1、第二章第二章 材料的電性能材料的電性能材料的導電性能材料的導電性能n電導的物理現象電導的物理現象n電子類載流子導電電子類載流子導電n離子類載流子導電離子類載流子導電n半導體和超導體半導體和超導體n材料電性能測量及應材料電性能測量及應用舉例用舉例材料的介電性能材料的介電性能n介質的極化介質的極化n介質的損耗介質的損耗n介電強度介電強度n材料的壓電性能材料的壓電性能n材料的鐵電性能材料的鐵電性能n材料介電性能測量及材料介電性能測量及應用舉例應用舉例第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能2.1.1 2.1.1 電導的物理現象電導的物理現象一、電導的宏觀參數一

2、、電導的宏觀參數-電阻率、電導率電阻率、電導率當施加的電場在導體中產生電流時，電流密度當施加的電場在導體中產生電流時，電流密度J正比正比于電場強度于電場強度E，其比例常數，其比例常數即為電導率即為電導率 歐姆定律的微分形式歐姆定律的微分形式第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能SLi對一截均勻導電體，對一截均勻導電體，存在如下關系：存在如下關系：歐姆定律歐姆定律與材料的本質有關，是表征材料導電性能的重要參數與材料的本質有關，是表征材料導電性能的重要參數電阻率的單位是電阻率的單位是mcm或或 cm第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的

3、導電性能材料的導電性能二、電導的物理特性二、電導的物理特性1、載流子、載流子電流是電荷在空間的定向運動。電流是電荷在空間的定向運動。任何一種物質，只要存在帶電荷的自由粒子任何一種物質，只要存在帶電荷的自由粒子載流子，就可以在電場下產生導電電流。載流子，就可以在電場下產生導電電流。金屬中：金屬中： 自由電子自由電子無機材料中：無機材料中：n電子（負電子電子（負電子/空穴）空穴）電子電導電子電導n離子（正、負離子離子（正、負離子/空穴）空穴）離子電導離子電導第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能2、遷移數（遷移率、輸運數）、遷移數（遷移率、輸運數）表征材料

4、導電載流子種類對導電貢獻的參數是遷移數表征材料導電載流子種類對導電貢獻的參數是遷移數x表示某一種載流子輸運電荷的電導率表示某一種載流子輸運電荷的電導率T各種載流子輸運電荷形成的總電導率各種載流子輸運電荷形成的總電導率 ti0.99的導體稱為離子的導體稱為離子(電電)導體導體 ti2/3 D 時時 (t) =T2)當溫度當溫度T D 時時 (t)T5 3)在極低溫度（在極低溫度（2K）時）時 (t)T2 第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能a) 通常，金屬熔化時電阻增高通常，金屬熔化時電阻增高1.52倍。但也有反常，倍。但也有反常，如銻隨溫度升高，電阻

5、也增加，熔化時電阻反常地下如銻隨溫度升高，電阻也增加，熔化時電阻反常地下降了，原因是在熔化時，由共價鍵結合變化為金屬鍵降了，原因是在熔化時，由共價鍵結合變化為金屬鍵結合。結合。銻、鉀、鈉熔銻、鉀、鈉熔化時電阻率變化時電阻率變化曲線化曲線第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能b) 過渡金屬的電阻與溫度的關系經常出現反常，特過渡金屬的電阻與溫度的關系經常出現反常，特別是具有鐵磁性的金屬在發生磁性轉變時，電阻別是具有鐵磁性的金屬在發生磁性轉變時，電阻出現反常。出現反常。金屬磁性轉變對金屬磁性轉變對電阻率的影響電阻率的影響第二章第二章 材料的電性能材料的電性能

6、四、電阻率與壓力的關系四、電阻率與壓力的關系在流體靜壓下金屬的電阻率可用下式計算在流體靜壓下金屬的電阻率可用下式計算式中：式中：0表示在真空條件下的電阻率；表示在真空條件下的電阻率；p表示壓力；表示壓力；是壓是壓力系數力系數(負值負值10-510-6 )。正常金屬正常金屬 鐵、鈷、鎳、鈀、鉑等鐵、鈷、鎳、鈀、鉑等反常金屬反常金屬 堿土金屬和稀土金屬的大部分堿土金屬和稀土金屬的大部分第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能絕緣體絕緣體 半導體半導體 金屬金屬 超導體超導體第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能五、冷加工和缺陷對電阻率的影響五、冷加工和缺

7、陷對電阻率的影響1、冷加工對電阻率的影響、冷加工對電阻率的影響冷加工引起金屬電阻率的增加，這同晶格畸變（空位、冷加工引起金屬電阻率的增加，這同晶格畸變（空位、位錯）有關。位錯）有關。如果認為范性變形所引起的電阻率增加是由于晶格畸變、如果認為范性變形所引起的電阻率增加是由于晶格畸變、晶體缺陷所致，則電阻率增加值晶體缺陷所致，則電阻率增加值等于等于第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能范比倫范比倫(Van Beuren)給出了電阻率隨變形給出了電阻率隨變形變化變化的表達式：的表達式：式中：式中：C是比例常數，與金屬純度有關；是比例常數，與金屬純度有關；n在

8、在02之間變化。之間變化?？紤]到空位、位錯的影響，將上式寫成考慮到空位、位錯的影響，將上式寫成式中：式中：A、B是常數；是常數；n和和m在在02之間變化。此式對許多之間變化。此式對許多面心立方金屬和體心立方的過渡族金屬是成立的。面心立方金屬和體心立方的過渡族金屬是成立的。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能2、缺陷對電阻率的影響、缺陷對電阻率的影響v空位引起的附加電阻率空位引起的附加電阻率式中：式中：E為空位形成能；為空位形成能；T為淬火溫度；為淬火溫度；A為常數。為常數。v對大多數金屬，當變形量不大時，位錯引對大多數金屬，當變形量不大時，位錯引起的

9、電阻率變化量與位錯密度呈線性關系。起的電阻率變化量與位錯密度呈線性關系。不同類型的缺陷對電阻率的影響程度不同，空位和不同類型的缺陷對電阻率的影響程度不同，空位和 間隙間隙原子對剩余電阻率的影響和金屬雜質原子的影響相似。原子對剩余電阻率的影響和金屬雜質原子的影響相似。點缺陷所引起的剩余電阻率變化遠比線缺陷的影響大點缺陷所引起的剩余電阻率變化遠比線缺陷的影響大第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能六、固溶體的電阻率六、固溶體的電阻率1. 形成固溶體時電阻率的變化形成固溶體時電阻率的變化在溶劑晶格中溶入溶質原于時，溶劑的晶格發生扭在溶劑晶格中溶入溶質原于時，

10、溶劑的晶格發生扭曲畸變，破壞了晶格勢場的周期性，從而增加了電曲畸變，破壞了晶格勢場的周期性，從而增加了電子散射幾率，電阻率增高。所當然的，且原于半徑子散射幾率，電阻率增高。所當然的，且原于半徑差越大，固镕體電阻也越大。但是，點陣畸變不是差越大，固镕體電阻也越大。但是，點陣畸變不是固溶體電阻增大的唯一原因。固溶體電阻增大的唯一原因。 首先，雜質乃是對除聲子擾動外所有其他方面首先，雜質乃是對除聲子擾動外所有其他方面都完善的理想晶體局部的破壞；都完善的理想晶體局部的破壞；其次，合金化對能帶結構起作用，移動費米面并其次，合金化對能帶結構起作用，移動費米面并且改變電子能態的密度和導電電子的有效數，其且改

11、變電子能態的密度和導電電子的有效數，其影響往往是金屬電阻的參數；影響往往是金屬電阻的參數；第三，合金化常常影響彈性常數，因而點陣振動第三，合金化常常影響彈性常數，因而點陣振動的聲于譜也要改變，這些因素都要反映到電阻上的聲于譜也要改變，這些因素都要反映到電阻上來。來。合金化對電阻的影響可以歸結為如下幾個方面：合金化對電阻的影響可以歸結為如下幾個方面：第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能根據馬西森定律，低濃度固溶體電阻率表達式為根據馬西森定律，低濃度固溶體電阻率表達式為:式中

12、：式中：A表示團溶體溶劑組元的電阻率；表示團溶體溶劑組元的電阻率；C是雜質原子含量，是雜質原子含量， 表示表示1%原子原子比的雜質原子引起的附加電阻率。比的雜質原子引起的附加電阻率。實驗證明，除過渡族金屬外，在同一溶劑中溶入實驗證明，除過渡族金屬外，在同一溶劑中溶入1原于溶質金屬所引起的電阻率增加由溶劑和溶質金原于溶質金屬所引起的電阻率增加由溶劑和溶質金屬的價數而定，它們的價數差愈大，增加的電阻率屬的價數而定，它們的價數差愈大，增加的電阻率愈大，其數學表達式為：愈大，其數學表達式為：第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能式中：式中：a、b是常數，是常數

13、，Z表示低濃度合金溶劑和溶質表示低濃度合金溶劑和溶質間的價數差。間的價數差。此式稱為諾伯里此式稱為諾伯里林德法則。林德法則。2. 有序合金電阻率有序合金電阻率固溶體有序化固溶體有序化合金組元化學作用加強合金組元化學作用加強電子結合更強電子結合更強兩個因素：兩個因素：(1)導電電子數減少導電電子數減少電阻率增加電阻率增加第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能(2)有序化離子勢場更為對稱電子散射幾率大幅降低電阻率減小3. 不均勻固溶體不均勻固溶體K狀態狀態第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能2.1.3 2.1.3

14、 離子類載流子導電離子類載流子導電一、離子濃度一、離子濃度晶體離子電導晶體離子電導本征電導本征電導雜質電導雜質電導組成晶體點陣的基本離子由組成晶體點陣的基本離子由于熱運動而離開晶格，形成于熱運動而離開晶格，形成熱缺陷，這種熱缺陷無論是熱缺陷，這種熱缺陷無論是離子或空位都可以在電場作離子或空位都可以在電場作用下成為導電的載流子，參用下成為導電的載流子，參與導電。與導電。固有離子電導固有離子電導由固定相對較弱的離子運由固定相對較弱的離子運動引起的，主要是雜質離動引起的，主要是雜質離子子較低溫時較低溫時第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能本征電導首先取決于

15、晶體中的佛侖克爾（本征電導首先取決于晶體中的佛侖克爾（Frenkel）缺）缺陷和肖脫基（陷和肖脫基（Schottky）缺陷的濃度。）缺陷的濃度。kTEcff2exp kTEcss2exp 式中式中 、 分別為弗倫克爾缺陷（間隙離子或空位）、肖脫分別為弗倫克爾缺陷（間隙離子或空位）、肖脫基缺陷（陽離子基缺陷（陽離子-陰離子空位對）的熱平衡濃度；陰離子空位對）的熱平衡濃度； 、 分別分別為形成一個弗倫克爾缺陷或肖脫基缺陷（一對）所需要的能量；為形成一個弗倫克爾缺陷或肖脫基缺陷（一對）所需要的能量； 為波耳茲曼常數；為波耳茲曼常數； 為熱力學溫度。為熱力學溫度。 fcscsEkfcscfEsEkT熱

16、缺陷的濃度取熱缺陷的濃度取決于溫度和缺陷決于溫度和缺陷的形成能。的形成能。高溫時高溫時第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能二、離子遷移率二、離子遷移率離子載流子的遷移情形離子載流子的遷移情形第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能根據玻爾茲曼統計，在順電場和逆電場方向載根據玻爾茲曼統計，在順電場和逆電場方向載流子在單位時間內的躍遷次數分別為流子在單位時間內的躍遷次數分別為式中，式中， 0為離子振動頻率，為離子振動頻率，U0為平衡時勢壘高度，為平衡時勢壘高度， U為電場作用下的位勢差為電場作用下的位勢差.=可得離

17、子載流子沿電場方向的遷移速度為可得離子載流子沿電場方向的遷移速度為第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能離子栽流子的遷移率為離子栽流子的遷移率為第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能離子型電導中的載流子濃度和遷移率均與溫度離子型電導中的載流子濃度和遷移率均與溫度T成成指數正比關系，則電導率寫為如下一般表達式：指數正比關系，則電導率寫為如下一般表達式：第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能三、離子電導與擴散三、離子電導與擴散能斯持能斯持愛因斯坦（愛因斯坦（Nernst-E

18、instein）方程）方程式中：式中：為離子遷移率；為離子遷移率；B為離子絕對遷移率為離子絕對遷移率第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能四、離子導電的影響因素四、離子導電的影響因素1、溫度的影響、溫度的影響溫度對離子導電的影響溫度對離子導電的影響高溫區的本征導電高溫區的本征導電低溫區的雜質導電低溫區的雜質導電第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能2、離子性質、晶體結構的影響、離子性質、晶體結構的影響晶體熔點高晶體熔點高原子之間的結合力大原子之間的結合力大導電激活能高導電激活能高電導率降低電導率降低晶體結構的影

19、響是提供有利于離子移動的晶體結構的影響是提供有利于離子移動的“通路通路”。結構緊密的離子晶體，由于可供移動的間隙小，則結構緊密的離子晶體，由于可供移動的間隙小，則間隙離子遷移困難，激活能高，因而具有低的電導間隙離子遷移困難，激活能高，因而具有低的電導率。率。 第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能3、點缺陷的影響、點缺陷的影響理想晶體由于熱激活而存在肖特基缺陷或弗倫理想晶體由于熱激活而存在肖特基缺陷或弗倫克爾缺陷?？藸柸毕?。不等價固溶體摻雜形成晶格缺陷。不等價固溶體摻雜形成晶格缺陷。晶體所處環境氣氛變化而使離子型晶體的正負晶體所處環境氣氛變化而使離子型

20、晶體的正負離子的化學計量比發生變化，而形成晶格缺陷。離子的化學計量比發生變化，而形成晶格缺陷。五、快離子導體五、快離子導體第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能2.1.4 2.1.4 半導體和超導體半導體和超導體一、半導體一、半導體固體材料：超導體固體材料：超導體: 大于大于106( cm)-1 導導 體體: 106104( cm)-1 半導體半導體: 10410-10( cm)- 絕緣體絕緣體: 小于小于10-10( cm)-什么是半導體？什么是半導體？特點特點: :導電

21、能力可控（受控于光、熱、雜質等）導電能力可控（受控于光、熱、雜質等）半導體半導體的結合和晶體結的結合和晶體結構構形成四面形成四面體體金剛石金剛石結構結構第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能共價鍵共價鍵第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能半導體的能帶結構半導體的能帶結構電子電子：Electron，帶負電的導電載流子，是價電子脫離原子，帶負電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛束縛 后形成的自由電子，對應于導帶中占據的電子后形成的自由電子，對應于導帶中占據的電子空穴空穴：Hole，帶正電的導電載流子，是價電子脫離

22、原子束縛，帶正電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛 后形成的電子空位，對應于價帶中的電子空位后形成的電子空位，對應于價帶中的電子空位第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能1 1 本征本征(intrinsic)(intrinsic)半導體半導體 純凈無摻雜的半導體。純凈無摻雜的半導體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為，常稱為“九個九個9”。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能 (1(1）共價鍵結構）共價鍵結構空間排列有序的空間排列有序的晶

23、體晶體 以以 硅原子硅原子(Si)為例：為例： (a) 硅晶體的空間排列硅晶體的空間排列 (b) 共價鍵結構平面示意圖共價鍵結構平面示意圖第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能本征激發和復合的過程本征激發和復合的過程（2）電子空穴對）電子空穴對 本征激發（熱激發） T=0 K時 電子空穴對：載流子（載流子（Carrier)電子(- )空穴(+) 本征激發和復合本征激發和復合在一定溫度下會在一定溫度下會達到達到動態平衡動態平衡!復合第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能(3) (3) 空穴的移動空穴的移動( (導

24、電）導電）空穴的運動空穴的運動 = = 相鄰共價鍵中的相鄰共價鍵中的價電子價電子反向依次填補空穴來實現的反向依次填補空穴來實現的第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能2 2 雜質半導體雜質半導體本征半導體本征半導體缺點缺點？a. 電子濃度電子濃度=空穴濃度；空穴濃度；b. 載流子少，導電性差，溫度穩定性差！載流子少，導電性差，溫度穩定性差！ (1(1）N型半導體（型半導體（電子型半導體）電子型半導體）特特 點點：多多數載流數載流子子：自由自由電子電子（主要由主要由雜質原子提供）雜質原子提供）少少數載流數載流子子：空穴：空穴（ 由熱激發形成）由熱激發形成

25、）第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能摻摻 雜雜：施主雜質施主雜質正離子正離子少量少量摻入五價雜質元素（如：磷）摻入五價雜質元素（如：磷）第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能施主能級施主能級價帶價帶導帶導帶Ed 第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能 (2(2）P型半導體（型半導體（空穴空穴型半導體）型半導體）摻摻 雜雜：少量少量摻入三價雜質（如硼、鎵和銦等）摻入三價雜質（如硼、鎵和銦等）特特 點點：多子多子：空穴：空穴（主要由主要由雜質原子提供）雜質原子提供）少子

26、少子：電子：電子（ 由熱激發形成）由熱激發形成）第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能受主雜質負離子第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能價帶價帶導帶導帶受主能級受主能級Ea 發光二級管發光二級管 材料和結構：發光二極管由砷化鎵、磷化鎵等半導體材料和結構：發光二極管由砷化鎵、磷化鎵等半導體材料組成。由于電子空穴的復合產生發光能量。是一材料組成。由于電子空穴的復合產生發光能量。是一種電變成光的能量轉換器件。電路中常用做指示或顯種電變成光的能量轉換器件。電路中常用做指示或顯示及光信息傳送。示及光信息傳送。單個發光二

27、極管七段顯示發光二極管第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能二、超導體二、超導體1.1.超導體的基本物理現象超導體的基本物理現象(1)(1)零電阻效應零電阻效應將超導體冷卻到某一臨界溫度（將超導體冷卻到某一臨界溫度（T TC C）以下時電阻突然降為零的現象稱以下時電阻突然降為零的現象稱為超導體的零電阻現象。不同超為超導體的零電阻現象。不同超導體的臨界溫度各不相同。例如，導體的臨界溫度各不相同。例如，汞的臨界溫度為汞的臨界溫度為4.15K4.15K（K K為絕對為絕對溫度，溫度，0K0K相當于零下相當于零下273273），而），而高溫超導體高溫超導體YB

28、COYBCO的臨界溫度為的臨界溫度為94K94K。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能電阻率電阻率與溫度與溫度T T的關系的關系1 1純金屬晶體純金屬晶體2 2含雜質和缺陷的含雜質和缺陷的金屬晶體金屬晶體3 3超導體超導體第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能（2 2）邁斯納效應（完全抗磁性）邁斯納效應（完全抗磁性）當超導體冷卻到臨界溫度以下而當超導體冷卻到臨界溫度以下而轉變為超導態后，只要周圍的外轉變為超導態后，只要周圍的外加磁場沒有強到破壞超導性的程加磁場沒有強到破壞超導性的程度，超導體就會把穿透到體內的

29、度，超導體就會把穿透到體內的磁力線完全排斥出體外，在超導磁力線完全排斥出體外，在超導體內永遠保持磁感應強度為零。體內永遠保持磁感應強度為零。超導體的這種特殊性質被稱為超導體的這種特殊性質被稱為“邁斯納效應邁斯納效應”。邁斯納效應與零電阻現象是超導邁斯納效應與零電阻現象是超導體的兩個基本特性，它們既互相體的兩個基本特性，它們既互相獨立，又密切聯系。獨立，又密切聯系。 第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能2.2. 超導體的臨界參數超導體的臨界參數 溫度（溫度（T TC C）超導體必須冷卻超導體必須冷卻至某一臨界溫度以下才能保持其超導性。至某一臨界溫度以下

30、才能保持其超導性。臨界電流密度（臨界電流密度（J JC C）通過超通過超導體的電流密度必須小于某一臨界電流導體的電流密度必須小于某一臨界電流密度才能保持超導體的超導性。密度才能保持超導體的超導性。臨界磁場（臨界磁場（H HC C）施加給超導施加給超導體的磁場必須小于某一臨界磁場才能保體的磁場必須小于某一臨界磁場才能保持超導體的超導性。持超導體的超導性。以上三個參數彼此關聯，其相互以上三個參數彼此關聯，其相互關系如右圖所示。關系如右圖所示。 第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能目前已查明在常壓目前已查明在常壓下具有超導電性的下具有超導電性的元素金屬有元

31、素金屬有3232種種（如右圖元素周期（如右圖元素周期表中青色方框所表中青色方框所示），而在高壓下示），而在高壓下或制成薄膜狀時具或制成薄膜狀時具有超導電性的元素有超導電性的元素金屬有金屬有1414種（如右種（如右圖元素周期表中綠圖元素周期表中綠色方框所示）。色方框所示）。 第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能（1 1）第一類超導體）第一類超導體第一類超導體的磁化曲線第一類超導體的磁化曲線3.3.兩類超導體的基本特征兩類超導體的基本特征Hc 和和Ic 很低，幾乎沒有很低，幾乎沒有實用的可能性實用的可能性第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節

32、 材料的導電性能材料的導電性能第I類超導體主要包括一些在常溫下具有良好導電性的純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等，該類超導體的溶點較低、質地較軟，亦被稱作“軟超導體”。其特征是由正常態過渡到超導態時沒有中間態，并且具有完全抗磁性。第I類超導體由于其臨界電流密度和臨界磁場較低，因而沒有很好的實用價值。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能（2 2）第二類超導體）第二類超導體3.6 3.6 第二類超導體的第二類超導體的M MH H曲線曲線第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能除金屬元素釩、锝和鈮外，除金屬元素釩、锝

33、和鈮外，第第IIII類超導體主要包括類超導體主要包括金屬化合物及其合金。金屬化合物及其合金。第第IIII類超導體和第類超導體和第I I類超類超導體的區別主要在于：導體的區別主要在于：1)1)第第IIII類超導體由正常態類超導體由正常態轉變為超導態時有一個轉變為超導態時有一個中間態（混合態）中間態（混合態）2)2)第第IIII類超導體的混合態類超導體的混合態中有磁通線存在，而第中有磁通線存在，而第I I類超導體沒有；類超導體沒有；3)3)第第IIII類超導體比第類超導體比第I I類類超導體有更廣泛的應用。超導體有更廣泛的應用。 n臨界溫度臨界溫度Tc依賴于同位素質量的現象。當依賴于同位素質量的現

34、象。當M時，時， Tc應趨于零，沒有超導電性。應趨于零，沒有超導電性。n當原子質量當原子質量M趨于無限大時，晶格原子就不可趨于無限大時，晶格原子就不可能運動，當然不會有晶格振動了，能運動，當然不會有晶格振動了，n由此可知：電子由此可知：電子-晶格振動的相互作用是超導晶格振動的相互作用是超導電性的根源。電性的根源。超導的微觀圖像與機制超導的微觀圖像與機制1 1、同位素效應、同位素效應2 2、電子聲子相互作用、電子聲子相互作用圖圖2.8 電子使離子產生位移，電子使離子產生位移，從而吸引其它電子從而吸引其它電子晶體中電子是處于晶體中電子是處于正離子組成的晶格正離子組成的晶格環境中，帶負電荷環境中，帶

35、負電荷的電子吸引正離子的電子吸引正離子向它靠攏；于是在向它靠攏；于是在電子周圍又形成正電子周圍又形成正電荷聚集的區域，電荷聚集的區域，它又吸引附近的電它又吸引附近的電子。子。電子間通過交換聲電子間通過交換聲子能夠產生吸引作子能夠產生吸引作用。用。n當電子間有凈的吸引作用時，費密面附當電子間有凈的吸引作用時，費密面附近的兩個電子將形成束縛的電子對的狀近的兩個電子將形成束縛的電子對的狀態，它的能量比兩個獨立的電子的總能態，它的能量比兩個獨立的電子的總能量低，這種電子對狀態稱為量低，這種電子對狀態稱為庫柏對庫柏對。n考慮到電子的自旋，最佳的配對方式是考慮到電子的自旋，最佳的配對方式是動量相反同時自旋

36、相反的兩個電子組成動量相反同時自旋相反的兩個電子組成庫柏對。庫柏對。3 3、庫柏（、庫柏（Cooper)Cooper)電子對電子對庫柏對之間通過交換聲子耦合在一起，庫柏對之間通過交換聲子耦合在一起，拆散一個庫柏對，產生兩個正常態電子拆散一個庫柏對，產生兩個正常態電子需要外界提供能量需要外界提供能量。庫柏對吸收能量變庫柏對吸收能量變成兩個獨立的正常電子的過程稱為成兩個獨立的正常電子的過程稱為準粒準粒子激發子激發。由于受熱激發，有一些由于受熱激發，有一些庫柏對被拆開成庫柏對被拆開成為正常電子，這樣就使得超導體內有兩為正常電子，這樣就使得超導體內有兩種載流子：種載流子：超導電子超導電子和被激發到能隙

37、之和被激發到能隙之上單粒子態中的上單粒子態中的正常正常電子電子。這正賦予了。這正賦予了二流體模型新的意義。二流體模型新的意義。4 4、超導能隙、超導能隙圖圖2.9 絕對零度下的電子能譜絕對零度下的電子能譜超導體能隙作為溫度的函數超導體能隙作為溫度的函數磁腦照相術中的超導磁腦照相術中的超導量子干涉器件量子干涉器件第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能2.1.5 2.1.5 電性能測量及應用舉例電性能測量及應用舉例測量直流電阻最常用的是電橋法。電橋分為惠更斯測量直流電阻最常用的

38、是電橋法。電橋分為惠更斯單臂電橋和雙臂電橋兩大類，主要用于測量電阻。單臂電橋和雙臂電橋兩大類，主要用于測量電阻。直流電橋由四個橋臂、檢流計和電直流電橋由四個橋臂、檢流計和電源組成，其原理電路如左所示。圖源組成，其原理電路如左所示。圖中中R1、R2、R3是標準電阻，是標準電阻， Rx是被測電阻；是被測電阻；G是靈敏度很高的微是靈敏度很高的微安級磁電式檢流計，用來指零。測安級磁電式檢流計，用來指零。測量時調節量時調節R1、R2、R3使電橋平衡，使電橋平衡，電橋達到平衡時電橋達到平衡時UBD為零，檢流為零，檢流計計G中無電流，由電橋平衡條件可中無電流，由電橋平衡條件可得被測電阻得被測電阻一一. 電橋

39、法電橋法單臂電橋單臂電橋321RRRRx方法：方法：用標準電阻與被測電阻用標準電阻與被測電阻Rx相比較，用指零儀表指示被相比較，用指零儀表指示被測量與標準量是否相等測量與標準量是否相等(平衡平衡)，從而求得被測量。，從而求得被測量。優點：優點：測量的準確度幾乎等于標準量的準確度。測量的準確度幾乎等于標準量的準確度。缺點：缺點：在測量過程中，為獲得平衡狀態，需要進行反復調節，在測量過程中，為獲得平衡狀態，需要進行反復調節，測試速度慢，不能適應大量、快速測量的需要。測試速度慢，不能適應大量、快速測量的需要。 直流單電橋測電阻的范圍在直流單電橋測電阻的范圍在11M之間。電阻大于之間。電阻大于1M時，電橋的漏電流對測量誤差的影響已不能忽略而電阻時，電橋的漏電流對測量誤差的影響已不能忽略而電阻小于小于1時，時，接線電阻接線電阻和和接觸電阻接觸電阻的影響開始增大。的影響開始增大。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第一節第一節 材料的導電性能材料的導電性能小電阻在各種電子設備中隨處可見，例如電器觸點的接小電阻在各種電子設備中隨處可見，例如電器觸點的接觸電阻、印制電路板金屬化孔電阻、鉚接電阻、電線電觸電阻、印制電路板金屬化孔電阻、鉚接電阻、電線電纜電阻等等。測量小電阻時，因為被測電阻本身阻值很纜電阻等等。測量小電阻時，因為被測電阻本身阻值