材料物理性能——電學(xué)性能第1頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)電性電阻與材料性能和尺寸的關(guān)系電阻率電導(dǎo)率電阻溫度系數(shù)導(dǎo)體（純金屬10-8~10-7Ω·m，合金10-7~10-5Ω·m）半導(dǎo)體（10-3~109Ω·m）絕緣體（>109Ω·m）

第2頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第3頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月元素周期表第4頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月ⅠA族，堿金屬，外殼層價電子數(shù)為1，其價電子在外加電場作用下由價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電流。因此只有那些電子未填滿能帶的材料才有導(dǎo)電性。第8頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月ⅠA族，外殼層價電子數(shù)為1第9頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月貴金屬，d殼層填滿、與原子核有強(qiáng)交互作用，使s殼層電子與核作用大大減弱，其價電子在外加電場作用下進(jìn)入導(dǎo)帶，導(dǎo)電性極好。第10頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月d殼層填滿，與原子和有強(qiáng)交互作用，使s殼層電子與核作用大大減弱，其價電子在外加電場作用下進(jìn)入導(dǎo)帶，導(dǎo)電性極好。第11頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月ⅡA族，外殼層價電子數(shù)為2。Mg的3p能帶與3s能帶重疊，3s上的電子可躍遷到3p能帶上，也有較好的導(dǎo)電性。第12頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月ⅡA族，外殼層價電子數(shù)為2ⅢA族，外殼層價電子數(shù)為3第13頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月d殼層電子逐漸填滿－過渡金屬。Fe原子形成晶體時4s能帶與3d能帶重疊。由于價電子核內(nèi)層電子有強(qiáng)的交互作用，鐵的導(dǎo)電性稍差。第14頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月d殼層電子逐漸填滿－過渡金屬第15頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬的導(dǎo)電理論經(jīng)典電子理論金屬晶體為正離子＋電子氣外加電場時，自由電子定向遷移，形成電流。自由電子與正離子機(jī)械碰撞產(chǎn)生電阻Eev第16頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

電子在自由程終點(diǎn)獲得的定向遷移速度平均速度電流密度電阻率表達(dá)式散射系數(shù)a－加速度t－兩次碰撞時間間隔E－電場強(qiáng)度m－電子質(zhì)量n－單位體積自由電子數(shù)在量子理論中為n*，代表單位體積內(nèi)實(shí)際參加導(dǎo)電的電子數(shù)e－電子電荷v－電子速度L－電子平均自由程第17頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月影響導(dǎo)電性的因素溫度升高，離子熱振動加劇，原子無序度加大，使電子散射幾率加大，電阻率加大冷加工使晶格畸變，使電子散射幾率加大，原子間距有所改變，電阻率加大壓力通常使電阻率降低熱處理－通過晶格畸變、點(diǎn)缺陷、晶粒尺寸的變化影響電阻率θD第18頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月合金的導(dǎo)電性連續(xù)固溶體，最大電阻率通常在50％原子濃度處。主要是異類原子引起溶劑晶格畸變。溶質(zhì)為過渡元素時，電阻率增大更為顯著。因?yàn)槿軇┑牟糠謨r電子會進(jìn)入過渡元素未填滿的d或f電子層，減少了有效電子數(shù)。用做電熱合金和電阻合金。第19頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月馬基申定律低濃度下固溶體電阻溶劑電阻（晶格熱振動，電子散射），與溫度有關(guān)，絕對零度時為零。殘余電阻（合金原子，空位、間隙原子及位錯等），與溫度無關(guān)。

第20頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月低濃度下溶質(zhì)原子引起的殘余電阻與溫度無關(guān)，固溶體的電阻溫度系數(shù)低于純金屬，而固溶體電阻率隨溫度變化的斜率與純金屬相同。高濃度下，和均隨溫度變化。含有過渡金屬元素時（如加入Mn），可能出現(xiàn)錳銅精密電阻合金，具有低的電阻溫度系數(shù)。

第21頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月有序固溶體的導(dǎo)電性固溶體有序化使點(diǎn)陣規(guī)律性加強(qiáng)，減小電子散射，使導(dǎo)電性加強(qiáng)。冷加工破壞固溶體的有序度，增加電阻率。電阻測量法是研究有序固溶體的有效方法。第22頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月不均勻固溶體（K狀態(tài)）的電阻固溶體中存在溶劑原子的偏聚區(qū)－成分波動或原子排列短程有序，故能強(qiáng)烈地散射電子，使電阻率增加?；鼗鹉艽偈蛊蹍^(qū)的形成。加熱到高溫或進(jìn)行強(qiáng)烈的冷加工，使偏聚區(qū)消失，可降低電阻率。鋁銅合金。加熱到單相區(qū)固溶；淬火形成過飽和單相固溶體；加溫時效，析出GP區(qū)、θ’’，θ’等?？捎秒娮璺治龇ㄑ芯夸X合金的時效過程。第23頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁合金在180℃時效5秒鐘，銅原子的偏聚第25頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬化合物的導(dǎo)電性金屬化合物（如FeAl3,NiAl3）的導(dǎo)電性通常比其組元的導(dǎo)電性低得多，主要是金屬鍵部分地為共價鍵或離子鍵所代替。電子化合物（如Cu3Zn8）主要是金屬鍵結(jié)合，導(dǎo)電性介于固溶體和金屬化合物之間。間隙相(如TiC)具有金屬鍵和的特性，導(dǎo)電性較好。第26頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月多相合金的導(dǎo)電性當(dāng)合金為退火態(tài)、無織構(gòu)，且組成相的電導(dǎo)率相近時（電導(dǎo)率之比約0.75~1.75），雙相合金的導(dǎo)電性符合各項(xiàng)合金相加規(guī)律。p、q為體積百分?jǐn)?shù)。c1、c2為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。第28頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月兩相片狀組織導(dǎo)電方向?qū)щ姺较?/p>

第29頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)電性的測量電橋法（單電橋，雙電橋－克服附加電阻）直流電位差計(jì)測量法（消除連線電阻和接觸電阻）半導(dǎo)體電阻的測量（四探針法）絕緣體電阻的測量（電容和沖擊檢流計(jì)測量法）第30頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月1、工作電流標(biāo)準(zhǔn)化（K到N）2、求待測電動勢（K到X）3、求待測電阻RxRx=R標(biāo)Ux/U標(biāo)特點(diǎn)：消除連線電阻和接觸電阻

第31頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻分析的應(yīng)用合金的時效合金的有序－無序轉(zhuǎn)變固溶體的溶解度淬火鋼的回火第32頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月Al-Cu合金時效步驟：1、加熱到α單相區(qū)固溶2、淬水，得到過飽和α固溶體3、在室溫或加熱時效：a.析出GP區(qū)（與基體共格）b.析出θ’’（與基體共格）c.析出θ’（與基體半共格）d.析出CuAl2（與基體非共格），并聚集長大?；wCu含量減少，電阻下降。第33頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁合金在180℃時效5秒鐘，銅原子的偏聚第34頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月25℃時效產(chǎn)生的GP區(qū)在215℃保溫時又溶回到基體中，形成均勻固溶體，電阻下降。第35頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月合金的有序－無序轉(zhuǎn)變（有序結(jié)構(gòu)電阻率低）第36頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月測量方法：1、將不同成分的試樣加熱到略低于共晶（共析）轉(zhuǎn)變溫度t0，保溫足夠的時間，然后淬火得到過飽和固溶體。2、把淬火試樣加熱到低于t0的各個溫度保溫，使組織達(dá)到平衡。3、然后再淬火到室溫測量電阻率，作出ρ-B％曲線。4、找出轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的濃度，即為各溫度下B在A中的溶解度。第37頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月淬火鋼的回火1、110℃馬氏體分解，正方度下降，電阻率降低。含C量越高，馬氏體脫溶分解（電阻率下降）越急劇。2、230℃殘余奧氏體分解，基體C含量減少，電阻率下降。第38頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的疲勞過程缺陷密度增高、裂紋的形成，使試樣電阻增加。第39頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的電學(xué)性能半導(dǎo)體中電子的能量狀態(tài)－能帶滿帶、禁帶和導(dǎo)帶本征半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體PN結(jié)的特性第40頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于電子能否由價帶躍遷到空的導(dǎo)帶中，主要取決于能隙的大小。C、Si、Ge、Sn的能隙分別為5.4eV、1.1eV、0.67eV和0.08eV?？梢运愕檬覝兀?7℃）下上述元素中進(jìn)入導(dǎo)帶的電子幾率分別為1.2x10-47、2.5x10-10、1.5x10-6和0.17。故金剛石為絕緣體，錫可算作導(dǎo)體，而硅、鍺即為半導(dǎo)體。第41頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月本征半導(dǎo)體－純凈的無結(jié)構(gòu)缺陷半導(dǎo)體單晶，如單晶Si。半導(dǎo)體受到熱激發(fā)，滿帶中的部分價電子躍遷到空帶中，形成自由電子和空穴。兩者成對出現(xiàn)。無外電場作用，自由電子和空穴運(yùn)動無規(guī)則，不產(chǎn)生電流。加外電場，電子逆電場方向運(yùn)動，空穴順電場方向運(yùn)動，形成電流。故自由電子和空穴統(tǒng)稱為載流子。第42頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能本征載流子（自由電子和空穴）濃度相等：遷移率－單位場強(qiáng)下自由電子和空穴的平均漂移速度電流密度－單位面積的電流電阻率和電導(dǎo)率

第43頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)诫s半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體第44頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素雜質(zhì)（P、As、Sb等，形成多余價電子。該多余價電子能量狀態(tài)較高，在常溫下能進(jìn)入導(dǎo)帶，使自由電子濃度極大提高。五價元素稱為施主雜質(zhì)（提供多余電子）N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）中，自由電子的濃度大，稱為多數(shù)載流子，簡稱多子。電流由自由電子產(chǎn)生。本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴被自由電子復(fù)合，故空穴的數(shù)量少，稱為少子。第45頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月N型半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度的變化隨溫度的增加，越來越多的施主雜質(zhì)電子能進(jìn)入導(dǎo)帶，最后直到所有雜質(zhì)電子全部進(jìn)入導(dǎo)帶。當(dāng)達(dá)到這一溫度時，稱為施主耗盡。此時電導(dǎo)率為常數(shù)（因?yàn)闇囟忍停瑹o本征電子及空穴的導(dǎo)電）。通常選擇在施主耗盡即平臺溫度的范圍內(nèi)工作。第46頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價元素雜質(zhì)（B、Al、Ga、In，形成高濃度空穴。在常溫下價帶中的價電子能進(jìn)入三價元素的空穴，而在價帶在產(chǎn)生空穴。三價元素稱為受主雜質(zhì)（能接受價電子）。P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）中，空穴的濃度大，稱為多數(shù)載流子，簡稱多子。電流由空穴產(chǎn)生。本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子被空穴復(fù)合，故自由電子的數(shù)量少，稱為少子。第47頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)的產(chǎn)生及特性

P區(qū)中空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在交接面的P區(qū)中只留下三價摻雜負(fù)離子。N區(qū)中自由電子向P區(qū)擴(kuò)散，在交接面的N區(qū)中只留下五價摻雜正離子。故在交接面形成空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)形成由N指向P區(qū)的內(nèi)電場和內(nèi)建電位差，阻止空穴和自由電子的擴(kuò)散，最終擴(kuò)散和漂移達(dá)到動態(tài)平衡。無外加電場，PN區(qū)內(nèi)無電流。第48頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷?，PN區(qū)內(nèi)建電位差減小，空穴和自由電子的擴(kuò)散和漂移的平衡被打破，擴(kuò)散大于漂移，產(chǎn)生P指向N的正向電流。U越大，電流越大。外加反向電壓，PN區(qū)內(nèi)建電位差增大，擴(kuò)散小于漂移，以致與停止。但產(chǎn)生N指向P的反向電流。由于是少子產(chǎn)生，故電流極小。上述機(jī)制形成了PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴＿@是構(gòu)成半導(dǎo)體二極管和三極管的基礎(chǔ)。第49頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月超導(dǎo)電性第50頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月超導(dǎo)體的特性1、完全導(dǎo)電性有報導(dǎo)說用Nb0.75Zr0.25合金超導(dǎo)導(dǎo)線制成的超導(dǎo)螺線管，估計(jì)其超導(dǎo)電流衰減時間不小于10萬年。超導(dǎo)體沒有電阻，因而是等電位的，其中沒有電場。第51頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2、完全的抗磁性－邁斯鈉效應(yīng)試樣表面產(chǎn)生感應(yīng)磁場，抵消外磁場。第52頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月評價超導(dǎo)材料的性能指標(biāo)：1、臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc2、臨界磁場強(qiáng)度Hc(T)兩類超導(dǎo)體第53頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)超導(dǎo)態(tài)時，電子與晶格點(diǎn)陣相互作用，使電子克服靜電斥力而相互吸引，組成電子對－庫柏電子對，通過晶格的阻力為零。超導(dǎo)態(tài)電子結(jié)成庫柏對時能量比正常態(tài)的兩個電子的能量低。溫度和磁場破壞庫柏對的穩(wěn)定性。溫度越低，超導(dǎo)體越穩(wěn)定。第54頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電性－賽貝克效應(yīng)賽貝克效應(yīng)（材料不同，組成閉合回路，兩接頭存在溫差）熱電勢率

第55頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月溫差電位熱端高能電子向冷端擴(kuò)散，結(jié)果熱端帶正電（缺少電子），冷端帶負(fù)電（有富余電子），由熱端指向冷端的溫差電場阻止了電子的進(jìn)一步擴(kuò)散，最終形成穩(wěn)定的溫差電位差。熱電偶回路的熱電勢由溫差電位差和接觸電位差構(gòu)成E第56頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶測溫鉑銠－鉑，鎳鉻－鎳鋁，銅－康銅ε12對應(yīng)的溫差（575℃）＋25℃＝600℃（測量端溫度）600℃1225℃第57頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電子效應(yīng)熱電子發(fā)射機(jī)理固體受熱（W等，加熱1000℃以上），內(nèi)部自由電子動能足夠大，就會溢出固體表面形成熱電子發(fā)射。應(yīng)用方式加熱，形成熱電子發(fā)射電場下形成定向運(yùn)動聚焦、調(diào)制形成電子束轟擊熒光屏形成光學(xué)圖象用于顯像管、示波器、電子顯微鏡等陰極陽極第58頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月壓電