材料的电学性质ppt课件

半导体材料的选用原则
功能要求
根据具体应用需求，选择具有所需功能特性的半 导体材料。
稳定性要求
考虑半导体材料的热稳定性、化学稳定性和环境 稳定性等因素。
成本要求
在满足功能和稳定性要求的前提下，选择成本较 低的半导体材料。
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环境适应性
绝缘材料应能在一定的温度、 湿度、化学腐蚀等环境下保持 其性能稳定。
耐热性能
绝缘材料应能在电气设备正常 工作时所承受的温度和短时间
内的最高温度下不易老化。
绝缘材料的应用
电线电缆
绝缘材料用于制造电线 电缆，起到绝缘和保护
作用。
变压器
绝缘材料用于制造变压 器线圈和结构件，起到
绝缘和固定作用。
定义
半导体材料是一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，其导电能力可以通过 外部条件进行调控。
分类
按照元素周期表分类，半导体材料可以分为元素半导体和化合物半导体两类。
半导体材料的基本性能
电学性能
半导体材料的导电性能可以通过 掺杂等手段进行调控，实现N型
或P型导电。
光学性能
半导体材料具有独特的光学性能， 如光电导效应、光生伏特效应等。
电子工业
用于集成电路、电子元件、电 子设备的封装、基板、连接器
等。
通信行业
用于信号传输的光纤、光缆、 电缆等。
汽车工业
用于汽车发动机、底盘、车身 等的传感器、执行器、线束等
。
02
绝缘材料
绝缘材料的定义与分类
绝缘材料定义
指在电气设备中用来防止触电和击穿介质，将带电体与其他部分隔离的材料。
绝缘材料分类
矫顽力
表示磁性材料保持原有磁 化状态的能力，矫顽力越 高，保持磁性越强。

ⅡA族，外壳层价电子数为2 ⅢA族，外壳层价电子数为3
d壳层电子逐渐填满－过渡金属。Fe原子形成晶体时4s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 的导电性稍差。
d壳层电子逐渐填满－过渡金属
金属的导电理论
• 经典电子理论
• 金属晶体为正离子＋电子 气
• 外加电场时，自由电子定 向迁移，形成电流。自由 电子与正离子机械碰撞产 生电阻
电阻率。 • 铝铜合金。加热到单相区固溶；淬火形成过饱和单相固溶
体；加温时效，析出GP区、θ’’，θ’等。 • 可用电阻分析法研究铝合金的时效过程。
铝合金在180℃时效5 秒钟，铜原子的偏聚
金属化合物的导电性
• 金属化合物（如FeAl3,NiAl3）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 价键或离子键所代替。
• (T )溶剂电阻（晶格热振
动，电子散射），与温度 有关，绝对零度时为零。
• 残余电阻（合金原子，
空位、间隙原子及位错 等），与温度无关。
• 低浓度下溶质原子引起的残余电阻与温度无关，固溶体的 电阻温度系数低于纯金属，而固溶体电阻率随温度变化的 斜率与纯金属相同。
(T )
t
d 1 dt t
第二章 材料的电学性能
• 导电性 • 晶体的能带 • 金属和合金的导电性 • 导电性的测量和应用 • 半导体的电学性能 • 绝缘体的电学性能 • 超导电性 • 热电性 • 压电性 • 磁电性
导电性
• 电阻与材料性能和尺寸的关系 R L
S
• 电阻率
• 电导率 1
• 电阻温度系数 t 0 (1 t)
• 冷加工破坏固溶体的有序 度，增加电阻率。
• 电阻测量法是研究有序固 溶体的有效方法。

性。
半导体材料的应用
半导体材料广泛应用于集成电路 、晶体管、太阳能电池等电子器 件中，是实现电子信号传输和控
制的重要基础。
04
CHAPTER
电工材料的机械性能
硬度
硬度是电工材料抵抗被压入或 刻划的能力，是衡量材料软硬
程度的指标。
硬度的测量方法有多种，如洛 氏硬度、布氏硬度和维氏硬度
等。
硬度与电工材料的导电性能和 电气绝缘性能有一定的关系。 一般来说，硬度较高的电工材 料，其导电性能和电气绝缘性 能相对较差。
详细描述
磁导率是电工材料重要的物理性能之一，它 决定了材料对磁场的导磁能力。磁导率高的 材料能够更好地引导磁场，减少磁场泄漏和 能量损失。在电机和变压器等电气设备中， 磁导率高的材料可以提高设备的效率和工作 稳定性。
03
CHAPTER
电工材料的电气性能
绝缘材料
绝缘材料
绝缘材料是阻止电流通过的材料 ，主要用于隔离和保护电路。
磁性材料的特性
磁性材料应具有良好的磁导率、磁感 应强度和机械性能等特点，以确保电 磁器件的性能和稳定性。
半导体材料
半导体材料
半导体材料是导电性能介于导体 和绝缘体之间的材料，主要用于
制造电子器件。
半导体材料的特性
半导体材料应具有高电阻率、高 迁移率和特殊的能带结构等特点 ，以确保电子器件的性能和稳定
展。
THANKS
谢谢Biblioteka 02CHAPTER
电工材料的物理性能
电导率
总结词
电导率是衡量材料导电性能的重要参数，数值越高表示导电 性能越好。
详细描述
电导率是电工材料最重要的物理性能之一，它表示材料传导 电流的能力。电导率越大，材料的导电性能越好，能够更有 效地传输电能。在电力系统中，电导率高的材料可以减少能 量损失，提高电力传输效率。

聚合物的介电性能
取向极化或偶极极化
聚合物的介电性能
极 性 分 子 本 身 具 有 永 久 偶 极 矩 ， 通 常 状 态 下 由 于 分 子 的 复合型导电高分子材料是指以绝缘的有机高分子材料为基体，与其它导电性物质以均匀分散复合、层叠复合或形成表面导电膜等方式
制得的一种有一定导电性能的复合材料。
当 有 外 电 场 时 ， 极 性 分 子 除 发 生 电 子 极 化 和 原 子 极 化 外 ， 在外电场作用下，不导电的物体，即电介质，在紧靠带电体的一端会出现异号的过剩电荷，另一端则出现同号的过剩电荷，这种现象
称为电介质的极化。
大 Ma家cD对其ia高rm分偶id子物极理课子的认还识怎会样？沿重要电吗？场多重方要？向发生转动、排列，产生分子取向， 表现出宏观偶极矩。 在外电场作用下，不导电的物体，即电介质，在紧靠带电体的一端会出现异号的过剩电荷，另一端则出现同号的过剩电荷，这种现象
，聚这合部 物分的擦损导耗电时有性时能所是很引大的起。的表面静电性质等。
聚合物的导电性能 □ 电子极化：外电场作用下分子中各个原子或离子的价电子云相对原子核的位移，使分子带上偶极矩 。 （b）电场交变频率提高，偶极子转向滞后于电场变化
交变电场：介电性能 聚合物的介电性能
聚合物的电性能是指在外加电场作用下，材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的 表面静电性质等。
聚合物的电性能
引言
引言
由于通常聚聚合合物导物电性的很差电，故性电导能损耗是一般指很小在。外加电场作用下，材料所表现出来的 介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩 取向极化是一个松弛过程，交变电场使偶极子转向时，转动速度滞后于电场变化速率，使一部分电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上

• 多数聚合物中存在离子电导：
– 带有强极性基团的聚合物发生本征离解产生电导离子； – 聚合、加工过程中引入的催化剂、添加剂、填料、水份及
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材Fe-料Al-电Al 学O 性的的质的的(的) 23
电导率
电导G： G 1 I
RU
•电导率
•(1) 表征材料导电性的大小。 单位：S. m-1, （Ω.m）-1
•⑵ 根据电导率对材料的分类
材料电学性质
材料的分类及其电导率
材料
电阻率
电导率
超导体 导体
半导体 绝缘体
0 10-8-10-5 10-5-107 107-1018
载流子数 charge carrier density----n, 个/m3 载流子迁移率 electron mobility
( 物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度) μ=ν/E m2/(v.s)
平均漂移速度（drift velocity）ν，m/s
材料电学性质
•影响电子电导率的因素： 温度、杂质、缺陷
第六章 材料的物理性能
• 三、材料的电学性质 • 四、材料的磁学性质
材料电学性质
三、材料的电学性能
•直流电场 •交变电场——介电性质
介电常数的定义，交变电场中的介电损耗的成因及 影响因素
•弱电场 ——导电性质
电导率和电阻率的定义、载流子定义、电导率的基 本参数及影响因素，超导电性的定义、超导体的特性
(A)声子对迁移率的影响,可写成
μL=aT-3/2
(B)杂质离子对迁移率的影响,可写成
μI=bT3/2
材料电学性质
单质金属中主要是电声子相互作用,电导率的温度 关系为

2021
钛酸钡自发极化的微观机理
在居里温度（120℃）以上：
立方晶格常数：
a = 0.40 nm
r（Ba2+）= 1.43 Å
r（O2-）=1.32 Å
r（Ti4+）= 0.64 Å
• 钛－氧离子间距为2.005 Å r（Ti4+）+ r（O2-）=1.96 Å ，晶格 中的氧八面体的空隙比钛离子大，允许钛离子向6个O2-中的任何一 个移动
2021
钛酸钡的介电性能
由非自发极化状态→自发极化状态，或由一个自发极化相转变→另 一个自发极化相时，钛酸钡介电性能发生显著变化
①不同温度下，晶格参数有规律地变化
2021
②钛酸钡单晶的介电常数ε与温度T的关系
2021
钛酸钡介电性能的应用
钛酸钡功能材料是介电体，有较高的介电常数，有很强的存 储电荷的能力。利用钛酸钡材料的这一性质可制备电容器 。如多层陶瓷电容器、埋入式电容器等。
2021
多层陶瓷电容器是一种重要的电子元器件。它具有高电容密度从而 使得芯片小型化，广泛应用于信息、军工、移动通讯等行业。钛酸 钡是目前主流的制备多层陶瓷电容器的介质材料，被誉为“电子陶 瓷工业的支柱”。
2021
埋入式电容器的电介质材料要求具有高的介电常数、低的介 电损耗、好的加工性能和低廉的价格。钛酸钡是很合适的 材料。
2021
钛酸钡的压电性
压电性是固体具有由施加应力产生额外电荷的性能。如果晶体无 对称中心，则这种外加压力将使电荷分布有变化，产生偶极矩，产 生压电效应。钙钛矿型晶胞结构钛酸钡陶瓷材料是目前应用最为广 泛的压电陶瓷，主要用于制造换能器(水声、电声、超声)、陶瓷滤 波器、电光器件、陶瓷变压器以及高压发生器等。

离子在晶格点附近不断的热振动，偏离了晶格格
点，这种偏离引起晶格对电子的散射，称为晶格 实散际射金。属内部还存在着缺陷和杂质，产生的静态
点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电子
波造成散射而形成电阻。 而对于一个纯的理想的完整晶体，0K时，电子波
的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，导
致所谓的超导现象。
为自由电子，同时在价带中形成空穴，这样就使 半导体具有一些导电能力。
绝缘体:
禁带宽度大。在室温下，几乎没有价电子能 跃迁到导带中去，故基本无自由电子和空穴，所 以绝缘体几乎没有导电能力。
三、影响金属导电性的因素
晶体点阵的不完整性是引起电子散射的原因，而电阻来
源于晶体对自由运动电子的散射，因此电阻具有 组织结构敏感性，温度、形变（应力）、合金
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同自由电子理论一样，也认为金属中的价电子 是公有化和能量是量子化的，所不同的是，它 认为金属中由离子所造成的势场不是均匀的， 而是呈周期性变化的，能带理论就是研究金属 中的价电子在周期势场作用下的能量分布问题
的电。子在周期势场中运动，随着位置的变化， 它的能量也呈周期变化，即接近正离子时势能 降低，离开时势能增高。这样价电子在金属中 的运动就不能看成是完全自由的。
原因：由于高压作用，导致原子间距发生变化（变小），使
金属内部的电子结构、费米能和能带结构发生变化，从而影 响导电性。
能带结构和导电机理：由于周期场的影响，使得价电子在
金属中以不同能量状态分布的能带发生分裂，也就是说，
有些能态是电子不能取值的。 由右图可以看到：
禁带宽窄取决于周期 势场的变化幅度，变 化越大，则禁带越宽。
当 线规-K律1<连K 续<K变1时化，；曲线按抛物 当增K=K1时，只要波数稍微

钙钛矿型铁电体的晶体结构由钙、钛和氧组成，具有自发极化效应，当受到外电场 作用时，自发极化方向会发生改变，从而表现出铁电性。
常见的钙钛矿型铁电体包括钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（Pb（Zr,Ti）O3）等。
含铅铁电体
含铅铁电体是指含有铅元素的铁电体，其特点是具有较高的居里温度和 较大的压电系数。
含铅铁电体的晶体结构复杂，通常由多种元素组成，如锆、铌、铅、钛 等。这些元素在晶体结构中发挥着不同的作用，共同决定了铁电体的性
质。
常见的含铅铁电体包括锆铅酸钡（Ba（Zr,Pb）O3）、铌铅酸铅（Pb （Nb,Pb）O3）等。
其他类型铁电体
其他类型铁电体是指除了钙钛矿型和含铅铁电体之外的铁电 材料。这些材料的晶体结构和化学组成多种多样，因此其性 质也各不相同电 体、弛豫型铁电体等。这些材料在某些方面具有独特性质， 因此在特定领域有着广泛的应用。
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铁电材料的发展历程
铁电材料的发现
铁电材料的发现可以追溯到19世纪末 期，当时科学家们开始研究晶体材料 的电学性质。
这种自发极化现象是铁电材料所特有 的，因此科学家们将这类材料称为铁 电体。
光吸收：某些铁电材料对特 定波长的光具有较高的吸收
系数。
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光折射：铁电材料在不同电 场状态下表现出不同的折射
率。
热学性质
铁电材料在热学性质上具有 热释电效应、热膨胀和热传 导等特性。
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热膨胀：铁电材料在温度升 高时，体积增大的现象称为 热膨胀。
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•·
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热释电效应：铁电材料在温 度变化时，产生电荷的现象 称为热释电效应。
磁学性质
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弱磁性：铁电材料具有

烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
硅材料还具有一些特殊的物理化学性能，如 硅材料熔化时体积缩小，固化是体积增大。硅材 料的硬度大，但脆性大，易破碎；作为脆性材料， 硅材料的抗拉应力远远大于抗剪切应力，在室温 下没有延展性；在热处理温度大于750℃时，硅 材料由脆性材料转变为塑性材料，早外加应力的 作用下，产生滑移位错，形成塑性变形。
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
单晶硅是硅材料的重要形式，包括区熔单晶 硅和直拉单晶硅。
石英砂(SiO2)
焦炭反应
金属级硅（99%左右）
三 硅氯 烷氢 热硅 分氢 解还 法原
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
*迁移率是指载流子在单位电场作
用下的平均漂移速度，即载流子 在电场作用下运动速度的量度， 运动的越快，迁移率越大；运动 得慢，迁移率下。
*迁移率和载流子浓度一起决定
4.1 硅的基本性质 4.2 太阳电池用硅材料 4.3 高纯多晶硅的制备 4.4 太阳能级多晶硅的制备 4.5 区熔单晶硅 4.6 直拉单晶硅 4.7 硅晶片加工
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
每个硅原子外层的4个未配对的电子，分别与 相邻的硅原子的一个未配对的自旋方向相反的 价电子组成共价键，共价键的键角是109°28′， 其结构如图4.2所示。

通过测量电场作用下岩石的反射波，分析其介电性随时间的变化。
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岩石的电磁性
岩石的介电性
岩石在电场作用下储存电荷的能力。介电常数是衡量岩石介电性的重要参数，它与岩石内部结构、孔隙度和含水程度等因素有关。
岩石的导电性
岩石中的带电粒子（如离子和电子）在电场作用下流动，形成电流。岩石的导电性取决于带电粒子的浓度和移动性。
介电常数测量
电导率测量
电阻率测量
通过测量岩石的介电常数来评估其导电性，通常采用电容法进行测量。
通过测量岩石的电阻或电导来评估其导电性，通常采用四电极法进行测量。
通过测量岩石的电阻率来评估其导电性，通常采用接地电极法进行测量。
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岩石的介电性
介电性是指岩石在电场作用下，表现出对电荷的束缚和极化的性质。
岩石的磁性
某些岩石具有吸引铁磁物体的能力，称为磁性。磁性岩石主要由铁磁性矿物（如磁铁矿）组成，其磁性强弱与矿物含量和排列有关。
不同矿物具有不同的导电性和磁性，岩石中矿物的种类和含量直接影响其电磁性质。
矿物成分
孔隙度和含水程度高的岩石具有较好的导电性，因为水分中的离子可以参与导电过程。
孔隙度和含水程度
通过测量岩石的电学性质，推断地下岩层的分布、埋深和特征，为矿产资源勘探提供有效手段。
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岩石的导电性
温度和压力
含水状态
矿物组成
不同矿物具有不同的导电性，岩石中矿物的组成和含量直接影响其导电性能。
温度和压力的变化可以影响岩石中离子的迁移率，从而影响其导电性。
岩石中的水分子可以传递离子，因此含学性质的研究成果，但该领域仍然存在许多未知领域和需要进一步探讨的问题。未来研究可以进一步深化岩石电学性质的理论研究，探索其内在机制和规律。

1 热电效应的概念
热电效应是指材料受到温度差异时产生的电压和电流现象。
2 热电效应分类
热电效应主要分为Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应。
3 热电效应的应用
热电效应广泛应用于电力产生、温度控制和热电物性测量等领域。
半导体材料的电学性质
半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电学性质。它的导电性质由载流 子类型、密度和能带理材料在温度变化下的电导率和热电系数的变化。
2 n型和p型半导体的热电性质差异
n型和p型半导体在热电性质上存在差异，由于载流子类型和能带结构的差异导致。
3 热电系数的测量方法和应用
热电系数可以通过测量温度梯度下的电压差来获得，并应用于热电材料的性能评估和热 电器件的设计。
半导体基础概念
半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料。
半导体的载流子类型和密度
半导体具有n型半导体和p型半导体两种载流子类型，并且载流子密度可以通过掺杂调控。
能带理论及其对半导体导电性的解释
能带理论解释了半导体导电性的基本原理和机制。
半导体材料的热电性质
半导体材料的热电性质是指在温度变化下，半导体的电导率和热电系数的变化。n型和p型半导体 在热电性质上存在一定差异。
热电材料的应用
热电材料是可将热能直接转化为电能或者将电能转化为制冷或加热效果的材料。它在发电和制冷领域有广 泛的应用。
热电材料的制备方法
热电材料可以通过合成、掺 杂和工艺优化等方法来制备。
热电材料在发电领域 的应用
热电材料可以应用于废热利 用、太阳能发电等领域，将 热能转化为电能。
热电材料在制冷领域 的应用
《半导体的热电性质》 PPT课件