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1、第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导6.5 玻璃态电导玻璃态电导 纯净玻璃的电导很小，当有碱金属离子存在时，纯净玻璃的电导很小，当有碱金属离子存在时，电导会大大增加。含量不大时，玻璃电导率随含电导会大大增加。含量不大时，玻璃电导率随含量线性增加，当到达一定限度时，电导率呈指数量线性增加，当到达一定限度时，电导率呈指数关系增加。关系增加。 玻璃中有碱金属离子时，基本表现为玻璃中有碱金属离子时，基本表现为离子电导离子电导。第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导双碱效应双碱效应硼钾锂玻璃电导率与锂、钾含量的关系硼钾锂玻璃电导率与锂、钾含量的关系 碱金属离子总浓度相同碱金属离子总浓度相同的情况下
2、，含两种碱金属的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子离子比含一种碱金属离子的玻璃电导要低。的玻璃电导要低。第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导原因：原因：1. 小离子迁移留下的空位比大离子留下的空位小，因而小离子迁移留下的空位比大离子留下的空位小，因而大离子只能通过本身的空位迁移；大离子只能通过本身的空位迁移；2. 小离子进入大离子空位中，产生应力，不稳定，会产小离子进入大离子空位中，产生应力，不稳定，会产生干扰，使电导率降低；生干扰，使电导率降低；3. 大离子不能进入小空位，使通路堵塞，妨碍小离子的大离子不能进入小空位，使通路堵塞，妨碍小离子的迁移，迁移率降低。迁移，迁移率降低。第
3、第6章章 无机材料的电导无机材料的电导压碱效应压碱效应 含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低。相应的阳离子半径越大，这种物，使玻璃的电导率降低。相应的阳离子半径越大，这种效应越强。效应越强。原因：原因： 二价离子与玻璃中的氧结合牢固，堵塞迁移通道，二价离子与玻璃中的氧结合牢固，堵塞迁移通道，使碱金属的离子迁移困难，电导降低。使碱金属的离子迁移困难，电导降低。第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导6.6 无机材料的电导无机材料的电导n多晶多相陶瓷材料的电导是各种电导机制的综合作用，多晶多相陶瓷材料的电导是各种电导机制
4、的综合作用，有电子电导，也有离子电导。有电子电导，也有离子电导。n电子的激活能小，迁移率高，材料的电导电子的激活能小，迁移率高，材料的电导主要受电子主要受电子电导电导的影响；绝缘材料的生产中要严格控制烧结气氛，的影响；绝缘材料的生产中要严格控制烧结气氛，减少电子电导。减少电子电导。n薄膜及超细颗粒含有大量晶界，增加离子及电子的散薄膜及超细颗粒含有大量晶界，增加离子及电子的散射，电阻增加。射，电阻增加。n少量气孔分散相，气孔率增加，陶瓷材料的电导率减少量气孔分散相，气孔率增加，陶瓷材料的电导率减少。少。一、多晶多相固体材料的电导一、多晶多相固体材料的电导第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导n
5、设陶瓷由晶粒和晶界组成，且忽设陶瓷由晶粒和晶界组成，且忽略界面的影响和局部电场的变化略界面的影响和局部电场的变化等因素，则总电导率为：等因素，则总电导率为：nn = -1时，相当于串联状态；时，相当于串联状态；n = 1时相当于并联状态；时相当于并联状态；n = 0时，时，对应于晶粒均匀分散在晶界中的对应于晶粒均匀分散在晶界中的情况。情况。n实际材料中，当晶粒和晶界之间实际材料中，当晶粒和晶界之间的电导率、介电常数、多数载流的电导率、介电常数、多数载流子差异很大时，往往在晶粒和晶子差异很大时，往往在晶粒和晶界之间产生相互作用，引起各种界之间产生相互作用，引起各种陶瓷材料特有的晶界效应。陶瓷材料
6、特有的晶界效应。nBBnGGnTVVBBGGTVVlnlnln二、无机材料电导的混合法则二、无机材料电导的混合法则第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导n1、 玻璃态电导：在含有碱金属离子的玻璃中，基本上玻璃态电导：在含有碱金属离子的玻璃中，基本上表现为离子电导。纯净玻璃的电导率一般较小，但少量表现为离子电导。纯净玻璃的电导率一般较小，但少量的碱金属离子可使电导大大地增加。的碱金属离子可使电导大大地增加。n2、玻璃态电导的效应：、玻璃态电导的效应：i) 双碱效应，双碱效应，ii）压碱效应）压碱效应n3、介质材料应尽量减少玻璃相的电导。、介质材料应尽量减少玻璃相的电导。n4、晶相、玻璃相和气孔
7、相，三者间量的大小及其相互、晶相、玻璃相和气孔相，三者间量的大小及其相互间的关系，决定了陶瓷材料电导率的大小。间的关系，决定了陶瓷材料电导率的大小。n5、杂质与缺陷为影响导电性的主要、杂质与缺陷为影响导电性的主要内在因素内在因素。n6、少量气孔分散相，气孔率增加，陶瓷材料的电导率、少量气孔分散相，气孔率增加，陶瓷材料的电导率减少。减少。小小 结结第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导6.7 半导体陶瓷的物理效应半导体陶瓷的物理效应一、晶界效应一、晶界效应1、压敏效应、压敏效应压敏效应：对电压变化敏感的压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应非线性电阻效应。即在某一。即在某一临界电压以下，电阻
8、值非常高，几乎无电流通过，当超过临界电压以下，电阻值非常高，几乎无电流通过，当超过临界电压（敏感电压），电阻迅速降低，让电流通过。临界电压（敏感电压），电阻迅速降低，让电流通过。ZnO压敏电阻器的电压压敏电阻器的电压-电流特性曲线电流特性曲线aCVI)(I电阻器流过的电流电阻器流过的电流V 施加电压施加电压C相当于电阻，其值难测定，常用相当于电阻，其值难测定，常用一定电流下一定电流下(通常为通常为1mA)所施加的电所施加的电压压Vc来代替来代替C值，即：值，即：C = Vc/Ia非线性指数，其值越大，压敏特非线性指数，其值越大，压敏特性越好。性越好。第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导压敏
9、效应的机理：压敏效应的机理：1）不等价置换使压敏陶瓷晶界具有表面能级；表面能级可）不等价置换使压敏陶瓷晶界具有表面能级；表面能级可以捕获载流子，产生电子耗损层，形成以捕获载流子，产生电子耗损层，形成双肖特基势垒双肖特基势垒。2）电压较低时，热激励电子必须越过肖特基势垒而流过；）电压较低时，热激励电子必须越过肖特基势垒而流过；电压增加到一定值以上，晶界面上所捕获的电子由于电压增加到一定值以上，晶界面上所捕获的电子由于隧道隧道效应效应越过势垒，使电流急剧增大。越过势垒，使电流急剧增大。ZnO压敏电阻双肖特基势垒模型压敏电阻双肖特基势垒模型第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导2、 PTC效应（正
10、温度系数效应）效应（正温度系数效应）PTC效应：电阻率随温度上升发生突变，增大了效应：电阻率随温度上升发生突变，增大了34个数个数量级。是量级。是价控型价控型钛酸钡半导体特有，电阻率突变温度在相钛酸钡半导体特有，电阻率突变温度在相变（四方相与立方相转变）温度或居里点。变（四方相与立方相转变）温度或居里点。PTC电阻率温度特性电阻率温度特性 第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导PTC现象的机理（现象的机理（Heywang晶界模型晶界模型)：1）n型半导体陶瓷晶界具有表面能级；型半导体陶瓷晶界具有表面能级；2）表面能级可以捕获载流子，产生电子耗损层，形成肖特）表面能级可以捕获载流子，产生电子耗
11、损层，形成肖特基势垒。基势垒。3）肖特基势垒高度与介电常数有关，介电常数越大，势垒）肖特基势垒高度与介电常数有关，介电常数越大，势垒越低；越低；4）温度超过居里点，材料的介电常数急剧减小，势垒增高，）温度超过居里点，材料的介电常数急剧减小，势垒增高，电阻率急剧增加。电阻率急剧增加。第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导表面效应表面效应：半导体表面吸附气体时电导率发生变化。：半导体表面吸附气体时电导率发生变化。吸附气体的种类：吸附气体的种类：H2、O2、CO、CH4、H2O等。等。二、表面效应二、表面效应第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导三、西贝克效应（温差电动势效应）三、西贝克效应（温
12、差电动势效应）半导体陶瓷的半导体陶瓷的西西贝克效应贝克效应 第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导概念：概念：半导体两端有温差时，由于多数载流子要扩散到冷半导体两端有温差时，由于多数载流子要扩散到冷端，结果在半导体两端就产生了端，结果在半导体两端就产生了温差电动势温差电动势，这种现象称，这种现象称为西贝克效应。为西贝克效应。温差电动势系数：温差电动势系数：温差电动势系数的意义：温差电动势系数的意义：温差电动势系数的符号同载流子带电符号一致，可据此判温差电动势系数的符号同载流子带电符号一致，可据此判断半导体的类型。断半导体的类型。第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导四、四、p-n结结当当n
13、型和型和p型半导体接触时，或半导型半导体接触时，或半导体内一部分为体内一部分为n型，另一部分为型，另一部分为p型型时，由于两者费米能级不同，在接时，由于两者费米能级不同，在接触面两侧形成正负电荷积累，产生触面两侧形成正负电荷积累，产生一定的一定的接触电势差接触电势差。未加电场下未加电场下p区极少量的电子由于势区极少量的电子由于势垒降低产生的电流（垒降低产生的电流（饱和电流饱和电流I0）与）与n区电子的区电子的扩散电流扩散电流Id相抵消。相抵消。()()dfnfpeVEE)exp(kTeVAIdd1、p-n结势垒的形成结势垒的形成第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导 正偏压：势垒降低，扩散电
14、流增加，产生正偏压：势垒降低，扩散电流增加，产生净电流。净电流。负偏压：只能流过很小电流。负偏压：只能流过很小电流。 负偏压继续增加，出现负偏压继续增加，出现隧道效应隧道效应，绝缘破，绝缘破坏，此时电压称为坏，此时电压称为反向击穿电压反向击穿电压。0exp()exp() 1exp() 1deVeVeVIAIkTkTkT)exp(1 )exp(1)exp(00kTeVIkTeVkTeVAIIIddeVde(Vd-V)exp()(exp(0kTeVAkTVVeAIIIddd2、偏压下、偏压下p-n结势垒和整流作用结势垒和整流作用第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导npnp+_En区空穴区空穴P
15、区电子区电子3、光生伏特效应、光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应示意图示意图第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导光生伏特效应机理：光生伏特效应机理：1）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n结；结；2）p、n区都产生电子区都产生电子空穴对，产生空穴对，产生非平衡载流非平衡载流子子(电子吸收光子能量后由价带跃迁至导带，同时在电子吸收光子能量后由价带跃迁至导带，同时在价带中产生电子空穴价带中产生电子空穴)；3）非平衡载流子在）非平衡载流子在内建电场内建电场作用下，作用下，n区空穴向区空穴向p区扩散，区扩散，p区电子向区电子向n区扩散；区扩散；4）若）若p
16、-n结开路，在结的两边积累电子结开路，在结的两边积累电子空穴对空穴对,产产生开路电压。生开路电压。第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导6.8 超导体超导体1. 超导电性超导电性 在一定条件下，材料的电阻突然消失的现象称为在一定条件下，材料的电阻突然消失的现象称为超超导电性。导电性。 1911年荷兰科学家年荷兰科学家昂尼斯昂尼斯首次在实验室中发首次在实验室中发现，低于现，低于4.2K附近，水银的电阻突然降至无法测量，附近，水银的电阻突然降至无法测量，或者说为或者说为0。（获。（获1913年年诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖） 材料失去电阻的状态称为材料失去电阻的状态称为超导态超导态，存在电阻的状态，
17、存在电阻的状态称为称为正常态，正常态，具有超导态的材料称为具有超导态的材料称为超导体；超导体；材料由材料由正常态转变为超导态的温度称为正常态转变为超导态的温度称为临界温度（临界温度（Tc）；）；超超导态有电流，而无电阻，所以超导体态材料是导态有电流，而无电阻，所以超导体态材料是等电位等电位的。的。第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导2. 2. 两个基本特性两个基本特性 1）完全导电性）完全导电性：即电阻为：即电阻为0，或零电阻现象；，或零电阻现象； 2) 完全抗磁性完全抗磁性：即磁感应强度：即磁感应强度B始终为始终为0，亦称，亦称“迈迈斯纳斯纳效应效应”。第第6章章 无机材料的电导无机材料
18、的电导超导转变温度超导转变温度Tc 愈高愈好愈高愈好3. 三个性能指标三个性能指标临界磁场临界磁场Hc 破坏超导态的最小磁场。破坏超导态的最小磁场。随温度降低，随温度降低，Hc将增加。将增加。当当TTc时，时，Hc=Hc01-（T/Tc)2临界电流密度临界电流密度Jc 保持超导状态的最保持超导状态的最大输入电流（与大输入电流（与Hc相关）相关）超导态除了决定于温度以外，还与外磁场有关，纵超导态除了决定于温度以外，还与外磁场有关，纵使温度低于临界转变温度，但如果磁场强度或临界使温度低于临界转变温度，但如果磁场强度或临界电流密度超过某个值，超导态依然变为正常态。电流密度超过某个值，超导态依然变为正
19、常态。第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导 4.超导现象的物理本质超导现象的物理本质 1957年由巴丁、库柏和施瑞弗等人揭示，简称为年由巴丁、库柏和施瑞弗等人揭示，简称为BCS理论。理论。认为超导体中的电子之间在超导态时存在着特殊的吸引力，认为超导体中的电子之间在超导态时存在着特殊的吸引力，而不是正常态时的静电斥力，这种吸引力使电子双双结成电而不是正常态时的静电斥力，这种吸引力使电子双双结成电子对，称为子对，称为Cooper电子对（库柏电子对）。电子对（库柏电子对）。 由于由于Cooper电子对受声子散射时，不会改变它的总动量，电子对受声子散射时，不会改变它的总动量，因此也不会改变电流，这
20、样即使去掉外场，电流也不会减少，因此也不会改变电流，这样即使去掉外场，电流也不会减少，因而获得超导电性。由于因而获得超导电性。由于Cooper电子电子对的束缚能比较小，因对的束缚能比较小，因此只有在低温下，也即只有在临界温度以下，此只有在低温下，也即只有在临界温度以下， 才能形成才能形成Cooper电子对，出现超导相。电子对，出现超导相。 约翰约翰巴丁巴丁 里昂里昂库柏库柏 罗伯特罗伯特施瑞施瑞弗弗获得获得Nobel prize in 1972第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导5.超导体的分类超导体的分类 第一类超导体：第一类超导体：大多数纯金属超导体，在超导态下磁大多数纯金属超导体，在
21、超导态下磁通从超导体中全部逐出，具有完全的迈斯纳效应（完通从超导体中全部逐出，具有完全的迈斯纳效应（完全的抗磁性）。全的抗磁性）。 第二类超导体：第二类超导体：铌、钒及其合金中，允许部分磁通透铌、钒及其合金中，允许部分磁通透入，仍保留超导电性入，仍保留超导电性。存在两个临界磁场，较低的存在两个临界磁场，较低的Hc1和较高的和较高的Hc2。第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导n1966年在陶瓷中首次发现超导特性；年在陶瓷中首次发现超导特性；n1986年发现临界温度高于年发现临界温度高于30K的陶的陶瓷（瓷（LaBa)2CuO4 (1987年获得年获得诺贝诺贝尔物理奖尔物理奖)n1987年赵忠
22、贤得到液氮温度（年赵忠贤得到液氮温度（77K）以上的超导体以上的超导体 (Y-Ba-Cu-O) （90K）n1993年发现了临界温度为年发现了临界温度为135K的超的超导体导体 (Hg-Ba-Ca-Cu-O)6. 陶瓷超导体陶瓷超导体J. Georg BednorzFederal Republic of GermanyK. Alexander MullerSwitzerland第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导超导材料的应用大致可分为三类：超导材料的应用大致可分为三类：(1).大电流应用（强电应用）：发电、输电和储能大电流应用（强电应用）：发电、输电和储能(2).电子学应用（弱电应用）：
23、超导计算机、滤波电子学应用（弱电应用）：超导计算机、滤波器、微波器件等器、微波器件等(3).抗磁性应用：磁悬浮列车和热核聚变反应堆等抗磁性应用：磁悬浮列车和热核聚变反应堆等7. 超导材料的应用超导材料的应用第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导本章要点回顾本章要点回顾n基础知识：基本概念、物理参数的意义、电阻率的测基础知识：基本概念、物理参数的意义、电阻率的测试、电导的物理效应、电导率的一般表达式试、电导的物理效应、电导率的一般表达式n离子电导和电子电导：载流子迁移率、载流子浓度的离子电导和电子电导：载流子迁移率、载流子浓度的推导、电导率的计算公式、电导率的影响因素推导、电导率的计算公式、电
24、导率的影响因素n导体和半导体材料的导电机理：经典自由电子理论、导体和半导体材料的导电机理：经典自由电子理论、量子自由电子理论和能带理论。量子自由电子理论和能带理论。n陶瓷、玻璃的导电性及影响因素，无机材料电导的混陶瓷、玻璃的导电性及影响因素，无机材料电导的混合法则合法则n半导体的物理效应：压敏效应、热敏效应、气敏效应、半导体的物理效应：压敏效应、热敏效应、气敏效应、西贝克效应、西贝克效应、p-n结结n超导体：概念、特性、性能指标、物理本质超导体：概念、特性、性能指标、物理本质第第6章章 无机材料的电导无机材料的电导部分电导性能总结题部分电导性能总结题一、名词解释一、名词解释 能带、禁带、价带、
25、导带、本征半导体、能带、禁带、价带、导带、本征半导体、N型半导体、型半导体、 P型半导体、型半导体、PN结、超导体结、超导体二、问题二、问题 1. 从导体、半导体、绝缘体材料能带结构分析其导电性能从导体、半导体、绝缘体材料能带结构分析其导电性能不同的原因。不同的原因。 2. 本征半导体材料的导电机理及电学特性。本征半导体材料的导电机理及电学特性。 3. PN结的形成过程。结的形成过程。 4. PN结为什么具有单向导电性？结为什么具有单向导电性？ 5. 超导体的两个基本特征和三个重要指标是什么？超导体的两个基本特征和三个重要指标是什么？ 6. 画图分析两种导体组成的回路中产生的热电效应（设两画图分析两种导体组成的回路中产生的热电效应（设两接触端温度不同）。接触端温度不同）。