1、1第四篇材料的物理、化學性質第四篇材料的物理、化學性質第十章第十章 材料的電性質材料的電性質l固體材料中的電子能帶結構固體材料中的電子能帶結構l金屬的電阻金屬的電阻l半導體半導體l絕緣體絕緣體l超導體超導體主主要要內內容容2跨跨越越27個個數(shù)數(shù)量量級級固固體體材材料料u導電載流子：導電載流子：電子、空穴、正離子和負離子電子、空穴、正離子和負離子l歐姆定律歐姆定律電阻率（歐姆電阻率（歐姆.米）米）J 為電流密度；為電流密度；E為電場強度為電場強度電導率電導率, , S/m，（西門子，（西門子/米）米）載流子遷移率載流子遷移率：單位時間內沿電場方：單位時間內沿電場方向或相反方向遷移的距離，向或相反

2、方向遷移的距離，m2 / (V.s)，n載流子密度、載流子密度、e 載流子荷電量載流子荷電量10.1 概述概述 常用電導率的倒數(shù)常用電導率的倒數(shù)-電阻率電阻率來說明它與其它性質的關系。來說明它與其它性質的關系。= 1/，單位為，單位為m (歐歐姆姆米米)。3電導率取決于材料的電子能帶結構電導率取決于材料的電子能帶結構u退火銅退火銅Cu截面積截面積1mm2、長、長1m、20，電導率為，電導率為5.8107 S/m。uAl和和Ag相對電導率分別為相對電導率分別為61%和和106%。l工程上材料的電導率常以國際退火銅電導率的百分數(shù)表示，即工程上材料的電導率常以國際退火銅電導率的百分數(shù)表示，即相對電導

3、率相對電導率IACS(Intenational Annealed Copper Standard) 。 IACS= /Cu。典型金屬是良導體，電導率為典型金屬是良導體，電導率為105S/m，絕緣體的電導率非常低，為絕緣體的電導率非常低，為10-610-18S/m。電導率介于導體和絕緣體之間的材料為半導體，一般為電導率介于導體和絕緣體之間的材料為半導體，一般為10-6100S/m。4l電子受到鄰近電電子受到鄰近電子和原子核的作子和原子核的作用，使能級分裂用，使能級分裂u孤立原子的電子孤立原子的電子處于分立的能級上。處于分立的能級上。u一個能級分裂后，一個能級分裂后，密集能級的能量范圍密集能級的能

4、量范圍叫做叫做能帶能帶。u能級分裂從價電子開始，價電子能能級分裂從價電子開始，價電子能級分裂成的能帶稱為級分裂成的能帶稱為價帶價帶。是滿帶或。是滿帶或未被填滿。未被填滿。u與各原子的激發(fā)能級相應的能帶在與各原子的激發(fā)能級相應的能帶在未被激發(fā)的時沒有電子填入，稱為未被激發(fā)的時沒有電子填入，稱為空空帶或導帶。帶或導帶。10.2 固體材料中的電子能帶結構固體材料中的電子能帶結構5 1. 金屬的電子能帶結構金屬的電子能帶結構l在在0 K時，價帶中被電子所占據(jù)的最高能級稱為費密能級，費密能級以時，價帶中被電子所占據(jù)的最高能級稱為費密能級，費密能級以上都是空能級。上都是空能級。鈉原子鈉原子3s能級分裂為能

5、級分裂為N個能級，個能級，3s能帶能帶3s 能帶一半充滿能帶一半充滿，只需很小能量就可激發(fā)出自由電子，是，只需很小能量就可激發(fā)出自由電子，是良導體良導體。IA和和IB族單價原子（族單價原子（Li ，Na，K，Cu，Ag，Au等）都是良導體等）都是良導體3s能帶還與能量較高的能帶還與能量較高的3p空能帶發(fā)生部分交疊空能帶發(fā)生部分交疊全滿全滿3s與部分充滿與部分充滿3p 能帶交疊。也是良導體能帶交疊。也是良導體6過渡族金屬未充滿的過渡族金屬未充滿的d能帶并與最外層的能帶并與最外層的 s 能帶交疊，也具有一定能帶交疊，也具有一定的導電性。的導電性。7(a)激發(fā)前 (b)激發(fā)后l價電子被共價鍵或離子鍵

6、束縛在價電子被共價鍵或離子鍵束縛在鍵合原子上。鍵合原子上。l能量較低的價帶與能量較高的導能量較低的價帶與能量較高的導帶在原子平衡間距處沒有交疊帶在原子平衡間距處沒有交疊Eg = Ec -EvEg = Ec -EfEc，導帶最低能量，導帶最低能量Ev，價帶最高能量，價帶最高能量Ef為費密能量為費密能量l須有足夠的能量（須有足夠的能量（E Eg）激發(fā)它激發(fā)它絕緣體的禁帶寬度為絕緣體的禁帶寬度為 5 10 eV半導體的禁帶寬度比較窄，為半導體的禁帶寬度比較窄，為0.23 eV，單位體積內自由電子，單位體積內自由電子數(shù)為數(shù)為 10161019個個/m3。 2.絕緣體和半導體的電子能帶結構絕緣體和半導體

7、的電子能帶結構810.3 金屬的電阻金屬的電阻產(chǎn)生電流產(chǎn)生電流電子失去部分動能電子失去部分動能并改變運動方向并改變運動方向電子電子l晶體缺陷（熱振動、雜質原子、晶體缺陷（熱振動、雜質原子、空位、間隙原子和位錯等）對電空位、間隙原子和位錯等）對電子運動的散射，即子運動的散射，即電阻電阻。l散射作用與電場的加速作用相散射作用與電場的加速作用相抗衡，使電流迅速達到平衡值抗衡，使電流迅速達到平衡值11en e|e| =1.610-19Cl電子遷移率電子遷移率e ：描述散射作用的參數(shù)：描述散射作用的參數(shù)l電子散射幾率越高，則遷移率越低，電阻率就越高。電子散射幾率越高，則遷移率越低，電阻率就越高。9的影響

8、因素的影響因素-Matthiessen定律定律金屬晶體缺陷的濃度與原子熱振動（溫度）、雜質和塑性形變量有金屬晶體缺陷的濃度與原子熱振動（溫度）、雜質和塑性形變量有關。關。tid總（1）溫度越高，）溫度越高，就越高。就越高。純銅和銅鎳合金的純銅和銅鎳合金的-T關系曲線關系曲線各個因素對金屬電阻率的影響規(guī)律：各個因素對金屬電阻率的影響規(guī)律：201t 電阻率溫度系數(shù)電阻率溫度系數(shù) T=(t-20)。20（2）雜質原子雜質原子改變了金屬正常晶體結構，改變了金屬正常晶體結構，引起對電子遷移的額外散射，引起對電子遷移的額外散射，使電阻率提使電阻率提高。高。（3）隨）隨塑性形變量塑性形變量的增加，位錯增多，

9、的增加，位錯增多，從而從而電阻率增高電阻率增高n電材料應用電材料應用:高壓線：強度高且導電性好高壓線：強度高且導電性好.鋼絲增強鋁。鋼絲增強鋁。爐內加熱元件：高電阻率且耐高溫氧化。爐內加熱元件：高電阻率且耐高溫氧化。鐵鉻鋁合金鐵鉻鋁合金1010.4 半導體半導體u元素本征半導體：元素本征半導體：Si和和Ge (IVA) ，禁帶寬為，禁帶寬為1.1 和和 0.7eV u化合物本征半導體：化合物本征半導體：IIIA和和VA族化合物，如族化合物，如GaAs和銻化銦和銻化銦（InSb）；）；II B和和VI A族化合物，如族化合物，如CdS和碲化鋅（和碲化鋅（ZnTe）ebn eeu本征半導體的電子與

10、空穴同時參與導電，電導率為本征半導體的電子與空穴同時參與導電，電導率為uebn，p分別為單位體積內的電子與空穴數(shù)；分別為單位體積內的電子與空穴數(shù)；由于由于n=p，ebben ep e1、 本征半導體本征半導體112、非本征半導體、非本征半導體l雜質在本征半導體中的固溶體，雜質濃度雜質在本征半導體中的固溶體，雜質濃度 (1001000)10-6。l n 型非本征半型非本征半導體導體:五價原子摻五價原子摻雜雜(如如 P,As,Sb等等)電子是多數(shù)載流子電子是多數(shù)載流子(簡稱簡稱多子多子),空穴是少空穴是少數(shù)載流子數(shù)載流子(簡稱簡稱少子少子);.n p施主施主l電子能帶模型電子能帶模型SiEg=1.

11、1evEg0.1 eV, 易被激發(fā)易被激發(fā)Sb P As0.04靠近導帶靠近導帶EcEdEaEv0.045B Al Ga0.0440.049 0.057 0.065施主施主能級能級12lp型非本征型非本征半導體半導體:在硅或在硅或鍺中加入三價雜鍺中加入三價雜質原子質原子(如如Al, B, Ga等等)l雜質原子稱雜質原子稱為為受主受主l空穴空穴為多數(shù)為多數(shù)載流子載流子l空穴可與鄰近電子空穴可與鄰近電子換位而移出來參與換位而移出來參與導電導電p型非本征半導體的電導率型非本征半導體的電導率:l摻雜方法：摻雜方法： 擴散摻雜法擴散摻雜法 離子注入法離子注入法13l每個三價雜質原子在本征半導體的禁帶中引

12、進一個靠近其每個三價雜質原子在本征半導體的禁帶中引進一個靠近其價帶的能級，很容易接受從價帶激發(fā)出來的電子，從而在價帶的能級，很容易接受從價帶激發(fā)出來的電子，從而在價帶中留下一個空穴。價帶中留下一個空穴。l電子能帶模型電子能帶模型SiEg=1.1evSb P As0.04EcEdEaEv0.045B Al Ga0.0440.049 0.057 0.065受主受主能級能級靠近價帶靠近價帶14u在在0K，本征半導體的價帶是全部充滿的，導帶是完全空的。，本征半導體的價帶是全部充滿的，導帶是完全空的。0K以上，價帶中有一些電子被熱激發(fā)到導帶中去以上，價帶中有一些電子被熱激發(fā)到導帶中去, 而產(chǎn)生導電而產(chǎn)生

13、導電的電子與空穴對：的電子與空穴對：本征半導體的電導率隨溫度的上升而提高本征半導體的電導率隨溫度的上升而提高。這與金屬電導率對溫度的依賴性正好相反。這與金屬電導率對溫度的依賴性正好相反。 3.半導體的電導率與溫度的關系半導體的電導率與溫度的關系本征半導體的電導率本征半導體的電導率與溫度與溫度T(K)之間的關系之間的關系:lEg禁帶能量寬度愈大，禁帶能量寬度愈大，電導率對溫度變化愈敏感電導率對溫度變化愈敏感圖圖10.14本征硅的電導本征硅的電導率與溫度的關系率與溫度的關系15 非本征半導體的電導率與溫度的關系非本征半導體的電導率與溫度的關系u在溫度較低的非本征在溫度較低的非本征區(qū)域，區(qū)域，ln隨

14、隨1/T線性地線性地減小，但斜率比減小，但斜率比-Eg/2k小得多小得多.l非本征半導體的電導率非本征半導體的電導率取決于單位體積內被激活取決于單位體積內被激活(離子化離子化)的雜質原子數(shù)。的雜質原子數(shù)。溫度愈高，被激活的雜質溫度愈高，被激活的雜質原子數(shù)愈多，從而參與導原子數(shù)愈多，從而參與導電的電子或空穴數(shù)就愈多，電的電子或空穴數(shù)就愈多，因而其電導率隨溫度的上因而其電導率隨溫度的上升而增加。升而增加。164. 半導體器件加工工藝半導體器件加工工藝 自自20世紀世紀60年代以來，半導體器件加工主要采用年代以來，半導體器件加工主要采用平面外延技術平面外延技術。(a)生產(chǎn)硅單晶棒生產(chǎn)硅單晶棒;(b)

15、切割晶棒為晶片切割晶棒為晶片;(c)加工器件用襯底晶片加工器件用襯底晶片;(d)晶片表面電路制作晶片表面電路制作;(e)完成電路制作的集成完成電路制作的集成電路晶片電路晶片;(f)電性能檢測和晶片切電性能檢測和晶片切割與分開割與分開;(g)芯片芯片;(h)裝配裝配;(i)封裝芯片封裝芯片;(J)產(chǎn)品準備出廠。產(chǎn)品準備出廠。工藝過程工藝過程:175.熱電性熱電性(Thermoelectricity) (1)熱電勢系數(shù)熱電勢系數(shù)(Thermoeleceric power)金屬或半導體棒兩端有溫度差金屬或半導體棒兩端有溫度差,電子電子離開熱端而運動到冷端時離開熱端而運動到冷端時,兩端形成兩端形成電場

16、電場, 電場作用下電子又向冷端運動電場作用下電子又向冷端運動;達到平衡時兩端建立起電位差。達到平衡時兩端建立起電位差。l材料形成溫差電動勢的能力通材料形成溫差電動勢的能力通常用熱電動勢系數(shù)常用熱電動勢系數(shù)S表征。表征。S：溫差電動勢系數(shù)：溫差電動勢系數(shù)圖10.22熱電勢系數(shù)(a)金屬和n型半導體;(b)p型半導體18(2)塞貝克效應塞貝克效應(T.J.Seebeck effect)熱電性在工程中表現(xiàn)為三種熱電效應熱電性在工程中表現(xiàn)為三種熱電效應: 塞貝克效應、珀耳帖塞貝克效應、珀耳帖( I.C.A Peltier)效應和湯姆遜效應和湯姆遜(W.Thomson)效應。效應。塞貝克效應塞貝克效應:

17、當兩種不同材料當兩種不同材料(導體或半導體導體或半導體)組成回路，且兩接觸組成回路，且兩接觸處溫度不同時，則回路中存在電動勢。其電動勢大小與材料和溫處溫度不同時，則回路中存在電動勢。其電動勢大小與材料和溫度有關。度有關。l在溫差較小時在溫差較小時,電動勢與溫差關系電動勢與溫差關系:S12稱為材料稱為材料1和材料和材料2間的相對塞貝克系數(shù)。間的相對塞貝克系數(shù)。l電動勢有方向性，電動勢有方向性，S12也有方向性。也有方向性。l在冷端在冷端(溫度相對低的一端溫度相對低的一端)電流由電流由1流向流向2時，時，S12為正為正, E12也為正。也為正。l相對塞貝克系數(shù)具有代數(shù)相加性，因此絕對塞貝克系級定義

18、為相對塞貝克系數(shù)具有代數(shù)相加性，因此絕對塞貝克系級定義為19絕對塞貝克系數(shù)就是材料的熱電勢系數(shù)絕對塞貝克系數(shù)就是材料的熱電勢系數(shù)(也稱也稱溫差電動勢系數(shù)溫差電動勢系數(shù))。表表10.3主要半導體材料的溫差電動勢系數(shù)主要半導體材料的溫差電動勢系數(shù)20具有顯著熱電性的材料稱為具有顯著熱電性的材料稱為熱電轉換材料熱電轉換材料(簡稱熱電材料簡稱熱電材料)。l用熱電偶測溫是熱電材料最早的應用。用熱電偶測溫是熱電材料最早的應用。l金屬材料研究中常利用材料的熱電性測試分析組織結構的轉變金屬材料研究中常利用材料的熱電性測試分析組織結構的轉變;l利用塞貝克效應實現(xiàn)溫差發(fā)電利用塞貝克效應實現(xiàn)溫差發(fā)電;l利用泊耳帖效

19、應實現(xiàn)電致冷。利用泊耳帖效應實現(xiàn)電致冷。l美國在南極考察和月球探測工作中曾使用熱電材料建立的熱發(fā)電裝置。美國在南極考察和月球探測工作中曾使用熱電材料建立的熱發(fā)電裝置。 (3)熱電轉換材料及其應用熱電轉換材料及其應用l 評價熱電材料的主要參數(shù)是它的熱電靈敏值評價熱電材料的主要參數(shù)是它的熱電靈敏值Z-熱電性優(yōu)值熱電性優(yōu)值(a figure meriit):S為塞貝克系數(shù)為塞貝克系數(shù).為電阻率，為電阻率，為熱導率。為熱導率。l為提高熱電材料性能，必須提高塞貝克系數(shù)，降低電阻率和熱導率為提高熱電材料性能，必須提高塞貝克系數(shù)，降低電阻率和熱導率。212210.5 絕緣體絕緣體 絕緣體作為材料使用可以分為

20、絕緣材料和介電材料兩類。絕緣體作為材料使用可以分為絕緣材料和介電材料兩類。主要性能指標有主要性能指標有體積電阻率、表面電阻率、介電常數(shù)、介電損耗和介體積電阻率、表面電阻率、介電常數(shù)、介電損耗和介電強度等。電強度等。1.體積電阻率和表面電阻率體積電阻率和表面電阻率 圖圖10.24 絕緣體材料電阻率測定裝置示意圖絕緣體材料電阻率測定裝置示意圖(a)體積電阻率測定裝置體積電阻率測定裝置;(b)用平行電極測定表面電阻率的裝置用平行電極測定表面電阻率的裝置; (c)用環(huán)電極測定表面電阻率的裝置用環(huán)電極測定表面電阻率的裝置l在直流電壓在直流電壓V的作用下，測定流過試樣體積內的電流的作用下，測定流過試樣體積

21、內的電流Iv，得到體積，得到體積電阻電阻Rv，即，即l體積電阻率體積電阻率v為為:電絕緣性的主要指標電絕緣性的主要指標23l試樣的表面電阻試樣的表面電阻Rs:u環(huán)電極試樣的表面電阻率環(huán)電極試樣的表面電阻率s為為D2為環(huán)電極的內徑，D1為芯電極的外徑。l表面電阻率表面電阻率s:l電絕緣材料電絕緣材料: 較寬的禁帶，難以被激發(fā)進入導帶，較寬的禁帶，難以被激發(fā)進入導帶，很低。如很低。如高壓絕緣電瓶所用的氧化鋁陶瓷高壓絕緣電瓶所用的氧化鋁陶瓷l 絕大多數(shù)陶瓷材料和高聚物材料都屬于絕緣體。絕大多數(shù)陶瓷材料和高聚物材料都屬于絕緣體。24l在實際高聚物的合成與加工中總不免會殘留或引進一些小分子雜質在實際高聚

22、物的合成與加工中總不免會殘留或引進一些小分子雜質在電場作用下電離在電場作用下電離增加了高聚物材料中的載流子，而降低了高聚物的增加了高聚物材料中的載流子，而降低了高聚物的電阻率。電阻率。l水對高聚物和陶瓷材料的絕緣性影響很大，特別是當材料呈多孔狀或水對高聚物和陶瓷材料的絕緣性影響很大，特別是當材料呈多孔狀或有極性時，在潮濕空氣中會因吸水而使它的電阻率，特別是表面電阻率有極性時，在潮濕空氣中會因吸水而使它的電阻率，特別是表面電阻率大幅度下降。大幅度下降。252.介電性介電性l絕緣體在有限電場作用下幾乎沒有自由電荷遷移絕緣體在有限電場作用下幾乎沒有自由電荷遷移-介電性，絕緣體介電性，絕緣體也稱電介質

23、。也稱電介質。l介電性的一個重要標志是材料能夠產(chǎn)生極化現(xiàn)象。介電性的一個重要標志是材料能夠產(chǎn)生極化現(xiàn)象。l屬于介電性的有電致伸縮性、壓電性和鐵電性。屬于介電性的有電致伸縮性、壓電性和鐵電性。u外電場作用下，分子中電荷分布發(fā)生的變化稱為極化，包括電子極化、外電場作用下，分子中電荷分布發(fā)生的變化稱為極化，包括電子極化、原子原子(離子離子)極化和取向極化。極化和取向極化。電子極化：外電場作用下每個原子中價電子云相對于原子核的位移電子極化：外電場作用下每個原子中價電子云相對于原子核的位移.原子極化：外電場引起的原子核之間的相對位移。原子極化：外電場引起的原子核之間的相對位移。 (1)分子的極化分子的極

24、化26電子極化、原子極化又稱為變形極化或誘導極化，引起的偶極矩稱電子極化、原子極化又稱為變形極化或誘導極化，引起的偶極矩稱誘導偶極矩誘導偶極矩。l誘導偶極矩誘導偶極矩的大小與電場強度的大小與電場強度E成正比成正比:d稱為稱為變形極化率變形極化率，等于電子極化率，等于電子極化率e和原子極化率和原子極化率a之和之和:l當具有永久偶極矩的分子被置于外電場中時，除誘導極化外還能當具有永久偶極矩的分子被置于外電場中時，除誘導極化外還能發(fā)生取向極化，即偶極子沿電場方向擇優(yōu)排列。發(fā)生取向極化，即偶極子沿電場方向擇優(yōu)排列。l偶極子的取向與溫度有關。偶極子的取向與溫度有關。27l不很高的靜電場不很高的靜電場中取

25、向極化產(chǎn)生的中取向極化產(chǎn)生的偶極矩偶極矩0稱為取向極化率稱為取向極化率k為玻耳茲曼常數(shù)為玻耳茲曼常數(shù)l極性分子產(chǎn)生的偶極矩是誘導偶極矩和取向偶極矩之和：極性分子產(chǎn)生的偶極矩是誘導偶極矩和取向偶極矩之和：陶瓷類電介質，極化機制還有空間電荷極化機制陶瓷類電介質，極化機制還有空間電荷極化機制.l分子的極化過程是弛豫過程。分子的極化過程是弛豫過程。l電子極化、原子極化和取向極化的弛豫時間電子極化、原子極化和取向極化的弛豫時間te，ta和和t0分別為分別為10-9S.極性分子的極化率極性分子的極化率28(2)介電常數(shù)介電常數(shù)電場作用下發(fā)生極化電場作用下發(fā)生極化產(chǎn)生反向電場產(chǎn)生反向電場只有電介質表面只有電

26、介質表面保留有束縛電荷保留有束縛電荷真空電容器極板極板間距間距l(xiāng)介質電容器表面電荷密度表面電荷密度真空介電系數(shù)，真空介電系數(shù)，8.8510-12F/m(b) 介質電容器介質電容器(a) 真空電容器真空電容器電介質的介電系數(shù)電介質的介電系數(shù)極化極化強度強度相對介電常數(shù)相對介電常數(shù):極化宏觀量度極化宏觀量度29f f10101010Hz Hz 介電常數(shù)僅是介電常數(shù)僅是電子極化和原子極化的電子極化和原子極化的貢獻。貢獻。f f10108 8HzHz，介電常數(shù)，介電常數(shù)= =靜靜電場中的介電常數(shù)，基電場中的介電常數(shù)，基本不隨頻率變化。本不隨頻率變化。當當f f10108 8HzHz，取向極化逐漸跟不上

27、電場變化，取向極化逐漸跟不上電場變化，介電常數(shù)隨頻率提高發(fā)生明顯跌落。介電常數(shù)隨頻率提高發(fā)生明顯跌落。反常色散區(qū)反常色散區(qū)l介電常數(shù)和介電損耗隨交變電場頻率的變化介電常數(shù)和介電損耗隨交變電場頻率的變化介電系數(shù)與電場頻率和溫度的關系介電系數(shù)與電場頻率和溫度的關系30取向極化取向極化的松弛時的松弛時間縮短間縮短分子沿電分子沿電場方向取場方向取向極化趨向極化趨勢減小勢減小l交變電場作用下交變電場作用下 介電常數(shù)隨溫度的變化介電常數(shù)隨溫度的變化在溫度較低時，介電常數(shù)隨溫度的在溫度較低時，介電常數(shù)隨溫度的提高而增大提高而增大; ;溫度較高時，介電常數(shù)溫度較高時，介電常數(shù)又隨溫度的提高而減小。又隨溫度的提

28、高而減小。l熱對取向極化有兩方面的作用：熱對取向極化有兩方面的作用：（1）分子運動縮短取向極化的松弛）分子運動縮短取向極化的松弛時間，有利于取向極化跟上電場的變化使介電系數(shù)增大；較低時間，有利于取向極化跟上電場的變化使介電系數(shù)增大；較低溫度時起主導作用；溫度時起主導作用；（2）熱有對抗分子沿電場方向取向極化的趨勢，使介電系）熱有對抗分子沿電場方向取向極化的趨勢，使介電系數(shù)減小。較高溫度時起主導作用。數(shù)減小。較高溫度時起主導作用。31(3) (3) 介電損耗介電損耗介質電容器受交變電場作用時，偶極子取向需要克服分子間的摩擦介質電容器受交變電場作用時，偶極子取向需要克服分子間的摩擦力等，每一周期獲

29、得的電場能量必定有一部分以熱的形式損耗掉，力等，每一周期獲得的電場能量必定有一部分以熱的形式損耗掉，即發(fā)生電能的損耗。即發(fā)生電能的損耗。理想電容器理想電容器電能電能充電充電放電放電能量不損耗能量不損耗介質電容器介質電容器 將電介質在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介電損耗。將電介質在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介電損耗。 u如果以復數(shù)形式表示交變電場強度如果以復數(shù)形式表示交變電場強度E*=Eoe i t (10.39) E0為交變電場強度振幅;為角頻率取向極化落后于電場變化，表面電荷密度變化落后電場變化一個取向極化落后于電場變化，表面電荷密度變化落后電場變化一個相位角相位角D*=Doei(

30、 t- )32介電常數(shù)介電常數(shù):*= - i 實部與每一周期儲存的最大電能有關 虛部與每一周期熱損耗的電能有關l反常色散區(qū)，偶極取向需克服較大內摩擦力，跟不上電場的變化，電能損耗最多l(xiāng)介電損耗還與電場頻率有關33(4)介電強度及電介質應用介電強度及電介質應用l電場強度足夠高時，電介質變成導體，造成局部熔化、燒焦和揮電場強度足夠高時，電介質變成導體，造成局部熔化、燒焦和揮發(fā)等，稱為發(fā)等，稱為介電擊穿介電擊穿。此電場強度稱為此電場強度稱為擊穿強度擊穿強度，V/mm。l在弱電場作用下，電介質的電阻率在一定的溫度下是常數(shù)，與電場在弱電場作用下，電介質的電阻率在一定的溫度下是常數(shù)，與電場強度無關。當電場

31、強度較高時，較多的價帶電子被激發(fā)進入導帶，電強度無關。當電場強度較高時，較多的價帶電子被激發(fā)進入導帶，電介質的電阻率隨電場強度增加而減小。介質的電阻率隨電場強度增加而減小。l要求介電常數(shù)大、介電損耗小和介電強度高，l許多陶瓷材料和高聚物材料都是良好的電容器介質材料。(表10. 6)電介質材料的應用電介質材料的應用l要求材料的介電系數(shù)和介電損耗都很小。l由非極性高聚物制成的泡沫和蜂窩材料以及熔融石英陶瓷材料。（2）雷達天線罩的透波材料）雷達天線罩的透波材料（1）電容器介質材料：）電容器介質材料：34l陶瓷電介質有良好的力學性能和尺寸穩(wěn)定性，可以在較高溫度下使用。陶瓷電介質有良好的力學性能和尺寸穩(wěn)

32、定性，可以在較高溫度下使用。l高聚物電介質容易加工成薄膜，小型和超小型薄膜電容器中特別有用。高聚物電介質容易加工成薄膜，小型和超小型薄膜電容器中特別有用。35(5)壓電性和鐵電性壓電性和鐵電性l壓電材料在壓力作用下產(chǎn)生一壓電材料在壓力作用下產(chǎn)生一定的電位差定的電位差, 即力作用下因發(fā)生即力作用下因發(fā)生極化而產(chǎn)生電場。極化而產(chǎn)生電場。 圖10.31 壓電效應示意圖 如含鋇和鉛的鈦酸鹽和鋯酸鹽等。廣泛用于壓電傳感器，如擴如含鋇和鉛的鈦酸鹽和鋯酸鹽等。廣泛用于壓電傳感器，如擴音器、超聲波發(fā)生儀。音器、超聲波發(fā)生儀。l力的作用方向相反時，產(chǎn)生力的作用方向相反時，產(chǎn)生的電場方向也相反。的電場方向也相反。

33、l壓電材料（壓電陶瓷），在壓電材料（壓電陶瓷），在晶體結構上都沒有對稱中心。晶體結構上都沒有對稱中心。l具有壓電性的材料稱為壓電體。具有壓電性的材料稱為壓電體?？梢允菃尉w、多晶體、聚合物（如聚偏氟乙烯）或復合材料?？梢允菃尉w、多晶體、聚合物（如聚偏氟乙烯）或復合材料。壓電性壓電性36l有一類陶瓷離子晶體材料，即使在無外電場的作用下也能表有一類陶瓷離子晶體材料，即使在無外電場的作用下也能表現(xiàn)出很強的電偶極矩，這些電偶極矩在反向電場作用下可以重現(xiàn)出很強的電偶極矩，這些電偶極矩在反向電場作用下可以重新取向，從而得到極化強度與電場強度的關系曲線新取向，從而得到極化強度與電場強度的關系曲線(如圖如圖

34、10.32所示所示) 。這類晶體被稱為鐵電體。這類晶體被稱為鐵電體。l材料的鐵電性起源于晶胞中的永久偶極矩。材料的鐵電性起源于晶胞中的永久偶極矩。 鐵電性鐵電性 疇的偶極矩是其中各晶疇的偶極矩是其中各晶胞偶極矩的總和。胞偶極矩的總和。居里溫度居里溫度電疇電疇l鐵電材料具有很高的介電常數(shù)，鐵電材料具有很高的介電常數(shù)，用于制造電容器，體積可很小。用于制造電容器，體積可很小。l另外還可以利用鐵電性和反鐵電另外還可以利用鐵電性和反鐵電性的相互轉變制造高壓大功率儲能性的相互轉變制造高壓大功率儲能元件。元件。3710.6 超導體超導體圖10.34 普通金屬材料和超導材料的電阻-溫度曲線示意圖l超導體電阻變

35、為零超導體電阻變?yōu)榱?R10-26)的溫度稱為臨界溫度的溫度稱為臨界溫度Tc。l1911年荷蘭年荷蘭Onnes首先發(fā)現(xiàn)汞的首先發(fā)現(xiàn)汞的超導性，超導性，1913年諾貝爾物理學獎。年諾貝爾物理學獎。1. 超導材料的發(fā)展超導材料的發(fā)展平均每年增長平均每年增長0.5 K我國趙忠賢等我國趙忠賢等瑞士瑞士Bednorz和和Muller38l高高TC超導體四個研究方面：超導體四個研究方面：(1)更高的更高的TC體系的探索體系的探索; (2)高高TC超導機制研究超導機制研究; (3)高高TC超導體物理性超導體物理性能的測定和研究能的測定和研究; (4)高高TC超導體材料的制備與成材加工工藝研究。超導體材料的制備與成材加工工藝研究。2. 超導體的宏觀性質超導體的宏觀性質(1) 零電阻及其臨界轉變溫度零電阻及其臨界轉變溫度TC超導體環(huán)路內感生一電流，電流的降低程度可表示為超導體環(huán)路內感生一電流，電流的降低程度可表示為R為環(huán)路電阻值，為環(huán)路電阻值，L為環(huán)路自感為環(huán)路自感, I0為觀