电介质沿电场方向从阳极迁移到 阴极，最后又在阴极上获得电子而变成银原子沉积在阴极附近， 如果电场作用的时间很长，沉积的银越来越多，形成枝蔓状向电 介质内部延伸，相当于缩短了电极间的距离，从而使电介质的击 穿电压下降。涉及的缺陷化学反应：Ag+Ti4+ ? Ag1+ +Ti3+ ? ? ? 3+ 4+ Ti ? Ti +e ? ?银的扩散265影响介电强度的因素 ?介质结构的不均匀性 无机电介质结构往往是不均匀的，其中存在晶相、玻璃相和 气孔。它们具有不同的介电性，在同一电场作用下，各部分承受 的场强是不同的。? 2 (d1 ? d 2 ) ? E ? ? 1 ? d ?? d E ? 1 2 2 1 ? ? E ? ? 1 (d1 ? d 2 ) E 2 ? ? 1d 2 ? ? 2 d1 ?各层的电场强度不同，而且电导率小的介质承受较高场强，而电导率大的介质 承受较低场强。在交流电场的作用下也有类似的关系。如果ζ1和ζ2相差很大，则 必然使其中一层的场强远大于平均电场强度，从而使得这一层先击穿，其后另 一层也将击穿。这说明介质材料结构的不均匀性可能引起介电强度下降。266?内电离现象 如果材料内部存在气泡，由于气泡的ε及ζ很小，因此加上电场 后气泡承受较高的场强，而空气介质的介电强度远低于固体介质, 气泡首先被击穿，引起气体放电（电离），产生大量的热。由于 在产生热量的同时会形成相当高的内应力，材料也易丧失机械强 度而被破坏，这种击穿称为电-机械-热击穿，这属于局部放电击 穿的一种典型情况。介质内部产生大量的气泡放电，一方面导致 电-机械-热击穿，另一方面介质内引起不可逆的物理化学变化， 使介质介电强度下降。267?表面放电和边缘击穿 固体介质表面尤其使附有电极的表面常常发生介质表面放电， 通常属于气体放电。固体介质处于周期气体媒质中，击穿时常常发 现固体介质并未击穿，只是火花掠过它的表面，称之为固体介质的 表面放电。固体介质表面击穿电压常低于没有固体介质时的空气击穿电 压，其降低情况通常决定于以下三种条件：2681）固体介质不同，表面放电电压也不同。陶瓷介质由于介电常数 大、表面吸湿等原因，引起离子式高压极化（空间电荷极化）， 使表面电场畸变，从而降低表面击穿电压。 2）固体介质与电极接触不好，则表面击穿电压降低，尤其是当不 良接触在阴极处时更严重。这是因为空气隙介电常数低，根据夹 层介质原理，电场畸变，气隙易放电。介电常数越大，影响越显 著。3）电场频率不同，表面击穿电压也不同，随频率升高，击穿电压 降低。原因是气体正离子迁移率比电子小，形成正的体积电荷， 频率高时，此现象更为突出。固体介质本身也因空间电荷极化导 致电场畸变，因而表面击穿电压降低。269边缘击穿是由于电极边缘常常是电场集中，击穿常在电极边缘发 生。是否会发生边缘击穿主要与下列因素有关：?电极周围的介质、 ?电场的分布（电极的形状、相互位Z） ?材料的介电常数和电导率270表面放电和边缘击穿电压并不能表征材料的介电强度，这两 种过程还与设备条件有关。为了避免表面放电和边缘击穿的发生 ，充分发挥材料的本征介电强度，可以选用电导率和介电常数较 高的媒质，且媒质具有较高的介电强度，通常采用变压器油。 此外，在高频高压下使用的瓷介质表面施釉，可保持其清洁 ，而且釉的电导率较高，电场更为均匀。若在电极边缘施以半导 体釉，则效果更好。为使电极边缘电场均匀，还应注意电极形状 和结构元件的设计，增大表面放电途径和边缘电场的均匀性。271介电损耗 电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，这说明有部分 电能已转化为热能损耗掉，这种介质内的能量损耗称为介质损耗。 这种损耗是由电导作用和极化作用引起的。272复介电常数? 恒定电场作用下介质电流与电压相位相同，介电常数为恒定值 ε=C/Co=D/(εoE) ? 在交变电场中，如果介质中存在松弛极化，那么D与E之间就会 存在相位差，导致介电常数为一个复数? ? ? ' ? i? ''? '' tan ? ? ' ??'-复介电常数的实部，它相当于通常的介电常数ε -复介电常数的虚部，称为损耗因数273? ''① 由样品的几何电容的充电所产生的电流，称为电容电流，不损 耗能量。 由介质的电导（漏导）所产生的电流，与自由电荷有关，引起 的损耗称为电导损耗。 ② 由各种介质极化的建立所产生的电流，与松弛极化或惯性极化 、共振等有关，引起的损耗称为极化损耗。 ③ 电介质的损耗有电导（漏导）损耗、极化损耗、共振吸收损耗 、电离损耗（游离损耗）和结构损耗等。2741）电导（漏导）损耗 实际电介质中由于缺陷的存在，或多或少存在一些束缚较弱 的带电质点（载流子，包括空位），这些带电质点在外电场作用 下产生定向移动，从而产生了漏导电流，使能量损耗，这种由漏 导电流引起的损耗称为电导（漏导）损耗。2752）极化损耗 由电介质各种极化机制引起的电流产生的损耗称为极化损耗。极 化损耗主要与极化的弛豫（松弛）过程有关，是缓慢极化过程引 起的能量损耗。这种损耗与频率、温度密切相关，在某一温度或 频率下，介质损耗达到极大值。根据德拜方程可知：? r 0 ? ? r? ? r ? ? r? ? 1 ? i?? ? ?? ? r' ? ? r? ? r 0 2 r? 1? ? ? 2 ? ?? ? r'' ? r 0 2 r? ?? 2 1? ? ?? r'' tan ? ? ' ?r276损耗角正切tanδ 和品质因数损耗角正切tanδ表示为获得给定的存储电荷要消耗的能量的 大小，是电介质作为绝缘材料使用评价的参数。 为了减少绝缘材料使用的能量损耗，希望材料具有小的损耗 角正切。1 损耗角正切的倒数 Q ? tan ?在高频绝缘应用条件下称为电介质的品质因数，品质因数越 高越好。277由于不同极化机制的弛豫时间不同，因 此，在交变电场频率极高时，弛豫时间 长的极化机制来不及响应所受电场的变 化，故对总的极化强度没有贡献。在偶极子松弛极化阶段、离子位移 极化阶段、电子位移极化阶段均存 在吸收峰278a. 当外电场频率很低时，即ω→0时，各种极化都能跟上电场的变 化，即所有极化机制均能建立，对介电常数产生贡献使其最大， 而不造成损耗。 b. 当外电场频率逐渐增大，到某一频率时，松弛极化开始跟不上 电场变化，此时松弛极化对介电常数的贡献减小，使ε随频率增大 而减小，同时产生介质损耗，当ω=η-1时，介质损耗最大。c. 当外电场频率很高时，松弛极化完全无法建立，对介电常数毫 无贡献，介电常数仅由位移极化决定，ω→∞，tanδ→0，无极化 损耗。2793）共振吸收损耗 离子晶体中晶格振动的光频波代表原胞内离子的相对运动， 若外电场的频率等于晶格振动光频波的频率，则发生共振吸收。 带电质点吸收外电场能量，振幅越来越大，电介质极化强度逐渐 增加，通过质点间的碰撞和电磁波的辐射把能量耗散掉，并一直 进行到从电场中吸收的能量与耗散掉的能量相等时，达到平衡。 室温下，共振吸收损耗在频率100 MHz以上时发生。280电介质在静电场中，因介质中无周期性的极化过程，其损耗仅 仅由电导引起。 损耗功率为：P W ? IU ? GU介质损耗率（单位体积的介质损耗）：2介电损耗取决于材料的电导率和电场强度，由下式表示：PW GU 2 p? ? ? ? E2 V V281在交变电场作用下，介质损耗由电导和极化共同引起。电场不断地改变，介质内的极化也就要不断}