材料的导电性能(2)

lr材料的导电性能，包含电导的物理现象、 电子类载流子导电、离子类载流子导电、半导体等。

材料的导电性能

• 电导的物理现象
  • 宏观参数–电导率、电阻率
    • 电导率:当施加的电场在导体中产生电流时，电流密度J正比于电场强度E,其比例常数σ即为电导率
    • 电阻率: ρ＝1/σ，电阻率是电导率的倒数，与材料的本质有关，表征材料导电性能。
  • 电导的物理特性
    • 载流子–带电荷的自由粒子
    • 迁移率–表征材料导电载流子种类对导电贡献的参数
    • 霍尔效应–置于磁场中的静止载流导体, 当它的电流方向与磁场方向一致时, 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势, 这种现象称霍尔效应
    • 电解效应
      • 离子电导的特征是具有电解效应
      • 电解效应应用
        • 检验材料是否存在离子导电
        • 判定载流子是正离子还是负离子
• 电子类载流子导电
  • 金属的导电机制–电阻率产生的根本原因
    • 当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶体点阵时，它将不受散射而无阻碍的传播，这时电阻为零。只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子波才受到散射(不相干散射)，这就会产生电阻一金属产生电阻的根本原因。由于温度引起的离子运动(热振动)振幅的变化(通常用振幅的均方值表示)，以及晶体中异类原子、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。这样，电子波在这些地方发生散射而产生电阻，降低导电性。
  • 马西森定律
    • 总的电阻率包括金属的基本电阻率 和杂质、点缺陷、位错引起的电阻率ρ=ρ(T)+ρ'。当处于高温时，金属的电阻主要由ρ(T)项起主导作用；在低温时，ρ'是主要的。
  • 电阻率与温度、压力、冷加工和缺陷关系
    • 与温度
      • 金属的温度越高，电阻越大。
      • 金属电阻率在不同温度范围与温度变化关系是不同的。
    • 与压力–在流体静压压缩时，大多数金属电阻率降低，但部分碱土金属和稀土金属随压力增大电阻率增加
    • 冷加工和缺陷
      • 冷加工引起金属电阻率的增加，这同晶格畸变（空位位错)有关。如果认为范性变形所引起的电阻率增加是由于晶格畸变、晶体缺陷所致。
      • 不同类型的缺陷对电阻率的影响程度不同，空位和间原子对剩余电阻率的影响和金属杂质原子的影响相似。点缺陷所引起的剩余电阻率变化远比线缺陷的影响大。
    • 固溶体的电阻率
      • 形成固溶体时电阻率的变化
        • ① 在溶剂晶体中溶入溶质原子时，溶剂的晶格发生了扭曲畸变，破坏了晶格势场的周期性，从而增加了电子散射几率，从而使得电阻率增高。 ② 固溶体组元的化学相互作用也会导致合金的导电性能降低。
      • 有序合金电阻率（两个因素）
        • 固溶体有序化→合金组元化学作用加强→电子结合更强→导电电子数减少→电子率增加
        • 有序化→离子势场更为对称→电子散射几率大幅度降低→电子率减小
      • 不均匀固溶体
• 离子类载流子导电
  • 离子浓度
    • 晶体离子导电
      • 本征电导:组成晶体点阵的基本离子由于热运动而离开晶格，形成热缺陷，这种热缺陷无论是离子或空位都可以在电场作用下成为导电的载流子，参与导电
      • 杂质电导:由固定相对较弱的离子运动引起的，主要是杂质离子
  • 离子迁移率
    • 离子型电导中的载流子浓度和迁移率均与温度T成指数正比关系，σ＝Aexp（-B/T）
  • 影响离子电导的因素
    • 温度
      • 温度以指数形式影响其电导率，温度越高电导率越低，温度较低时离子导体中的杂质效应会变得更加明显，杂质将对导电发挥主要的作用
    • 离子性质、晶体结构
      • 晶体熔点高→原子之间的结合力大→导电激活能高→电导率降低
    • 点缺陷
• 半导体
  • 本征半导体
    • 纯净无掺杂的半导体，其导电性仅由其固有的性质决定
  • 杂质半导体
    • N型半导体（电子型半导体）
      • 多数载流子-自由电子（主要由杂质原子提供）；少数载流子-空穴（由热激发形成）
    • P型半导体（空穴型半导体）
      • 多子-空穴（主要由杂质原子提供）；少子-自由电子（由热激发形成）
    • PN结
      • 外加正向偏压（p区接+，n区接-）
        • E外与E内方向相反，势垒区电场强度减小，空间电荷相应减小，势垒宽度也减小
        • 具有单向导电性
      • 外加反向偏压（p区接-，n区接+）
        • E外与E内方向相同，势垒区电场强度增加，载流子漂移加强，使漂移运动大于扩散运动，势垒区变宽
        • 具有整流特性
• 超导体
  • 超导体的基本物理现象
    • 零电阻效应
      • 将超导体冷却到某一临界温度(T)以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。不同超导体的临界温度各不相同。
    • 迈斯纳效应（完全抗磁性）
      • 是材料在变成超导体,也就是说当冷却到低于某一温度(称为相变温度)时失去电流流动的阻力,过程中磁场从材料内部被排出的现象，这种排斥会排斥附近的磁铁。
  • 超导体的临界参数
    • 温度Tc
    • 临界电流密度Jc
    • 临界磁场Hc
  • 两类超导体的基本特征
    • 第一类超导体
      • 由正常态过渡到超导态并没有中间态，并且完全具有抗磁性，Hc和Ic很低，几乎没有实用的可能性
    • 第二类超导体
      • 第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态(混合态)
      • 第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有
      • 第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场、更大的临界电流密度和更高的临界温度