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。

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/
  • 电子型电导
    • 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
  • 电介质及其极化
    • 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