导图社区 材料的电学
这是一篇关于材料的电学的思维导图,包含能带理论、材料的介电性、材料的电导等。
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材料的电学
材料的电导
电子型电导
材料电导率排序
超导材料:超导条件下s 导体材料:s>104 S/m 半导体材料:10-3<s<104 S/m 绝缘材料:s< 10-3 S/
材料的导电性是指在电场作用下,材料中的带电粒子发生定向移动,从而形成宏观电流的现象,属于材料的电荷输运特性。
物体导电能力的大小,与物质内参与导电的微观粒子有关。
导电的微观本质:载流子在电场作用下的定向迁移
J=nqv σ=J/E=nqv/E
μ=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平均漂移速度
多种载流子
σ=nqμ
根据载流子的类型
电子类载流子导电
电子、空穴
离子类载流子导电
正离子、负离子
固体内的载流子可有:电子、空穴、正离子、负离子。 导电的机制:载流子的定向迁移。
电子型电导的基本特征
霍耳效应
沿试样x轴方向通入电流I(电流密度Jx),Z轴方向加一磁场(磁感应强度为Bz ),那么在y轴方向上将产生一个电位差(横向电场Ey )
对于p型半导体,当沿x方向施加电场Ex时,空穴在电场力作用下沿x方向以速度vx运动,同时在垂直磁场Bz产生洛伦兹力的作用而向-y方向偏转,产生横向电荷积累,由其产生“霍耳电场Ey”,稳定时有以下关系式:
P 型半导体霍尔系数:RH=1/(pq)>0 N 型半导体霍尔系数:RH=-1/(nq)<0
磁阻效应
指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。电阻率的变化率称为磁致电阻(magnetoresistance, MR)
按机理分类
物理磁阻效应
载流子速度的统计分布引起电阻率随磁场而变化
几何磁阻效应
Hall效应的存在,使电流实际路径增大,等价于电阻率增大
金属导电
经典自由电子理论获得的电导率:
量子自由电子理论获得的电导率:
能带理论获得的电导率:
离子导电理论
离子型电导
电子导电,以电子载流子为主体的导电。电子散射 离子导电,以离子载流子为主体的导电。离子扩散 混合型导电,其载流子电子和离子兼而有之。载流子定向迁移
离子导电:带电荷的离子载流子在电场作用下的定向运动
电解效应:由于离子导电发生迁移时,在电极附近发生电子得失,伴随有新物质的产生的电解现象。
法拉第(Frandy)定律:g=CQ=Q/F
本征导电
高温条件可以发生
基本离子随着热振动离开晶格形成热缺陷(如肖特基缺陷、弗伦克尔缺陷)。热缺陷(离子或空位)都带电,可作为离子导电载流子。
杂质导电
较低温度可以发生
杂质离子是晶格中结合比较弱的离子,在较低温度下,结合较弱的杂质离子的运动造成的导电
材料的超导电性
超导微观理论对超导现象的解释
量子隧道效应
电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒的本领。当然,穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小。
材料的铁电性
电介质击穿的机制
铁电现象
在某温度范围内具有自发极化且极化可随外加电场变化而重新取向,称为铁电性。具有铁电性的材料则称为铁电材料或铁电体。
铁电材料的主要特征:
能带理论
马西森定律:金属的电阻包括基本电阻和杂质浓度引起的残余电阻。
ρ=ρ(T)+ρ_r
材料的介电性
电介质及其极化
极化现象
在电荷束缚系统中,正、负电荷重心分离的现象就是极化。
平板电容器中的电介质极化
电介质:在电场作用下能建立极化(束缚电荷起主要作用)的物质。 电介质在电场作用下产生感应电荷的现象称为电介质的极化。
电偶极子和电偶极矩
电偶极子:大小相等、符号相反、彼此等距为l的两点电荷(+q 、−q)所组成的束缚系统。
μ=q∙l
非极性电介质:分子内正、负电荷中心重合 如:氦(He)、氢(H2)、甲烷(CH4)等
极性电介质:分子内正、负电荷的中心不相重合,其间有一定距离。如:水(H2O)、氯 化氢(HCl)、氨(NH3)、甲醇(CH3OH)等。
电极化强度也是电荷面密度:
电极化率:自由电荷产生的电场强度E0:
电介质极化的微观机制
离子极化-离子位移极化
离子在电场的作用下,偏移平衡位置引起的极化。相当于形成一个感生偶极矩。 由经典弹性振动理论,可计算出离子极化率:
电子弛豫极化
离子弛豫极化
弛豫极化的特点
四种电极化的微观机制
电子位移极化
离子位移极化
偶极子取向极化
空间电荷极化