材料物理性能电学性能优秀PPT.ppt

《材料物理性能电学性能优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料物理性能电学性能优秀PPT.ppt（65页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、材料物理性能电学性能你现在浏览的是第一页，共65页导电性导电性电阻与材料性能和尺寸的关系电阻与材料性能和尺寸的关系电阻率电阻率电导率电导率电阻温度系数电阻温度系数导体（纯金属导体（纯金属10-810-7m，合金合金10-710-5m）半导体（半导体（10-3109m）绝缘体（绝缘体（109m）你现在浏览的是第二页，共65页你现在浏览的是第三页，共65页元素周期表元素周期表你现在浏览的是第四页，共65页你现在浏览的是第五页，共65页你现在浏览的是第六页，共65页你现在浏览的是第七页，共65页A族，碱金属，外壳层价电子数为族，碱金属，外壳层价电子数为1，其价电子在外加电，其价电子在外加电场作用下由

2、价带跃迁到导带，形成电流。因此只有那些电子未场作用下由价带跃迁到导带，形成电流。因此只有那些电子未填满能带的材料才有导电性。填满能带的材料才有导电性。你现在浏览的是第八页，共65页AA族，外壳层价电子数为族，外壳层价电子数为1 1你现在浏览的是第九页，共65页贵金属，贵金属，d壳层填满、与原子核有强交互作用，使壳层填满、与原子核有强交互作用，使s壳层电子壳层电子与核作用大大减弱，其价电子在外加电场作用下进入导带，与核作用大大减弱，其价电子在外加电场作用下进入导带，导电性极好。导电性极好。你现在浏览的是第十页，共65页d壳层填满，与原子和有强交互作用，使壳层填满，与原子和有强交互作用，使s壳层电

3、子与核壳层电子与核作用大大减弱，其价电子在外加电场作用下进入导带，导作用大大减弱，其价电子在外加电场作用下进入导带，导电性极好。电性极好。你现在浏览的是第十一页，共65页A族，外壳层价电子数为族，外壳层价电子数为2。Mg的的3p能带与能带与3s能带重叠，能带重叠，3s上的电子可跃迁到上的电子可跃迁到3p能带上，也有较好的导电性。能带上，也有较好的导电性。你现在浏览的是第十二页，共65页A族，外壳层价电子数为族，外壳层价电子数为2A族，外壳层价电子数为族，外壳层价电子数为3你现在浏览的是第十三页，共65页d壳层电子逐渐填满过渡金属。壳层电子逐渐填满过渡金属。Fe原子形成晶体时原子形成晶体时4s能

4、带与能带与3d能带重叠。由于价电子核内层电子有强的交互作用，铁的导电能带重叠。由于价电子核内层电子有强的交互作用，铁的导电性稍差。性稍差。你现在浏览的是第十四页，共65页d壳层电子逐渐填满过渡金属壳层电子逐渐填满过渡金属你现在浏览的是第十五页，共65页金属的导电理论金属的导电理论经典电子理论经典电子理论金属晶体为正离子电子气金属晶体为正离子电子气外加电场时，自由电子定外加电场时，自由电子定向迁移，形成电流。自由向迁移，形成电流。自由电子与正离子机械碰撞产电子与正离子机械碰撞产生电阻生电阻Eev你现在浏览的是第十六页，共65页 电子在自由程终点获得的定向迁移速度电子在自由程终点获得的定向迁移速度

5、平均速度平均速度电流密度电流密度电阻率表达式电阻率表达式散射系数散射系数a加速度加速度t两次碰撞时间间隔两次碰撞时间间隔E电场强度电场强度m电子质量电子质量n单位体积自由电子数单位体积自由电子数在量子理论中为在量子理论中为n*，代表单，代表单位体积内实际参加导电的电位体积内实际参加导电的电子数子数e电子电荷电子电荷v电子速度电子速度L电子平均自由程电子平均自由程你现在浏览的是第十七页，共65页影响导电性的因素影响导电性的因素温度升高，离子热振动加剧，原子无序温度升高，离子热振动加剧，原子无序度加大，使电子散射几率加大，电阻率度加大，使电子散射几率加大，电阻率加大加大冷加工使晶格畸变，使电子散射

6、几率冷加工使晶格畸变，使电子散射几率加大，原子间距有所改变，电阻率加加大，原子间距有所改变，电阻率加大大压力通常使电阻率降低压力通常使电阻率降低热处理通过晶格畸变、点缺陷、晶热处理通过晶格畸变、点缺陷、晶粒尺寸的变化影响电阻率粒尺寸的变化影响电阻率D你现在浏览的是第十八页，共65页合金的导电性合金的导电性连续固溶体，最大电阻连续固溶体，最大电阻率通常在率通常在50原子浓度处。原子浓度处。主要是异类原子引起溶剂主要是异类原子引起溶剂晶格畸变。晶格畸变。溶质为过渡元素时，电阻溶质为过渡元素时，电阻率增大更为显著。因为溶率增大更为显著。因为溶剂的部分价电子会进入过剂的部分价电子会进入过渡元素未填满的

7、渡元素未填满的d或或f电子电子层，减少了有效电子数。用层，减少了有效电子数。用做电热合金和电阻合金。做电热合金和电阻合金。你现在浏览的是第十九页，共65页马基申定律马基申定律低浓度下固溶体电阻低浓度下固溶体电阻 溶剂电阻（晶格热振动，溶剂电阻（晶格热振动，电子散射），与温度有关，绝电子散射），与温度有关，绝对零度时为零。对零度时为零。残余电阻（合金原子，空残余电阻（合金原子，空位、间隙原子及位错等），与位、间隙原子及位错等），与温度无关。温度无关。你现在浏览的是第二十页，共65页低浓度下溶质原子引起的残余电阻与温度无关，固溶体的低浓度下溶质原子引起的残余电阻与温度无关，固溶体的电阻温度系数低于

8、纯金属，而固溶体电阻率随温度变化的电阻温度系数低于纯金属，而固溶体电阻率随温度变化的斜率与纯金属相同。斜率与纯金属相同。高浓度下，高浓度下，和和 均随温度变化。均随温度变化。含有过渡金属元素时（如加入含有过渡金属元素时（如加入Mn），可能出现），可能出现 锰铜精密电阻合金，具有低的电阻温度系数。锰铜精密电阻合金，具有低的电阻温度系数。你现在浏览的是第二十一页，共65页有序固溶体的导电性有序固溶体的导电性固溶体有序化使点阵规律固溶体有序化使点阵规律性加强，减小电子散射，性加强，减小电子散射，使导电性加强。使导电性加强。冷加工破坏固溶体的有序度，冷加工破坏固溶体的有序度，增加电阻率。增加电阻率。电

9、阻测量法是研究有序固电阻测量法是研究有序固溶体的有效方法。溶体的有效方法。你现在浏览的是第二十二页，共65页不均匀固溶体（不均匀固溶体（K状态）的电阻状态）的电阻固溶体中存在溶剂原子的偏聚区成分波动或原子排列短固溶体中存在溶剂原子的偏聚区成分波动或原子排列短程有序，故能强烈地散射电子，使电阻率增加。程有序，故能强烈地散射电子，使电阻率增加。回火能促使偏聚区的形成。回火能促使偏聚区的形成。加热到高温或进行强烈的冷加工，使偏聚区消失，可降低电阻加热到高温或进行强烈的冷加工，使偏聚区消失，可降低电阻率。率。铝铜合金。加热到单相区固溶；淬火形成过饱和单相固溶铝铜合金。加热到单相区固溶；淬火形成过饱和单

10、相固溶体；加温时效，析出体；加温时效，析出GP区、区、，等。等。可用电阻分析法研究铝合金的时效过程。可用电阻分析法研究铝合金的时效过程。你现在浏览的是第二十三页，共65页你现在浏览的是第二十四页，共65页铝合金在铝合金在180时效时效5 5秒秒钟，铜原子的偏聚钟，铜原子的偏聚你现在浏览的是第二十五页，共65页金属化合物的导电性金属化合物的导电性金属化合物（如金属化合物（如FeAl3,NiAl3）的导电性通常比其）的导电性通常比其组元的导电性低得多，主要是金属键部分地为共组元的导电性低得多，主要是金属键部分地为共价键或离子键所代替。价键或离子键所代替。电子化合物（如电子化合物（如Cu3Zn8）主

11、要是金属键结合，导电）主要是金属键结合，导电性介于固溶体和金属化合物之间。性介于固溶体和金属化合物之间。间隙相间隙相(如如TiC)具有金属键和的特性，导电性较好。具有金属键和的特性，导电性较好。你现在浏览的是第二十六页，共65页你现在浏览的是第二十七页，共65页多相合金的导电性多相合金的导电性当合金为退火态、无织构，且组成相的电导率相近时（电导率之当合金为退火态、无织构，且组成相的电导率相近时（电导率之比约比约0.751.75），双相合金的导电性符合各项合金相加规律。），双相合金的导电性符合各项合金相加规律。p、q为体积百分数。为体积百分数。c1、c2为质量百分数。为质量百分数。你现在浏览的是

12、第二十八页，共65页两相片状组织两相片状组织导电方向导电方向导电方向导电方向 你现在浏览的是第二十九页，共65页导电性的测量导电性的测量电桥法（单电桥，双电桥克服附加电阻）电桥法（单电桥，双电桥克服附加电阻）直流电位差计测量法（消除连线电阻和接触电阻）直流电位差计测量法（消除连线电阻和接触电阻）半导体电阻的测量（四探针法）半导体电阻的测量（四探针法）绝缘体电阻的测量（电容和冲击检流计测量法）绝缘体电阻的测量（电容和冲击检流计测量法）你现在浏览的是第三十页，共65页1、工作电流标准化（、工作电流标准化（K到到N）2、求待测电动势（、求待测电动势（K到到X）3、求待测电阻、求待测电阻RxRx=R标

13、标Ux/U标标特点：消除连线电阻和接触电阻特点：消除连线电阻和接触电阻 你现在浏览的是第三十一页，共65页电阻分析的应用电阻分析的应用合金的时效合金的时效合金的有序无序转变合金的有序无序转变固溶体的溶解度固溶体的溶解度淬火钢的回火淬火钢的回火你现在浏览的是第三十二页，共65页Al-Cu合金时效步骤：合金时效步骤：1、加热到、加热到单相区固溶单相区固溶2、淬水，得到过饱和、淬水，得到过饱和固溶体固溶体3、在室温或加热时效：、在室温或加热时效：a.析出析出GP区（与基体共格）区（与基体共格）b.析出析出（与基体共格）（与基体共格）c.析出析出（与基体半共格）（与基体半共格）d.析出析出CuAl2（

14、与基体非共格），并（与基体非共格），并聚集长大。基体聚集长大。基体Cu含量减少，电阻下降。含量减少，电阻下降。你现在浏览的是第三十三页，共65页铝合金在铝合金在180时效时效5 5秒秒钟，铜原子的偏聚钟，铜原子的偏聚你现在浏览的是第三十四页，共65页25时效产生的时效产生的GPGP区在区在215215保温保温时又溶回到基体中，形成均匀固时又溶回到基体中，形成均匀固溶体，电阻下降。溶体，电阻下降。你现在浏览的是第三十五页，共65页合金的有序无序转变合金的有序无序转变（有序结构电阻率低）（有序结构电阻率低）你现在浏览的是第三十六页，共65页测量方法：测量方法：1、将不同成分的试样加热到略低于共、将

15、不同成分的试样加热到略低于共晶（共析）转变温度晶（共析）转变温度t0，保温足够的时，保温足够的时间，然后淬火得到过饱和固溶体。间，然后淬火得到过饱和固溶体。2、把淬火试样加热到低于、把淬火试样加热到低于t0的各个的各个温度保温，使组织达到平衡。温度保温，使组织达到平衡。3、然后再淬火到室温测量电阻率，作、然后再淬火到室温测量电阻率，作出出-B-B曲线。曲线。4 4、找出转折点对应的浓度，即为各温、找出转折点对应的浓度，即为各温度下度下B B在在A A中的溶解度。中的溶解度。你现在浏览的是第三十七页，共65页淬火钢的回火淬火钢的回火1 1、110110马氏体分解，正方度马氏体分解，正方度下降，电

16、阻率降低。含下降，电阻率降低。含C C量越高，量越高，马氏体脱溶分解（电阻率下降）马氏体脱溶分解（电阻率下降）越急剧。越急剧。2 2、230230残余奥氏体分解，基残余奥氏体分解，基体体C C含量减少，电阻率下降。含量减少，电阻率下降。你现在浏览的是第三十八页，共65页材料的疲劳过程材料的疲劳过程缺陷密度增高、裂纹的形成，使试样电阻增加。缺陷密度增高、裂纹的形成，使试样电阻增加。你现在浏览的是第三十九页，共65页半导体的电学性能半导体的电学性能半导体中电子的能量状态能带半导体中电子的能量状态能带满带、禁带和导带满带、禁带和导带本征半导体本征半导体N型半导体型半导体P型半导体型半导体PN结的特性

17、结的特性你现在浏览的是第四十页，共65页 由于电子能否由价带跃迁到空的导带中，主要取决于能隙的大小。由于电子能否由价带跃迁到空的导带中，主要取决于能隙的大小。C、Si、Ge、Sn的能隙分别为的能隙分别为5.4eV、1.1eV、0.67eV和和0.08eV。可以算得室温（可以算得室温（27）下上述元素中进入导带的电子几率分别为）下上述元素中进入导带的电子几率分别为1.2x10-47、2.5x10-10、1.5x10-6和和0.17。故金刚石为绝缘体，锡。故金刚石为绝缘体，锡可算作导体，而硅、锗即为半导体。可算作导体，而硅、锗即为半导体。你现在浏览的是第四十一页，共65页本征半导体纯净的无结构缺陷

18、半导体单晶，如单晶本征半导体纯净的无结构缺陷半导体单晶，如单晶Si。半导体受到热激发，满带中的部分价电子跃迁到空带中，形成自由半导体受到热激发，满带中的部分价电子跃迁到空带中，形成自由电子和空穴。两者成对出现。电子和空穴。两者成对出现。无外电场作用，自由电子和空穴运动无规则，不产生电流。无外电场作用，自由电子和空穴运动无规则，不产生电流。加外电场，电子逆电场方向运动，空穴顺电场方向运动，形成电流。加外电场，电子逆电场方向运动，空穴顺电场方向运动，形成电流。故自由电子和空穴统称为载流子。故自由电子和空穴统称为载流子。你现在浏览的是第四十二页，共65页本征半导体的电学性能本征半导体的电学性能本征载

19、流子（自由电子和空穴）浓度相等：本征载流子（自由电子和空穴）浓度相等：迁移率单位场强下自由电子和空穴的平均漂移速度迁移率单位场强下自由电子和空穴的平均漂移速度电流密度单位面积的电流电流密度单位面积的电流电阻率和电导率电阻率和电导率 你现在浏览的是第四十三页，共65页掺杂半导体掺杂半导体N型半导体型半导体P型半导体型半导体你现在浏览的是第四十四页，共65页N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价元素杂质（在本征半导体中掺入五价元素杂质（P、As、Sb等，形成多余价电子。该多余等，形成多余价电子。该多余价电子能量状态较高，在常温下能进入导带，使自由电子浓度极大提高。价电子能量状态较高，在常温下能

20、进入导带，使自由电子浓度极大提高。五价元素称为施主杂质（提供多余电子）五价元素称为施主杂质（提供多余电子）N型半导体（电子型半导体）中，自由电子的浓度大，称为多数载流子，型半导体（电子型半导体）中，自由电子的浓度大，称为多数载流子，简称多子。电流由自由电子产生。简称多子。电流由自由电子产生。本征激发产生的空穴被自由电子复合，故空穴的数量少，称为少子。本征激发产生的空穴被自由电子复合，故空穴的数量少，称为少子。你现在浏览的是第四十五页，共65页N型半导体电导率随温度的变化型半导体电导率随温度的变化随温度的增加，越来越多的施主杂质电子能进入导带，最后直到所有杂质随温度的增加，越来越多的施主杂质电子

21、能进入导带，最后直到所有杂质电子全部进入导带。当达到这一温度时，称为施主耗尽。此时电导率为常电子全部进入导带。当达到这一温度时，称为施主耗尽。此时电导率为常数（因为温度太低，无本征电子及空穴的导电）。数（因为温度太低，无本征电子及空穴的导电）。通常选择在施主耗尽即平台温度的范围内工作。通常选择在施主耗尽即平台温度的范围内工作。你现在浏览的是第四十六页，共65页P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入三价元素杂质（在本征半导体中掺入三价元素杂质（B、Al、Ga、In，形成高浓度空穴。在常温，形成高浓度空穴。在常温下价带中的价电子能进入三价元素的空穴，而在价带在产生空穴。下价带中的价电子能进入三价元

22、素的空穴，而在价带在产生空穴。三价元素称为受主杂质（能接受价电子）。三价元素称为受主杂质（能接受价电子）。P型半导体（空穴型半导体）中，空穴的浓度大，称为多数载流子，简称多子。型半导体（空穴型半导体）中，空穴的浓度大，称为多数载流子，简称多子。电流由空穴产生。电流由空穴产生。本征激发产生的自由电子被空穴复合，故自由电子的数量少，称为少子。本征激发产生的自由电子被空穴复合，故自由电子的数量少，称为少子。你现在浏览的是第四十七页，共65页PN结的产生及特性结的产生及特性 P区中空穴向区中空穴向N区扩散，在交接面的区扩散，在交接面的P区中只留下三价掺杂负离子。区中只留下三价掺杂负离子。N区中自区中自

23、由电子向由电子向P区扩散，在交接面的区扩散，在交接面的N区中只留下五价掺杂正离子。故在交接面形区中只留下五价掺杂正离子。故在交接面形成空间电荷区。成空间电荷区。空间电荷区形成由空间电荷区形成由N指向指向P区的内电场和内建电位差，阻止空穴和自由电子的扩区的内电场和内建电位差，阻止空穴和自由电子的扩散，最终扩散和漂移达到动态平衡。散，最终扩散和漂移达到动态平衡。无外加电场，无外加电场，PN区内无电流。区内无电流。你现在浏览的是第四十八页，共65页PN结的单向导电性结的单向导电性外加正向电压，外加正向电压，PN区内建电位差减小，空穴和自由电子的扩散和漂移的平衡被打区内建电位差减小，空穴和自由电子的扩

24、散和漂移的平衡被打破，扩散大于漂移，产生破，扩散大于漂移，产生P指向指向N的正向电流。的正向电流。U越大，电流越大。越大，电流越大。外加反向电压，外加反向电压，PN区内建电位差增大，扩散小于漂移，以致与停止。但产生区内建电位差增大，扩散小于漂移，以致与停止。但产生N指向指向P的反向电流。由于是少子产生，故电流极小。的反向电流。由于是少子产生，故电流极小。上述机制形成了上述机制形成了PN结的单向导电性。这是构成半导体二极管和三极管的基础。结的单向导电性。这是构成半导体二极管和三极管的基础。你现在浏览的是第四十九页，共65页超导电性超导电性你现在浏览的是第五十页，共65页超导体的特性超导体的特性1

25、、完全导电性、完全导电性 有报导说用有报导说用Nb0.75Zr0.25合金超导导线制成的超导螺线管，估计其超导电流衰合金超导导线制成的超导螺线管，估计其超导电流衰减时间不小于减时间不小于10万年。万年。超导体没有电阻，因而是等电位的，其中没有电场。超导体没有电阻，因而是等电位的，其中没有电场。你现在浏览的是第五十一页，共65页2、完全的抗磁性迈斯钠效应、完全的抗磁性迈斯钠效应 试样表面产生感应磁场，抵消外磁场。试样表面产生感应磁场，抵消外磁场。你现在浏览的是第五十二页，共65页评价超导材料的性能指标：评价超导材料的性能指标：1、临界转变温度、临界转变温度Tc2、临界磁场强度、临界磁场强度Hc(

26、T)两类超导体两类超导体你现在浏览的是第五十三页，共65页超导现象的物理本质超导现象的物理本质超导态时，电子与晶格点阵相互作用，使电子超导态时，电子与晶格点阵相互作用，使电子克服静电斥力而相互吸引，组成电子对库柏克服静电斥力而相互吸引，组成电子对库柏电子对，通过晶格的阻力为零。电子对，通过晶格的阻力为零。超导态电子结成库柏对时能量比正常态的两个超导态电子结成库柏对时能量比正常态的两个电子的能量低。温度和磁场破坏库柏对的稳定电子的能量低。温度和磁场破坏库柏对的稳定性。性。温度越低，超导体越稳定。温度越低，超导体越稳定。你现在浏览的是第五十四页，共65页热电性赛贝克效应热电性赛贝克效应赛贝克效应（

27、材料不同，组成闭合回路，两接头存在温差）赛贝克效应（材料不同，组成闭合回路，两接头存在温差）热电势率热电势率 你现在浏览的是第五十五页，共65页温差电位温差电位热端高能电子向冷端扩散，结果热端带正电（缺少电子），冷热端高能电子向冷端扩散，结果热端带正电（缺少电子），冷端带负电（有富余电子），由热端指向冷端的温差电场阻止了端带负电（有富余电子），由热端指向冷端的温差电场阻止了电子的进一步扩散，最终形成稳定的温差电位差电子的进一步扩散，最终形成稳定的温差电位差。热电偶回路的热电势由热电偶回路的热电势由温差电位差和接触电位差构成温差电位差和接触电位差构成E你现在浏览的是第五十六页，共65页热电偶测温

28、热电偶测温铂铑铂，镍铬镍铝，铜康铜铂铑铂，镍铬镍铝，铜康铜12对应的温差（对应的温差（575）25600（测量端温度）（测量端温度）6001225你现在浏览的是第五十七页，共65页热电子效应热电子效应热电子发射机理热电子发射机理固体受热（固体受热（W等，加热等，加热1000以上以上），），内部自由电子动能足够大，就会溢出固内部自由电子动能足够大，就会溢出固体表面形成热电子发射。体表面形成热电子发射。应用方式应用方式 加热，形成热电子发射加热，形成热电子发射 电场下形成定向运动电场下形成定向运动 聚焦、调制形成电子束聚焦、调制形成电子束 轰击荧光屏形成光学图象轰击荧光屏形成光学图象 用于显像管、

29、示波器、电子显微镜等用于显像管、示波器、电子显微镜等阴极阳极你现在浏览的是第五十八页，共65页压电性压电性电偶极矩电偶极矩P（矢量）与电荷间距（矢量）与电荷间距d及电荷量及电荷量q的关系的关系Pqd压电性的本质是晶体受力变形，导致正负电荷中心分离，晶体对压电性的本质是晶体受力变形，导致正负电荷中心分离，晶体对外显示电偶极矩，表面出现束缚电荷。外显示电偶极矩，表面出现束缚电荷。纵向压电效应，横向压电效应纵向压电效应，横向压电效应正压电效应力正压电效应力 电荷电荷逆压电效应电荷逆压电效应电荷 力力应用：应用：超声发生器，加速度传感器，点火器等超声发生器，加速度传感器，点火器等-q+qPd你现在浏览

30、的是第五十九页，共65页PPPqd纵向压电效应纵向压电效应横向压电效应横向压电效应你现在浏览的是第六十页，共65页磁电性磁电性普通金属的霍尔效应普通金属的霍尔效应半导体的霍尔效应半导体的霍尔效应磁生电动势磁生电动势磁感生电动势磁感生电动势你现在浏览的是第六十一页，共65页普通金属的霍尔效应普通金属的霍尔效应电荷在磁场中运动所受的作用力电荷在磁场中运动所受的作用力(正电荷用右手定则，负电荷用左手定则正电荷用右手定则，负电荷用左手定则)洛伦兹力洛伦兹力 与电场力与电场力 平衡平衡电位差为电位差为 有关系式有关系式霍尔系数霍尔系数迁移率迁移率 你现在浏览的是第六十二页，共65页半导体的霍尔系数大半导体的霍尔系数大N型半导体电子是载流子，型半导体电子是载流子，RH为负（为负（A面为负电荷）面为负电荷）P型半导体空穴是载流子，型半导体空穴是载流子，RH为正（为正（A面为正电荷）面为正电荷）本征半导体中电子和空穴同时起作用（成对出现），无霍尔效应。本征半导体中电子和空穴同时起作用（成对出现），无霍尔效应。霍尔效应可以判断载流子的类型（正电荷或负电荷）霍尔效应可以判断载流子的类型（正电荷或负电荷）你现在浏览的是第六十三页，共65页你现在浏览的是第六十四页，共65页你现在浏览的是第六十五页，共65页