高美珍 材料科学与工程导论-21.ppt

第19章电学特性Question1. Can we make lightweight and flexible electronic circuits using plastics?2. What is the difference between a conductor and superconductor?3. How does a microwave over heat food?4. How does a spark igniter in a gas grill work?5. Can ceramics be semiconductors or superconductors?6. What material is used to generate the high fidelity sound in a speaker tweeter? 19.1引言 材料的电特性，即材料对外加电场的响应。 材料按照电学特性可以分为： 超导体(Superconductor)---I型和II型； 导体(Conductor)---线性导体和非线性导体； 半导体(Semiconductor)---元素半导体，化合物半导体，有机半导体和无机半导体； 介电材料(Dielectrics)---线性介电材料，非线性介电材料，绝缘体。 电导 19.2 欧姆定律(Ohm’s Law) 固体材料一个重要特性是电流的传输特性。欧姆定律(Ohm’s law)将电流与电压联系起来： (19.1) 其中R是电阻。V、I和R的单位分别是伏特 (J/C)，安培(C/s)，和欧姆(V/A)。电阻率?与样品几何无关，但是通过下面表达式与电阻R相关： (19.2) 图19-1 19.3电导率 有时候，电导率?用来表征材料的电特性。电导率是电阻率的倒数： (19-4) ?的单位是欧姆-米的倒数。欧姆定律还可以表示为： (19-3) (19-5) 其中J是电流密度，试样单位面积电流I/A；E是电场强度，或者两点之间电位差除以两点之间距离，即： (19.6) 固体材料的电导率具有惊人的范围，延伸了27个数量级。 金属是典型的良导体，电导率在107(?-m)-1量级。另一极端情况是有极低的电导率，电导率范围在10-10和10-20之间，它们是绝缘体(Insulators)。电导率介于两个极端之间的材料叫半导体，半导体电导率在10-6到104(?-m)-1之间。 19.4 电子导电和离子导电 在固体材料中，电子的流动产生电流，这称为电子导电。此外，对离子材料，带电离子的净运动产生电流，这称为离子导电。 19.5固体的能带结构 原子存在不连续的能级，电子可以占据在这些能级上，能级分成壳层和次壳层。壳层用整数表示(1, 2, 3)，次壳层用字母(s, p, d, f)表示。s, p, d和f次壳层，分别存在1，3，5和7个状态。原子中的电子仅仅占据具有最低能量的状态，根据泡利不相容原理（Pauli exclusion principle），自旋方向相反的两个电子可以占据同一个状态。孤立原子的电子组态代表电子在允许状态的排列。 图19-2 固体是由大量如N个原子组成的，这些原子最初互相分开，随后将这些原子移放到一起，相互结合，形成晶体材料中存在的有序原子排列。当原子间分离距离比较大时，每个原子孤立于其它原子，具有孤立原子的能级和电子组态。然而当原子相互靠得很近时，近邻原子的电子和原子核将对电子产生作用或扰动。作用的结果是固体内，每一个不同的原子态分裂成一系列间隔很小的电子态，形成所谓的电子能带。分裂程度与原子间距（图19.2）有关，而且从最外层电子壳层开始，因为当原子聚结时，最外壳层最先受到扰动。 在每个能带内，能量状态是分立的，相邻能态之间的差别特别小。在平衡距离，最靠近原子核的电子次壳层可能不发生能带的形成，如图19.3b所示。而且相邻带之间存在带隙。通常情况下，带隙内的能量状态，电子不能占据，表示固体内电子能带结构的普通方法如图19.3a所示。 图19-3 固体材料的电特性是电子能带结构，即最外层电子能带的分布和电子填充方式的结果。 在0 K可能有四种不同类型的能带结构。第一种类型（图19.4a），最外层能带只有半充满。在0K，与最高填充态对应的能量叫费米能 (Fermi energy) Ef，如图所示。这一能带结构是某些金属的典型能带结构，尤其是那些具有单s价电子的金属（如铜）。每个铜原子有一个4s电子；然而对含有N个原子的固体，4s带内现有的位置中只有一半位置被电子占据。 图19.4固体在0K时，各种可能的电子能带结构。(a)金属如铜中发现的电子能带结构。 (b)金属如镁的电子能带结构。 (c