3-2材料的导电性能(2)
2、首先填充能量最小的状态
举例，一个原子到N个原子的2s轨道变迁：
电子数量增加时能级扩展成能带
举例，一个原子到N个原子的2s轨道变迁：
• 当N个原子相互靠近形成一个固体时，泡利不相容原理仍然成 立，即在整个固体中，也只能有2个电子占据相同的2s能级。 • 当两个原子的距离足够近时，它们的2s轨道的电子就会相互 作用，以致不能再维持在相同的能级。
3.2.3 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，因为 这类材料中的禁带宽度较大，电子难以跃迁到导带。所以大 多数的离子材料是绝缘体。
如果在离子材料中引入杂质或空位，能够促进离子的扩散， 改善材料的导电性。当然，高温也能促进离子扩散，进而改 善导电性。
大多数的陶瓷和高分子材料的导电性都是很低的，只有Fra bibliotek数 特殊的除外。
绝缘体 不导电
激发前
激发后
常温下具有一定的导电性 导带中电 子数密度
n 1016 ~ 1019 / m 3
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Eg 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。而禁带宽度Eg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，价带上都排满了电子，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，并没有一个严格的禁带宽度数值以截然区别半导体和绝 缘体。
铝原子的电子结构： 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 1
Al 金属电子能带 3p 3s
1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 满电子能级
铝晶体的与之相应能带也是全满带
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
过渡族金属的电子结构
Cr 1s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 1 3d 5 2 2 6 2 6 25 2 5 1 s 2 s 2 p 3 s 3 p Mn 4 s 3d 2 2 6 2 6 26 1 s 2 s 2 p 3 s 3 p Fe 4 s 2 3d 6 2 2 6 2 6 27 Co 1s 2 s 2 p 3 s 3 p 4 s 2 3d 7 2 2 6 2 6 2 8 28 1 s 2 s 2 p 3 s 3 p 4 s 3d Ni 1 10 2 2 6 2 6 29 Cu 1s 2 s 2 p 3 s 3 p 4 s 3d
1s 2 2 s 2 2 p 6 : 满电子能级
钠晶体的与之相应能带也是全满带
3s1 :
与之相应能带是半满带
钠的能带结构：
能级分布取决于原子之间的距离
导带
禁带
钠的能带结构
•钠只有1个3s电子，在3s价带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，而3s价
带中能量较高的处于上方的能级很少有电子占据。
电阻材料的主要目的是给电路提供一定的电阻。作为精密 电阻材料的以铜镍合金为代表，如康铜（Cu-40%Ni1.5%Mn）。铜镍合金的电阻率随着成分的变化而连续变化， 在含镍为40wt%左右具有最大的电阻率、最小的温度系数、 最大的热电势。
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。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。此时需要采用陶瓷 电热材料。常见的陶瓷电热材料有碳化硅（SiC）、二硅化 钼（MoSi2）、铬酸镧（LaCrO3）和二氧化锡（SnO2）等。
24
从钪到镍的过渡族金属中，未被电子充满的3d能带和4s能带 发生重叠。这种重叠使得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
镁晶体的 3s 与 3p 能带存在交叠
能带重叠现象
Mg的能带结构
Mg的能带结构
• 镁原子的核外电子结构为1s22s22p63s2。像镁这样的周期 表ⅡA族元素的最外层3s轨道有2个电子，所以按理说它的 3s能带就会被电子全部占满。 • 但是，由于固体镁的3p能带与3s能带有重叠，这种重叠 使得电子能够激发到3s和3p的重叠能带里的高能级，所以 镁具有导电性。
第3章 导电物理
3.2 能带结构及导电材料
3.2.1 3.2.2 3.2.3
能带结构 导电材料与电阻材料 其他材料的导电性能
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
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，电导率也非常低。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。 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，二是开发本身就具有导电性的高分 子材料。 添加离子化合物可以减少高分子的电阻。这些离子会迁移到 高分子材料的表面而吸附潮气，进而消除静电。也可以通过 添加碳黑等导电性聚合物来减少高分子材料的静电。
键使能带结构发生比较复杂的变化，即杂化现象。
金刚石中碳的能带结构
金刚石中的碳原子的2s和2p能 级可以容纳8个电子，但实际 上只有4个电子可用。当碳原 子形成固体金刚石时，2s和2p 能级相互作用，形成如图的2 个杂化能带。 每个杂化能带都能容纳4N个电 子，但是由于一共只有4N个电 子，所以较低的杂化能带（价带）
充满了电子，而较高的杂化能带
（导带）则没有一个电子。
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，能够从价带跃迁到导带去。所以金 刚石的电导率很低。其他共价键和离子键材料也有类似的 杂化能带结构，导电性都像绝缘体一样。 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，氮化硼的室温的电导率为10-13Ω -1·cm-1，温 度升到800℃时则为10-4Ω -1·cm-1。
能级分裂的原因：电子波函数叠合、相互作用的结果
能级分裂： 从价电子到内层电子。 内层能级只有原子非常接 近时才发生分裂，即使分 成能带、能带也很窄
固体电子能带结构： 原子间处于平衡间 距时的能带结构
能 量 能带 禁带
形象电子图
孤立原子 的能级
能级 能级
能带
电子填充能带的原则：
平衡间距
原子间距
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
表2 一些材料的禁带宽度Eg（eV）
材料 C(金刚石) 禁带宽度Eg 5.48 InAs TiO2(锐钛矿) 0.36 3.2
Si
Ge Sn（灰锡）
1.12
0.67 0.08
ZnO
In2O3 SrTiO3
3.2
2.5 3.2
GaAs
1.35
ZrO2
5.0
总结：
导体、半导体和绝缘体的区别--能带角度解释
能带结构：
考察 N 个相同原子 组成的固体 ： 原子距离很大（无相互 作用、孤立原子）时： 每个原子的能级构造相同； 系统的能级相当于 N 度简 并的孤立原子能级。 原子相互靠近结合成晶体 （原子间有相互作用） ：
能带
禁带 能带
固体电子能带的形成
能 量 孤立原子 的能级
能级
能级
平衡间距
原子间距
电子除受自身原子的作用外，还受周围原子势场的作用 系统的电子 能态结构： N 度简并 的能级 N 个彼此相距很近的 能级，展宽为能带
常好。银和金的情况与铜类似。
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 最高能级： 被价电子占据的最高能级 上存在许多空能级
费米能级( Fermi level ), Ef 金属是良导体
极小的能量即可激发费米能级 附近的价电子成为自由电子
并非说有价电子都能参与导电、只有被激发到 费米能级以上的电子（自由电子）才能导电 金属中自由电子的数密度： ~ 10 22 / m 3
•当温度为绝对零度时，只有下面一半的能级被电子占据，上
面一半的能级没有电子占据。能带中有一半的能级被电子占据
的能级称为费密能级。而当温度大于绝对零度时，有一些电子 获得了能量，跳到价带里的较高能级，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。
图 ：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;
晶体按导电性能的高低可以分为
导体 半导体 绝缘体
它们的导电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。
27
金属、半导体和绝缘体的能带结构
3.2.2 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。对于像电力工业 这样的强电应用的导电材料，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、铝之外， 还常用金、银等。
（二）半导体和绝缘体的能带结构
导带
能带结构特征： 被电子填满的价带与未被电子 填充的空带（导带）间没有交 叠，价带和导带间被禁带隔开
Eg 禁带 价带 绝缘体
EC
导带 禁带 价带 半导体
EV
禁带宽度： E g E C EV
价带电子必须获得 E E g ，才能从价带被激发到导带、参与导电 绝缘体的禁带宽度： 常温下价电子几乎 不能被激发到导带 半导体的禁带宽度：
• 当固体中有N个原子，这N个原子的2s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2s轨道 的电子（这些电子共有2N个）。 • 2s轨道的N个分立的能级组合在一起，成为2s的能带。
材料的导电性能
材料性能
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第十章
材料的导电性能
§10.2电子导电机理 电子导电机理
二.量子自由电子理论
把量子力学的理论引入对金属电子状态的认识， 把量子力学的理论引入对金属电子状态的认识 ， 称之为 量子自由电子学说 ， 具体讲就是金属的费密 索末菲的自 费密—索末菲 量子自由电子 学说， 具体讲就是金属的 费密 索末菲 的自 学说 由电子理论。 该理论同意经典自由电子学说认为价电子是 由电子理论 。 该理论同意经典自由电子学说 认为价电子是 完全自由的， 完全自由的 ， 但量子自由电子学说认为自由电子的状态不 服从麦克斯韦—玻尔兹曼统计规律而是服从费密 狄拉克 服从麦克斯韦 玻尔兹曼统计规律而是服从费密—狄拉克 玻尔兹曼统计规律而是服从费密 Fermi-Dirac)的量子统计规律 的量子统计规律。 (Fermi-Dirac)的量子统计规律。故该理论利用薛定谔方程 求解自由电子的运动波函数， 计算自由电子的能量。 求解自由电子的运动波函数 ， 计算自由电子的能量 。 下面 较具体地介绍该理论应用量子力学观点， 较具体地介绍该理论应用量子力学观点 ， 得到的金属中电 子能量结构和状态的结果。 子能量结构和状态的结果。 材料性能 第十章 材料的导电性能
材料性能
第十章
材料的导电性能
§10.2电子导电机理 电子导电机理
第二节
电子导电机理
对固体电子能量结构、状态及其导电机理的认识， 对固体电子能量结构、状态及其导电机理的认识，开始于对金属电 子状态的认识。人们通常把这种认识大致分为三个阶段。 子状态的认识。人们通常把这种认识大致分为三个阶段。 自由电子学说， 最早是经典的自由电子学说 主要代表人物是德鲁特(Drude)和洛兹 最早是经典的自由电子学说，主要代表人物是德鲁特 和洛兹 (Lorentz) 。 第二阶段是把量子力学的理论引入对金属电子状态的认识， 第二阶段是把量子力学的理论引入对金属电子状态的认识，称之为 量子自由电子学说，具体讲就是金属的费密(Fermi) —索末菲 量子自由电子学说，具体讲就是金属的费密 索末菲 (Sommerfel)的自由电子理论。 的自由电子理论。 的自由电子理论 第三个阶段就是能带理论 能带理论。 第三个阶段就是能带理论。能带理论是在量子自由电子学说基础上 建立起来的，经过 多年的发展 多年的发展， 建立起来的，经过70多年的发展，成为解决导电问题的较好的近似理 半导体材料和器件发展的理论基础 发展的理论基础， 金属领域中可以 领域中可以半定量 论，是半导体材料和器件发展的理论基础，在金属领域中可以半定量 地解决问题。 地解决问题。
三氧化二铝 电导率
三氧化二铝电导率简介三氧化二铝（Aluminum oxide, Al2O3），又称为氧化铝或者氧矾石，是一种重要的无机化合物。
它由两个铝原子和三个氧原子组成，是一种具有高熔点和硬度的白色固体。
三氧化二铝具有许多重要的应用，其中之一是作为陶瓷材料，而它的电导率是决定其电子导电性的重要因素之一。
三氧化二铝的电导率三氧化二铝是一种绝缘性物质，即它在常规条件下不导电。
这是因为固体中没有自由可移动的电子或离子。
然而，在某些特定的情况下，三氧化二铝可以表现出较高的电导率。
这种电导率主要来源于其特殊的结构和掺杂。
结构特点三氧化二铝的晶体结构是六方密堆积结构。
这种结构中，铝原子占据六角柱的底面中心，而氧原子则位于六角柱的侧面中心。
这种结构让三氧化二铝具有高密度和高硬度。
控制电导率的因素虽然纯三氧化二铝是绝缘体，但掺杂或添加其他元素可以改变其电导率。
以下是一些影响三氧化二铝电导率的因素：1.◆杂质掺杂 - 控制掺杂剂类型和浓度可以改变三氧化二铝的电导率。
通常，掺杂有含有可移动的电荷载体，如活性金属或金属氧化物的杂质会增加其导电性。
2.◆氧空位 - 氧空位是指晶格中缺失的氧原子。
氧空位的存在会增加三氧化二铝的电导率，因为它提供了电子或离子的运动路径。
3.◆界面效应 - 三氧化二铝与其他材料的界面也可以影响其电导率。
在电子传输过程中，界面能够改变电子的能带结构和运动性能，从而影响电导率。
应用由于三氧化二铝的低电导率，它在电子器件中主要用作电绝缘层。
在集成电路中，三氧化二铝通常用作介电层，以隔离电子元件之间的导线。
它的高绝缘性能使得电流不会跨越绝缘层而导致电路短路或漏电。
此外，三氧化二铝还用于制造电容器的绝缘层，以及光学和电子器件中的保护涂层。
除了作为绝缘材料，三氧化二铝还具有一些特殊的导电性能，使其在其他领域得到应用。
例如，掺杂三氧化二铝可以用作催化剂支撑体，以促进化学反应。
此外，它还可以用于制备高温超导体、气敏传感器、电解电池等。
材料的导电性能
36
5.2.3 导电材料与电阻材料
电阻测试方法
1. 二探针法 R = Rsample + Rcontact R = V/I r = (RA)/L 特征：适用于高导电率材料
37
L A
V
Ohmeter
I
5.2.3 导电材料与电阻材料
电阻测试方法
L 2. 四探针法 I = V1/R1 A
I
V2 R1 V1
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
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Eg 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。而禁带 宽度Eg稍大一点的锗和硅成了典型的半导体。
28
表5.2一些材料的禁带宽度Eg（eV）
材料
C(金刚石)
禁带宽度 Eg 5.48 1.12 0.67
InAs
TiO2(锐钛矿) ZnO In2O3 SrTiO3 ZrO2
2-3_金属材料的导电性
系电速义 数阻度： 。合来降
金获低
，取电
降高阻
低温率
电度随
阻稳温
率定度
温性上
温度对金属导电性的影响
热振动及格波图象
思考：温度如何影响非晶 态合金的导电性？
• 原子振动通过原子结合力传播， 形成格波，又叫声子（phonon)
• 温度升高，原子振动加剧。声子 数量增多（可以定量计算）
•声子的存在减小导电电子自由 程，使电阻率升高
?传导电子始终处于晶体的周期性势场中运动?晶体中原子的周期排列使得晶格势场具有周期性相邻中心之间的平均相邻中心之间的平均相邻中心之间的平均相邻中心之间的平均距离就是平均自由程距离就是平均自由程距离就是平均自由程距离就是平均自由程导电电子的运动环境类似于运动员的跨栏运动栏间距栏高度的变化栏间距栏高度的变化栏间距栏高度的变化栏间距栏高度的变化栏的绝对高度栏的绝对高度不是所有离子实都干扰导电电子的运动固体材料中周期性晶格势场固体材料中周期性晶格势场固体材料中周期性晶格势场固体材料中周期性晶格势场的不规则点构成传导电子移的不规则点构成传导电子移的不规则点构成传导电子移的不规则点构成传导电子移动的障碍是碰撞中心或者动的障碍是碰撞中心或者动的障碍是碰撞中心或者动的障碍是碰撞中心或者散射中心散射中心散射中心散射中心固体材料中的晶格势场固体材料中的晶格势场一维晶体中离子实的库仑势场的变化曲线源于固体材料中的离子实与电子之间的库仑作用势能源于固体材料中的离子实与电子之间的库仑作用势能单个离子实的库仑势场在一个方向上随位置的变化曲线晶体中离子实的周期排列产生周期性晶格库仑势场金属导电性金属导电性与晶体缺陷的关系与晶体缺陷的关系零维缺陷三维缺陷理想晶体结构一维缺陷二维缺陷晶体缺陷局部破坏晶格势场晶体缺陷局部破坏晶格势场晶体缺陷局部破坏晶格势场晶体缺陷局部破坏晶格势场周期性对传导电子的运动周期性对传导电子的运动周期性对传导电子的运动周期性对传导电子的运动产生阻碍作用导致晶态金产生阻碍作用导致晶态金产生阻碍作用导致晶态金产生阻碍作用导致晶态金属的导电性降低属的导电性降低属的导电性降低属的导电性降低fe中加入少量ag导电性如何变
材料物理：第二章 材料的导电性
3、热性能 4、耐腐蚀和耐气候性能 5、阻燃性能
6）晶粒度
晶粒尺寸减小到一定程度后， 能级发生改变。导电性能下 降。而升温可以激发电子的 跃迁，反而增加了导电性能。
材料的导电性
目录
1、材料的能带结构 2、金属中的电阻 3、影响导电性的因素
1、材料的能带结构
能带理论可以看成 是多原子分子轨道 理论的极限情况， 由分子轨道的基本 原理可以推知，随 着参与组合的原子 轨道数目的增多， 能级间隔减小， 能 级过渡到能带。
对轨道数量进行统计，得到轨道密度图（态密度图）
反常金属元素
电阻率随压力升高到一定值后下降，即电阻率有极大值， 如碱金属、碱土金属、稀土金属和第Ⅴ族的半金属等。
与压力作用下的相变有关
2）受力情况
应力敏感材料的应用
2）受力情况
斜拉桥上的斜拉绳应变测试
3）冷加工
冷加工使金属的电阻率增大。这是由于冷塑性变形使晶体 点阵畸变和晶体缺陷增加，特别是空位浓度的增加，造成点 阵电场的不均匀而加剧对电磁波散射的结果。此外，冷塑性 变形使原子间距有所改变，也会对电阻率产生一定影响。
硅
铝 用能带结构来理解材料的塑性变形能力
材料的所有性能（力学、电学、光学…） 都取决于原子和电子的空间排布：
•如果外界条件打破了原子排列的平衡状态，就会有位错， 晶界，裂纹
•如果外界条件打破了电子排列的平衡状态，就会导电、 发光、化学键断裂等现象。
……
要除开核物理性能，因为核物理性能，和 中子、质子的排列相关
1、材料的能带结构
对轨道数量进行统计，得到轨道密度图（态密度图）
1、材料的能带结构
－3π/a －2π/a －π/a
0 π/a
2π/a 3π/a
三氧化二铝电阻率
三氧化二铝电阻率三氧化二铝（Aluminum Oxide，简称Al2O3）是一种常见的无机化合物，具有高熔点、高硬度、高绝缘性和优异的耐化学性能。
它在工业和科研领域中有着广泛的应用，其中包括作为电子元件的绝缘材料。
本文将从三氧化二铝的电阻率角度，探讨其特性和应用。
三氧化二铝具有较高的电阻率。
电阻率是材料电阻性能的一个重要指标，用于描述材料对电流的阻碍程度。
三氧化二铝的电阻率通常在10^12到10^16 Ω·cm之间，这使得它成为一种优秀的绝缘材料。
在电子元件中，三氧化二铝常用作绝缘层，用于隔离不同电路之间以及引线与电路板之间的电流，以防止短路和电流泄漏。
同时，三氧化二铝的高电阻率也使其成为一种理想的电介质材料，可用于制备电容器和绝缘体。
三氧化二铝的电阻率受温度和杂质掺杂的影响。
一般来说，电阻率随着温度的升高而降低。
这是因为温度升高会导致材料中原子和分子的振动增强，电子与晶格的相互作用增强，电阻增加。
此外，杂质的存在也会影响三氧化二铝的电阻率。
例如，当三氧化二铝中掺杂少量的铁、铜等金属离子时，会引入额外的电子，从而增加了材料的导电性，降低了电阻率。
因此，在制备三氧化二铝电子元件时，需要控制材料的纯度和加工温度，以保持其良好的电绝缘性能。
三氧化二铝的电阻率还与其晶体结构和晶界特性密切相关。
三氧化二铝存在多种晶体结构，包括α-Al2O3（立方体）、β-Al2O3（六方体）和γ-Al2O3（单斜体）等。
这些不同的晶体结构对电子的运动和排列方式产生影响，从而影响了材料的电导性和电阻率。
基于三氧化二铝的高电阻率特性，它在电子工业中有着广泛的应用。
例如，在集成电路制备中，三氧化二铝常用作金属导线和硅基质之间的绝缘层，起到隔离电流的作用。
此外，三氧化二铝还可以用于制备电容器、电阻器和传感器等元件，以及高压绝缘设备和电子封装材料。
由于三氧化二铝具有优异的耐高温性能和化学稳定性，因此在航空航天、能源、光电子等领域也有着重要的应用前景。
材料性能学第十章--材料的电学性能
+4
+4
+4
+4
电子和空穴在外电场的作用下都将作 定向运动，这种作定向运动电子和空 穴（载流子）参与导电，形成本征半 导体中的电流。
当温度升高时，有更多的电子能够跳到下一个能带去。这有两个结果：在上面的导带 中少数电子所起的作用和它们在金属中所起的作用相同；而价带中留下的空态即空穴 起着类似的作用，不过它们好象是正的电子，因此，它们有来自导带中的激发电子和 来自价带中的空穴的导电性；温度升高时，由于有更多的电子被激发到导带， 所以 电导率随温度而迅速增加。
第一节 导电性能
量子力学证明，对于一个绝对纯的理想的完整晶体，0 K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。
二、导电机理
1、金属及半导体的导电机理
第一节 导电性能
实际金属内部存在着缺陷和杂质。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，对电磁波造成散射，这是金属 产生电阻的原因。由此导出的电导率为：
合金为：
10-7－
-5 10 Ω.m
半导体材料：ρ=10-2-109Ω.m
绝缘体材料：ρ＞1010Ω.m
各种材料在室温的电导率
金属和合金
-1 -1 (Ω .m )
银 铜，工业纯 金 铝, 工业纯 Al-1.2%,Mn 合金 钠 钨， 工业纯 黄铜（70%Cu-30%Zn 镍,工业纯 纯铁,工业纯 钛,工业纯 不锈钢，301型 镍铬合金 (80%Ni-20%Cr）
第一节 导电性能
一、电阻与导电的基本概念
欧姆定律：当在材料的两端施加电压时，材料 中有电流流过
电阻与材料的性质有关，还与材料的长度 及截面积有关
电阻率只与材料本性有关，而与导体的几何 尺寸是无关，作为评定导电性的基本参数
材料的导电性质
金属最大电阻率
max~500cm
可以看到上述三种不同的判断在量级上 是一致的
莫特判据有一个重要的推论,即:绝缘体和金属态之间在特定条 件下可以相互转换
§3.2 导体电阻率
电阻率源于传导电子的散射,固体因缺陷、杂质、晶格振动、库仑作用等，往往存在着多种散 射机制
在多种散射机制存在下,总的散射几率是:
k
利用半导体在温度升高、受光照射等条件下的 导电性能大大增强的特性,可研制出诸如热敏 电阻、光敏电阻等器件。
空带
h
满带
3、按阻温系数分类
(T)
导体
d0 还 是d0?
dT
dT
绝缘体或半导体
Resistivity
金属 绝缘体
0
Temperature
4、按电阻率分类
Mooij判据
固体电阻率变化范围
niqii i
j niqivi
i
i表示第i种载流子
三、材料基本导电类型
电子导电（包括空穴导电、极化子导电）
离子导电（包括空位导电）
离子导电指输运电荷中的载流子是离子 电解质溶液(如KCl溶液)的导电就是离子导电
具有离子导电性的固态物质常被称为固体电解质 这些物质或因其晶体中的点缺陷或因其特殊结构而为离子提供快速迁移的通道,在某些 温度下具有高的电导率(1～106西门子/厘米)，故又称为快离子导体。
max~200cm
大量的实验数据分析表明,对电阻率大于80100cm时，
不再保持,这和上面根据阻温系数给出的经验判断在量级
d/dT 0 上是相一致的
5、莫特判据
n 为载流子的临界密度, a 为局 域c电子中心的特征轨道半径H
nc1/3aH~0.250.38
材料的导电性和导电材料
材料的导电性和导电材料材料的导电性是指物质对电流的导电能力，而导电材料则是能够有效传递电流的物质。
在现代科技发展的背景下，导电性和导电材料在电子技术、能源科学以及材料科学领域具有重要的应用和研究价值。
本文将从材料的导电性机制以及常见的导电材料两个方面展开讨论。
一、材料的导电性机制材料的导电性主要是由材料内部的电荷输运机制决定的。
根据材料内部电荷的输运方式不同，导电性可分为金属导电和半导体导电两种类型。
1. 金属导电金属导电主要是由于金属材料中自由电子的存在。
在金属中，金属原子的电子外层的原子轨道部分被“束缚”关住，形成价带；而电子外层的自由电子则呈现出一种“流动”状态，构成导体的导带。
当电场作用于金属材料时，自由电子在电场力的驱动下开始运动，形成电流。
2. 半导体导电半导体导电则是因为半导体材料的导带结构与金属不同。
在半导体中，导带与价带之间存在能带隙，即能量差。
当外部施加电场或接受能量激发时，电子可以突破能带间的能量差，从价带跃迁到导带，形成载流子，进而导致电流的传递。
二、常见的导电材料1. 金属材料金属材料是最常见的导电材料之一，具有良好的导电性能。
铜、银、铝等金属都属于优良导体，被广泛应用于电线、电路等电子元件的制造。
金属的导电性能好，是由于金属结构中自由电子的存在。
2. 半导体材料半导体材料导电性能介于导体和绝缘体之间。
硅和锗是最常见的半导体材料，具有广泛的应用前景。
半导体材料的导电性可以通过控制材料的掺杂来改变。
P型半导体和N型半导体的结合可以形成PN结，通过施加电场或外界激发，控制电子在导带和价带之间的跃迁，实现对电流的控制。
3. 导电聚合物近年来，导电聚合物也成为研究热点。
导电聚合物是一种特殊的有机材料，具有高导电性和可塑性，可以制备成薄膜、纤维等形式。
常见的导电聚合物有聚对苯二甲酸乙二酯（PEDOT）和聚噻吩（PTh）等。
导电聚合物被广泛应用于柔性电子、聚合物太阳能电池等领域。
除了以上提到的常见导电材料外，还存在着许多特殊的导电材料，如碳纳米管、石墨烯等。
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。