《无机材料物理性能》课程教学讲义（Physics Properties of Materials）材料导电性（1/6）

材料的导电性 1.导电性基本概念和宏观参数 2.电子导电：金属 3.电子导电：半导体 4.离子导电 主要参考资料： 《材料物理性能》田莳，北京航空航天大学出版社，2004 Solid State Physics)Ashcroft Mermin,Cengage Learning,1st edition,1976 课件将在每次课后上传至：https:lww.bb.ustc.edu.cnl

材料的导电性 1 1. 导电性基本概念和宏观参数 2. 电子导电：金属 3. 电子导电：半导体 4. 离子导电 主要参考资料： 《材料物理性能》 田莳， 北京航空航天大学出版社，2004 《Solid State Physics》 Ashcroft & Mermin, Cengage Learning, 1st edition, 1976 课件将在每次课后上传至：https://www.bb.ustc.edu.cn/

1.导电性基本概念和宏观参数 基本概念 >如果一个物体允许其内部的电荷发生远程迁移， 那么它就具备导电性； >具备导电性的物体中携带电荷发生远程迁移的微 观粒子称为“载流子”； >根据载流子的不同，导体分为以下三类： ·电子导体，以电子作为载流子导电； 离子导体，以离子作为载流子导电； ·混合导体，电子和离子同时作为载流子

1.导电性基本概念和宏观参数 3 ➢ 如果一个物体允许其内部的电荷发生远程迁移， 那么它就具备导电性； ➢ 具备导电性的物体中携带电荷发生远程迁移的微 观粒子称为“载流子”； ➢ 根据载流子的不同，导体分为以下三类： • 电子导体，以电子作为载流子导电； • 离子导体，以离子作为载流子导电； • 混合导体，电子和离子同时作为载流子。 基本概念

1.导电性基本概念和宏观参数 宏观参数 1.电导率与电阻率 导电：在材料两端施加电压V时，材料中有电流通过，这 种现象称为“导电”。 旷=LE 欧姆定律： V I-Sj 电场E (均匀导体) I= 电流密度) R L R- 图5.1欧姆定律示意图

1.导电性基本概念和宏观参数 4 宏观参数 1. 电导率与电阻率 导电：在材料两端施加电压V时，材料中有电流I通过，这 种现象称为“导电”。 欧姆定律： （均匀导体） R V I = S L R = 

1.导电性基本概念和宏观参数 J：电流密度A/cm2 假设电流均匀：I=S/ S:横截面积cm2 E:电场强度V/cm 假设电场强度均匀：V=LE L:长度cm 0 LE SJ R 1 R=P E=E p:电阻率 RS o: 电导率

1.导电性基本概念和宏观参数 5 I = SJ J ：电流密度 A/cm2 S：横截面积 cm 假设电流均匀： 2 假设电场强度均匀： V = LE E ：电场强度 V/cm L：长度 cm R LE SJ = E E E RS L J   = = = 1 S L R =  : 电阻率 : 电导率

1.导电性基本概念和宏观参数 1 电阻率单位：2cm 电导率单位：21cml=Scml 乔治·西蒙·欧姆 维尔纳冯西门子 1787-1845年 1816一1892年

1.导电性基本概念和宏观参数 6 电导率单位： -1 cm-1 = S cm-1 𝜌 = 1 𝜎 电阻率单位： cm 乔治  西蒙  欧姆 1787—1845年 维尔纳·冯·西门子 1816—1892年

1.导电性基本概念和宏观参数 电阻不仅与材料本性有关，而且与导体的几何形状有关，电阻率p 或电导率σ是材料的内在属性，与其几何形状、大小等“广度性质” 无关。 根据导电机理的不同，电子导体分为： >导体：o>10S·cm1 >半导体：108S·cm1快离子导体：o>105S·cm1 >一般离子导体：10-5S·cm1<o<105S·cm1 电导率/电阻率这一性质的特殊性： 大部分时候，只有数量级的不同才值得比较

1.导电性基本概念和宏观参数 7 根据导电机理的不同，电子导体分为： ➢ 导体：  > 10 S·cm-1 ➢ 半导体：10-8 S·cm-1 10-5 S·cm-1 ➢ 一般离子导体：10-15 S·cm-1 <  < 10-5 S·cm-1

1.导电性基本概念和宏观参数 材料的电导率可以表述成如下形式 0T=0e+0i o7一材料总电导率 Oe- 电子贡献的电导率 σ，一离子贡献的电导率 由此可以用不同载流子的迁移数表示其各自对电导率的贡献： tx=Ox,x=i,e OT 显然，∑xtx=te+t=1 >电子导体：t。=1,t=0 >离子导体：t。=0,t=1 >混合导体：t。≠0，t,≠0 注意：更进一步，σ可以看做由电子电导和空穴电导共同组成，¤，由不同离子 的电导率组成，因此如有必要，以上关系式可以进一步细化

1.导电性基本概念和宏观参数 8 材料的电导率可以表述成如下形式 𝜎𝑇 = 𝜎𝑒 + 𝜎𝑖 T ⎯ 材料总电导率 e ⎯ 电子贡献的电导率 i ⎯ 离子贡献的电导率 由此可以用不同载流子的迁移数表示其各自对电导率的贡献： 𝑡𝑋 = 𝜎𝑋 𝜎𝑇 , 𝑋 = 𝑖, 𝑒 显然，σ𝑋 𝑡𝑋 = 𝑡𝑒 + 𝑡𝑖 = 1 注意：更进一步，e可以看做由电子电导和空穴电导共同组成，i由不同离子 的电导率组成，因此如有必要，以上关系式可以进一步细化。 ➢ 电子导体：te = 1, t i = 0 ➢ 离子导体：te = 0, t i = 1 ➢ 混合导体：t e  0, t i  0

1.导电性基本概念和宏观参数 同一种材料的是何种导体，可以随温度发生巨大变化 化合物 温度/C h NaCl 400 100 000 600 095 005 KCI 435 096 004 600 088 012 KC1+0 02%CaCL 430 099 001 600 099 001 AgCl 20×350 100 AgBr 20~300 100 BaF2 500 100 PbF2 200 100 CuCl 20 000 100 366 1.00 000 Zr02+7%Ca0 >700 0 100 104 Na20·11Al2O3 <800 100(Na) <106 FeO 800 10-4 100 Zr02+18%Ce01 1500 052 048 Zr02+50%Ce02 1500 015 085 Na0·Ca0·SiO 1.00(Na) 15%(Fe0·Fe2O3)·Ca0·SiO2·AlO 1500 01(ca2+) 09

1.导电性基本概念和宏观参数 9 同一种材料的是何种导体，可以随温度发生巨大变化

1.导电性基本概念和宏观参数 2.体电阻与体电阻率 总电流：I=Iy+Is 体电流 表面电流 0 体电阻： Ry=V/IxR,反映材料的导电能力 表面电阻： Rs=V/Is R。与表面环境有关，不反映材 料的导电能力（对体材料） 1 1 R Rs 10

1.导电性基本概念和宏观参数 10 2.体电阻与体电阻率 V S I = I + I 体电流 表面电流 体电阻： 表面电阻： V V R =V / I S S R = V / I R RV RS 1 1 1 = + 总电流： RV 反映材料的导电能力 Rs 与表面环境有关，不反映材 料的导电能力 （对体材料）

1.导电性基本概念和宏观参数 物体导电现象的微观本质：载流子在电场作用 下的定向迁移。 S=Icm 单位体积内的载流子数为n（cm3) 每一载流子的荷电量为g(C) 每一载流子在电场方向的平均速度 为v(cm/s) 单位时间通过单位面积S的电荷量，即电流密度： J=ngv E J=E= 11

1.导电性基本概念和宏观参数 11 物体导电现象的微观本质：载流子在电场作用 下的定向迁移。 单位体积内的载流子数为 n（cm-3） 每一载流子的荷电量为q (C) 每一载流子在电场方向的平均速度 为v（cm/s） 单位时间通过单位面积S的电荷量，即电流密度： J = nqv   E J = E =  = J / E = nqv / E