第06讲_5-2材料的导电性能
第五章材料的电学性能材料物理
（3）离子电导率
nq
Schottky defect引起的本征离子电导率：
N
exp(
Es
2k
T)
q2 20
6k T
exp(Us
k
T)
N
q2 20
6k T
exp{[ (Us
1 2
Es
)
k T]}
As exp(Ws kT)
Ws－电导活化能，包括缺陷形成能与迁移能 As－常数
第五章 材料的电学性能
§5.1 电导性能 §5.2 无机材料的电导 §5.3 半导体陶瓷的物理效应 §5.4 超导体 §5.5 介电性能 §5.6 介质损耗 §5.7 介电强度
§5.1 电导性能
一、电导的宏观参数 二、电导的物理特性 三、离子电导与电子电导 四、导电性的测量
一、电导的宏观参数
1. 电导率与电阻率(Electrical conductivity and Resistivity )
RS
R L
S
电阻R不仅与材料本性有关，而且与导体的几何形状有关，
电阻率只与材料本性有关，与导体的几何形状无关。
电阻率：
RS
L
：电阻率 Ω ·cm
电导率:
1
σ：电导率 Ω-1·cm-1 S·cm-1
S为西门子（Siemens ）
欧姆定律的微分形式：
J E E
物质中存在多种载流子，总电导率：
Ai exp(BiT) i
（4）扩散与离子电导
离子扩散机构
载流子：空位
载流子：间隙原子
“接力式”运动
（4）影响离子电导的因素
材料导电性能
材料导电性能
材料的导电性能是指材料在外加电场作用下，电子在材料内部的传输能力。
导
电性能是材料的重要物理性能之一，对于材料的应用具有重要的意义。
在现代科技领域中，导电材料被广泛应用于电子器件、光伏材料、电磁屏蔽材料等领域，因此对材料的导电性能进行研究具有重要意义。
材料的导电性能受多种因素的影响，其中包括材料的结构、成分、晶体结构等
因素。
导电材料通常分为金属导体和半导体两大类。
金属导体的导电性能主要取决于其自由电子的浓度和迁移率，而半导体材料的导电性能则受到杂质、缺陷、温度等因素的影响。
材料的导电性能可以通过电导率来表征。
电导率是描述材料导电性能的物理量，通常用σ表示，单位为（Ω·cm）^-1。
电导率越大，表明材料的导电性能越好。
金属材料通常具有较高的电导率，而半导体材料的电导率则介于金属和绝缘体之间。
在实际应用中，我们常常需要根据具体的要求来选择合适的导电材料。
例如，
在电子器件中，我们通常选择电导率较高的金属材料作为导线，以保证电子的顺畅传输；在光伏材料中，我们则需要选择能够有效转化光能的半导体材料。
除了常规的金属和半导体材料，近年来，碳纳米材料也成为了研究的热点之一。
碳纳米材料具有优异的导电性能和热导性能，因此被广泛应用于柔性电子器件、导电涂料、导电纤维等领域。
总的来说，材料的导电性能是材料科学研究中的重要内容之一。
随着科技的不
断发展，对导电材料的需求也在不断增加，因此对导电性能的研究也将会变得更加深入和广泛。
希望通过对导电性能的研究，能够为材料科学的发展和应用提供更多的可能性。
无机材料物理性能教案ppt
圆片式样体积电阻率的测量
电导的宏观参数
片状试样
电导的宏观参数
精确测定结果:
电导的宏观参数
8、表面电阻和表面电阻率
板状式样
电导的宏观参数
圆片试样
I V
r1 a r2 g
b
电导的宏观参数
直流四端电极法
适用于中高电导率的材料，能消除电 极非欧姆接触对测量结果的影响。
电导的宏观参数
在室温下测量电导率常采用简单的四探针法
匀材料，电流是均匀的， 电流密度J在各处是一 样的。
定义：单位面积通 过的电流，或单位时间 通过单位面积的电荷量。
表达式：
(A•cm-2)
3、电场强度 定义：单位长度上的电势差。 表达式： (V•cm-1)
4、电阻率：
ρ为电阻率， 为反映材料电阻性能的参数
5、电导率：
反映材料的电阻性能。
6、欧姆定律的微分形式
电导的物理特性
3、电解效应（离子电导特性） 离子的迁移伴随质量变化，离子在
电极附近发生电子得失，产生新的物 质。
法拉第电解定律：
——电解物质的量 ——电化当量
——通过的电量 ——法拉第常数
实质：类似电解质溶液中的电解。
如NaCl溶液的电解。
应用：可检验陶瓷材料是否存在离子电 导。
4、迁移率和电导率的一般表达式
载流子浓度
杂质电导：由固定较弱的离子（杂 质）的运动造成。
杂质电导中，载流子浓度取决于杂质 的数量和种类。
二、离子迁移率
❖ 离子电导的微观机构为载流子 ── 离子的扩散 。
❖ 间隙离子的扩散过程就构成了宏 观的离子“迁移”。
离子扩散机构
离子迁移率
间隙离子的势垒
第06讲5-2材料的导电性能(07)
材料结构的类型
•
聚集态结构
气、液、固；固态中有晶态和非晶态。 物相结构：混合物、晶态、非晶态 显微结构：取向 空间位置分布：多组分、多相材料的均匀性
•
分子与晶体结构
基团结构 分子结构：相对分子量、相对分子质量分布、支化度、交联度 晶体结构 构型与构象
•
电子结构
3
5.2.1 能带结构
能带理论是在量子自由电子论的基础上，考 虑了离子所造成的周期性势场的存在，从而导出 了电子的分布特点，并建立了禁带的概念。 从连续能量分布的价电子在均匀势场中的运 动，到不连续能量分布的价电子在均匀势场中的 运动，再到不连续能量分布的价电子在周期性势 场中的运动，分别是经典自由电子论、量子自由 电子论、能带理论这三种分析材料导电性理论的 主要特征。
15
电子在能带中的填充和运动
由于满带中所有能级都被电子 占满，因此一个电子在外力作用下 向其它能级转移时，必然伴随着相 反方向的转移来抵消，所以满带是 不导电的。
图 5.3
导带中的能级未被占满，一个 电子在外力作用下向其它能级转移 时，不一定有相反方向的转移来抵 消，所以导带具有导电作用。
6
5.2.1 能带结构
电子的分布规律： 多电子的原子系统中,核外电子在不同的壳层上的 分布遵从下面两条基本原理： 1.泡利不相容原理 一个原子系统内，不能有两个或两个以上电子具 有完全相同的量子态(n ,l ,ml ,ms)。 利用泡利不相容原理可以计算各个壳层中可能占 有的最多电子数。
7
5.2.1 能带结构
对给定的一个n, l=0,1,2,…,(n-1) , 共n个值； ml=0,±1,±2,…,±l，共(2l+1)个值；
自编教材第四章_材料的导电性能
第四章 材料的导电性能材料的导电性能是材料物理性能的重要组成部分，导体材料在电子及电力工业中得到广泛的应用，同时，表征材料导电性的电阻率是一种对组织结构敏感的参量，所以，可通过电阻分析来研究材料的相变。
本章主要讨论材料的导电机理，影响材料导电因素以及导电性能参数的测量和应用。
还对材料的超导电性能、热电性能以及半导体性能等作简要介绍。
第一节 材料的导电性一、 电阻与导电的基本概念当在材料的两端施加电压V 时，材料中有电流I 流过，这种现象称为导电，电流I 值可用欧姆定律表示，即I = RV (4-1) 式中：R 为材料电阻，其值不仅与材料的性质有关，而且还与其长度L 及截面积S 有关，因此R = ρSL (4-2) 式中：ρ称为电阻率，它在数值上等于单位长度和单位面积上导电体的电阻值，可写为 ρ = R L S(4-3)由于电阻率只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸无关，因此评定材料导电性的基本参数是ρ而不是R 。
电阻率的单位为Ω· m (欧·米)。
在研究材料的导电性能时，还常用电导率σ，电导率σ为电阻率的倒数，即σ =1 (4-4) 电导率的单位为Ω-1· m -1。
式（4-3）和式（4-4）表明，ρ 愈小，σ 愈大，材料导电性能就越好。
根据导电性能的好坏，常把材料分为导体、半导体和绝缘体。
导体的ρ 值小于10-2 Ω· m ；绝缘体的ρ值大于1010Ω· m ；半导体的ρ值介于10-2 ~ 1010Ω· m 之间。
虽然物质都是由原子所构成的，但其导电能力相差很大，这种现象与是物质的结构与导电本质有关。
二、导电的物理特性1、载流子电流是电荷在空间的定向运动。
任何一种物质，只要有电流就意味着有带电粒子的定向运动，这些带电粒子称为载流子。
金属导体中的载流子是自由电子，无机材料中的载流子可以是电子（负电子、空穴）、离子（正、负离子，空位）。
载流子为离子或离子空穴的电导称为离子式电导，载流子为电子或电子空穴的电导称为电子式电导。
中班科学活动观察不同材料的导电性
中班科学活动观察不同材料的导电性材料的导电性是指材料允许电传导的性能。
在生活中，我们经常使用各种材料来制作电器、电路等，因此了解材料的导电性是非常重要的。
本文将介绍中班科学活动中观察不同材料的导电性的方法与意义。
一、观察方法为了观察不同材料的导电性，首先需要准备一些实验材料。
如铜线、铁丝、铝箔、塑料棒等；然后需要准备一个电源供电，可以使用电池；最后还需要一些小灯泡或者蜂鸣器等电器设备。
接下来，我们可以按照以下步骤进行观察：1. 将铜线、铁丝、铝箔、塑料棒等不同材料分别连接到电源的正负极上；2. 将小灯泡等电器设备与材料连接；3. 观察电器设备是否亮起或发出声音。
通过上述实验步骤，我们可以发现不同材料的导电性是不同的。
铜线和铁丝是导电性较好的材料，连接它们的电器设备会亮起或发出声音。
而铝箔导电性稍差，可能无法让电器设备正常工作。
而塑料棒则是不导电的材料，无法让电器设备工作。
二、实验意义通过观察不同材料的导电性，可以帮助幼儿了解导电性的概念与原理，培养他们的科学思维能力。
以下是观察不同材料导电性的实验意义：1. 认识不同材料的导电性：通过实验，幼儿可以亲自观察并体验不同材料的导电性能力。
这样，他们能直观地认识到铜线、铁丝等金属材料导电性较好，而塑料等非导电材料无法传导电流。
2. 联系日常生活：观察不同材料的导电性，可以帮助幼儿将实验与日常生活联系起来。
他们可以发现在日常生活中使用的电线、电器等都是由导电材料制成的。
3. 发展科学思维：通过观察和实验，幼儿可以培养自己的科学思维能力。
他们会学会提出问题、观察并形成结论。
这种思维模式对他们今后的学习和解决问题的能力都非常重要。
4. 安全意识的培养：观察不同材料的导电性的实验还可以帮助幼儿培养安全意识。
例如，在实验中，幼儿会学会如何正确使用电池以及材料的正确连接方式。
总结：通过观察不同材料的导电性实验，幼儿不仅可以了解导电性的概念和原理，还可以培养科学思维和安全意识。
材料的导电性PPT课件
材料的导电性
P型半导体结构
材料的导电性
P型半导体载流子浓度及电导率
材料的导电性
(3)本征半导体和非本征半导体的主要区别
•本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的 数量相等，而非本征半导体中的电子载流子和 空穴载流子的数量是不相等的。
材料的导电性
材料的导电性
材料的导电性
N型半导体结构
材料的导电性
N型半导体载流子浓度及电导率
材料的导电性
(2)P型半导体
如果在硅或锗中添加的杂质是像镓（Ga）一样的3价 元素，没有足够的电子参与共价键的结合。如果价带 上的其他电子过来填充这个空穴，在价带上就会产生 一个新的空穴，参加导电。向本征半导体提供空穴作 为载流子的杂质元素称为受主。掺入了受主杂质的非 本征半导体以正电荷（空穴）作为载流子，所以称为p （positive，表示正电荷的意思）型半导体。
材料的导电性
施主的富余价电子所处的杂质原子的电子能级低 于半导体的导带。这个富余价电子并没有被施主 原子束缚得很紧，只要有一个很小的能量Ed就可 以使这个电子进入导带。施主的这个价电子进入 导带后，不会在价带中产生空穴。随着温度的升 高，越来越多的施主电子越过禁带Ed进入导带， 最后所有的施主的电子都进入导带，此时称为施 主耗尽。如果温度继续升高，电导率将维持一个 常量。在更高的温度下，才会出现本征半导体产 生的导电性。
4.2材料的导电性能
二、电子导电（金属的导电性；半导体的电学性能 ）
1. 本征半导体电学性能 2. 杂质半导体电学性能 3. PN结的形成及特性
材料的导电性
1.本征半导体电学性能
《材料的导电性》课件
导电性的物理意义
总结词
导电性在电子器件、能源转换与传输、电磁屏蔽等领域具有重要应用价值。
详细描述
导电性在电子器件中扮演着关键角色，如导线的导电性决定了电流传输的效率，电极材料的导电性决定了电池 的充放电性能等。在能源转换与传输领域，如太阳能电池和燃料电池等，导电性能的高低直接影响到能源转换 效率和传输稳定性。此外，在电磁屏蔽领域，导电材料的导电性能决定了其电磁屏蔽效果的好坏。
磁悬浮列车
超导体材料在磁悬浮列车中起到产生 强磁场的作用，实现列车与轨道之间 的无接触悬浮和推进。
电力储存
医学成像
超导材料在核磁共振成像技术中起到 产生强磁场的作用，用于医学诊断。
超导线圈可以用来储存大电流，实现 高效能的电力储存和输电。
导电材料的发展趋势和前景
新材料研发
随着科技的发展，导电材料的研 究和开发不断涌现出新材料，如 石墨烯、碳纳米管等新型导电材
载流子类型与浓度
半导体的载流子包括电子和空穴，其浓度受温度 、光照等因素影响。
半导体掺杂
通过掺杂工艺可以改变半导体的导电性能，实现N 型或P型导电。
超导体的导电性原理
超导态与正常态的转变
超导体在某一温度以下进入超导态，此时电 阻为零，电流无穷大。
库珀对的形成
在超导体中，电子通过交换声子而配对，形 成库珀对。
02
半导体材料的导电性能对压力变 化较为敏感，压力增大时，半导 体中的载流子数量减少，导电性 降低。
杂质和缺陷的影响
杂质和缺陷可以影响材料的导电性。在金属中加入少量的杂质元素，可以显著改变金属的导电性能。例如，向 铜中加入少量的锌可以制成优良的导线材料。
缺陷的存在也会影响材料的导电性。在晶体材料中，缺陷可以改变电子的散射方式，从而影响电子的运动速度 和自由程，进而影响材料的导电性能。
材料的导电性能课件
材料的导电性能
14
铝原子的电子结构： 1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p1 1s 2 2s 2 2 p 6满带
但铜是一个例外。铜中的内层3d能带已经被电子充满，这些 电子被原子紧紧束缚，不能与4s能带相互作用。由于铜中的 3d能带和4s能带之间基本没有相互作用，所以铜的导电性非 常好。银和金的情况与铜类似。
材料的导电性能
17
金属的能带结构特征：
存在未满的价带或存在 价带和其上的空带交叠
被价电子占据的最高能级 上存在许多空能级
第3章 导电物理
3.2 能带结构及导电材料
材料的导电性能
1
3.2.1 能带结构 3.2.2 导电材料与电阻材料 3.2.3 其他材料的导电性能
材料的导电性能
2
根据原子结构理论，每个电子都占有一个分立的能级。 Pauli不相容原理，每个能级只能容纳2个电子
电子填充能带的原则：
1、泡利不相容原理：不能有两个电子处于完全相同的量子态 2、首先填充能量最小的状态
3 p1 :
与之相应能带仅部分填充
3s 能带与 3 p能带存在交叠
Al 金属电子能带 3p 3s
材料的导电性能
15
过渡族金属的电子结构
2 4C r 25Mn 26Fe 27C o 28Ni 29C u
1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4 s13d 5
1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4s 2 3d 5 1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4s 2 3d 6 1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4 s 2 3d 7
5-2 压电材料
克分子比例混合后充分研磨成型，经高温 1 300~1 400 ℃ 烧结，然后再经人 工极化处理得到的压电陶瓷。 这种压电陶瓷具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的 50 倍）。不足之处是居里温度低(120 ℃) ，温度稳定性和机械强度不如石英晶 体。
切型，其中第一个字母 Y 表示石英晶片在原始位置（即旋转前的位置）时的 厚度沿 Y轴方向，第二个字母 X 表示石英晶片在原始位置时的长度沿 X 轴方
向，第三个字母 l 和角度 35o 表示石英晶片绕长度逆时针旋转 35o ，如图512所示，又如 (XYtl)50/-500 切型，它表示石英晶片原始位置的厚度沿 X 轴 方向，长度沿 Y 轴方向，先绕厚度 t 逆时针旋转 5o ，再绕长度 l 顺时针
§5-2 压电材料
㈡锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由 PbTiO3 和 PbZrO3 组成的固溶体 Pb(Zr 、Ti)O3。它与钛 酸钡相比，压电系数更大，居里温度在 300 ℃ 以上，各项机电参数受温度影 响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其他微量元素（如 铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的 PZT 材料。因此锆钛酸铅系 压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。
⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
§5-2 压电材料
一、石英晶体 石英是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温 度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化，如图5-10和 图5-11所示。
由图可见，在 20 0C～200 0C 温度范围内，温度每升高 1 0C，压电系数 仅减少 0.016 % 。但是当温度达到居里点（573 0C）时，石英晶体便失去了 压电特性。
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周期表Ⅳ 族元素 如碳、 族元素， 周期表ⅣA族元素，如碳、硅、锗、锡，在 最外层p轨道有 个电子，化合价为4。 轨道有2个电子 最外层 轨道有 个电子，化合价为 。根据 前面的讨论，因为这些元素的p能带没有被 前面的讨论，因为这些元素的 能带没有被 电子充满，似乎应该具有良好的导电性。 电子充满，似乎应该具有良好的导电性。但 实际情况却不是这样。 实际情况却不是这样。这些元素都是以共价 键结合的，最外层的s能带电子和 能带电子和p能带电子 键结合的，最外层的 能带电子和 能带电子 都被原子紧紧束缚。 都被原子紧紧束缚。共价键使能带结构发生 比较复杂的变化，即杂化现象。 比较复杂的变化，即杂化现象。
20
高分子材料中的电子都是共价键结合的， 高分子材料中的电子都是共价键结合的，所以 高分子材料的禁带宽度都非常大， 高分子材料的禁带宽度都非常大，电导率也非 常低。因此高分子材料常用作绝缘体。有时， 常低。因此高分子材料常用作绝缘体。有时， 低电导率也会对材料造成损害。 低电导率也会对材料造成损害。 解决这些问题的方法有两种， 解决这些问题的方法有两种，一是在高分子材 料中引入添加剂，改善材料的导电性， 料中引入添加剂，改善材料的导电性，二是开 发本身就具有导电性的高分子材料。 发本身就具有导电性的高分子材料。
21
16
Sn（灰锡） 0.08 （灰锡） GaAs 1.35
5.2.3导电材料与电阻材料 导电材料与电阻材料
导电材料是以传送电流为主要目的的材料。 导电材料是以传送电流为主要目的的材料。 对于像电力工业这样的强电应用的导电材 主要有铜、铝及其合金。 料，主要有铜、铝及其合金。而像电子工 业这样的弱电应用的导电材料则除了铜、 业这样的弱电应用的导电材料则除了铜、 铝之外，还常用金、银等。 铝之外，还常用金、银等。
12
图5.5金刚石中碳的能带结构 金刚石中碳的能带结构
13
在金刚石的价带和导带之间有一个较大的 禁带Eg。很少有电子具有足够的能量， 禁带 。很少有电子具有足够的能量，能 够从价带跃迁到导带去。 够从价带跃迁到导带去。所以金刚石的电 导率很低。 导率很低。 提高温度或者施加高电压， 提高温度或者施加高电压，可以使价带的 电子获得能量，跃迁到导带。例如， 电子获得能量，跃迁到导带。例如，氮化 硼的室温的电导率为10 硼的室温的电导率为 -13 -1·cm-1，温度 升到800℃时则为 -4 -1·cm-1。 升到 ℃时则为10
9
能带重叠现象
图5.4镁的能带结镍的过渡族金属中，未被电子充满的 3d能带和 能带发生重叠。这种重叠使得 能带和4s能带发生重叠 能带和 能带发生重叠。 电子能够被激发到高能量的能级。 电子能够被激发到高能量的能级。能带之间 的复杂的相互作用使得这些金属的导电性不 够理想。但铜是一个例外。铜中的内层3d 够理想。但铜是一个例外。铜中的内层 能带已经被电子充满， 能带已经被电子充满，这些电子被原子紧紧 束缚，不能与4s能带相互作用 能带相互作用。 束缚，不能与 能带相互作用。由于铜中的 3d能带和 能带之间基本没有相互作用， 能带和4s能带之间基本没有相互作用 能带和 能带之间基本没有相互作用， 所以铜的导电性非常好。 所以铜的导电性非常好。银和金的情况与铜 类似。 类似。
镁原子的核外电子结构为1s 镁原子的核外电子结构为 22s22p63s2。像 镁这样的周期表Ⅱ 族元素的最外层 族元素的最外层3s轨道 镁这样的周期表ⅡA族元素的最外层 轨道 个电子， 有2个电子，所以按理说它的 能带就会被 个电子 所以按理说它的3s能带就会被 电子全部占满。 电子全部占满。 但是，由于固体镁的 能带与 能带有重叠， 能带与3s能带有重叠 但是，由于固体镁的3p能带与 能带有重叠， 这种重叠使得电子能够激发到3s和 的重叠 这种重叠使得电子能够激发到 和3p的重叠 能带里的高能级，所以镁具有导电性。 能带里的高能级，所以镁具有导电性。
第5章 导电物理 章
5.1概述 5.2材料的导电性能 5.3金属电导 5.4半导体物理 5.5 超导物理
2个学时 2个学时 4个学时 10个学时 4个学时
1
5.2材料的导电性能
5.2.1能带结构 能带结构 5.2.3导电材料与电阻材料 导电材料与电阻材料 5.2.4其他材料的导电性能 其他材料的导电性能
2
根据原子结构理论， 根据原子结构理论，每个电子都占有一个 分立的能级。泡利（ 分立的能级。泡利（Pauli）不相容原理指 ） 每个能级只能容纳2个电子 个电子。 出，每个能级只能容纳 个电子。
3
个原子相互靠近形成一个固体时， 当N个原子相互靠近形成一个固体时，泡利 个原子相互靠近形成一个固体时 不相容原理仍然成立，即在整个固体中， 不相容原理仍然成立，即在整个固体中，也 只能有2个电子占据相同的能级。当这两个 只能有 个电子占据相同的能级。 个电子占据相同的能级 原子的距离足够近时，它们的2s轨道的电子 原子的距离足够近时，它们的 轨道的电子 就会相互作用， 就会相互作用，以致不能再维持在相同的能 当固体中有N个原子 个原子， 个原子的2s 级。当固体中有 个原子，这N个原子的 个原子的 轨道的电子都会相互影响。 轨道的电子都会相互影响。这时就必须出现 N个不同的分立能级来安排所有这些 轨道 个不同的分立能级来安排所有这些2s轨道 个不同的分立能级来安排所有这些 的电子（这些电子共有2N个）。2s轨道的 轨道的N 的电子（这些电子共有 个）。 轨道的 个分立的能级组合在一起，成为2s的能带 的能带。 个分立的能级组合在一起，成为 的能带。
14
虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似， 虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似，但 这些材料的禁带宽度E 较小。实际上， 这些材料的禁带宽度 g 较小。实际上，锡的 禁带宽度小得使它具有类似导体的导电性。 禁带宽度小得使它具有类似导体的导电性。而 禁带宽度E 禁带宽度 g稍大一点的锗和硅成了典型的半导 体。 绝缘体的能带结构与半导体相似， 绝缘体的能带结构与半导体相似，价带上都排 满了电子，而导带上则没有电子。 满了电子，而导带上则没有电子。不同之处在 于，许多半导体的禁带宽度为 0.4 ~ 0.5 eV， ， 而绝缘体的禁带宽度则为 4 ~ 5 eV。不过，并 。不过， 没有一个严格的禁带宽度数值以截然区别半导 15 体和绝缘体。 体和绝缘体。
4
图5.1电子数量增加时能级扩展成能带 电子数量增加时能级扩展成能带
5
导带
禁带
图5.2钠的能带结构
6
由于钠只有1个 电子 所以在3s价带上 电子， 价带上， 由于钠只有 个3s电子，所以在 价带上， 只有一半的能级被电子所占据。自然， 只有一半的能级被电子所占据。自然，这些 被电子占据的能级应该是能量较低的能级， 被电子占据的能级应该是能量较低的能级， 而3s价带中能量较高的处于上方的能级很少 价带中能量较高的处于上方的能级很少 有电子占据。当温度为绝对零度时， 有电子占据。当温度为绝对零度时，只有下 面一半的能级被电子占据， 面一半的能级被电子占据，上面一半的能级 没有电子占据。 没有电子占据。能带中有一半的能级被电子 占据的能级称为费密能级。 占据的能级称为费密能级。而当温度大于绝 对零度时，有一些电子获得了能量， 对零度时，有一些电子获得了能量，跳到价 带里的较高能级， 带里的较高能级，而在相对应的较低的能级 上失去了电子，产生了相同数量的空穴。 上失去了电子，产生了相同数量的空穴。 7
图5.3能带中电子随温度升高而进行能级跃迁 能带中电子随温度升高而进行能级跃迁 (a)绝对零度时 所有外层电子占据低的能级 绝对零度时,所有外层电子占据低的能级 绝对零度时 所有外层电子占据低的能级; (b)温度升高 部分电子被激发到原未被填充的能级 温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级 温度升高 8
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电阻材料的主要目的是给电路提供一定的 电阻。 电阻。作为精密电阻材料的以铜镍合金为 代表，如康铜（ ）。铜 代表，如康铜（Cu-40%Ni-1.5%Mn）。铜 ）。 镍合金的电阻率随着成分的变化而连续变 在含镍为40wt%左右具有最大的电阻 化，在含镍为 左右具有最大的电阻 最小的温度系数、最大的热电势。 率、最小的温度系数、最大的热电势。
一些材料的禁带宽度E 表5.2一些材料的禁带宽度 g（eV） 一些材料的禁带宽度 ）
材料 C(金刚石 金刚石) 金刚石 Si Ge 禁带宽度 Eg 5.48 1.12 0.67 InAs TiO2(锐钛矿 锐钛矿) 锐钛矿 ZnO In2O3 SrTiO3 ZrO2 0.36 3.2 3.2 2.5 3.2 5.0
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5.2.4其他材料的导电性能 其他材料的导电性能
离子材料中的导电性往往需要通过离子的 迁移来实现， 迁移来实现，因为这类材料中的禁带宽度 较大，电子难以跃迁到导带。 较大，电子难以跃迁到导带。所以大多数 的离子材料是绝缘体。 的离子材料是绝缘体。如果在离子材料中 引入杂质或空位，能够促进离子的扩散， 引入杂质或空位，能够促进离子的扩散， 改善材料的导电性。当然， 改善材料的导电性。当然，高温也能促进 离子扩散，进而改善导电性。 离子扩散，进而改善导电性。
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电热合金的使用温度非常高。 电热合金的使用温度非常高。对于使用温度 为900~1350℃的电热合金，常用镍铬合金。 ℃的电热合金，常用镍铬合金。 当使用温度更高时， 当使用温度更高时，一般的电热合金不是会 发生熔化，就是会发生氧化。 发生熔化，就是会发生氧化。此时需要采用 陶瓷电热材料。 陶瓷电热材料。常见的陶瓷电热材料有碳化 ）、二硅化钼 ）、铬酸镧 硅（SiC）、二硅化钼（MoSi2）、铬酸镧 ）、二硅化钼（ 和二氧化锡（ （LaCrO3）和二氧化锡（SnO2）等。