'

Электропроводность твердых тел

Понравилась презентация – покажи это...





Слайд 0

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 1 Электропроводность твердых тел


Слайд 1

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 2 1. Классификация твердых тел по электропроводности R = ?(l / S); ? = 1 / ?. По электропроводности ? все твердые тела можно разделить на три большие группы: металлы 106?108 (Ом ? м)–1 , полупроводники 10–8?106 (Ом ? м)–1 , диэлектрики < 10–8 (Ом ? м)–1 . Огромное влияние на величину электропроводности оказывают примеси и дефекты в материале. Удельная электропроводность полупроводника CdS в зависимости от содержания примесей и дефектов может иметь значение, лежащее в интервале 10–10?105 (Ом ? м)–1.


Слайд 2

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 3 2. Температурная зависимость электропроводности Различие между металлами, с одной стороны, и диэлектриками и полупроводниками – с другой, достаточно четко проявляется в ходе температурных зависимостей электропроводности. В некотором интервале температур температурная зависимость электропроводности диэлектриков и полупроводников может быть описана выражением вида ? = ?0exp(–Ea/kBT), Ea/kBT >> 1, где ?0 – константа; Ea – энергия активации переноса заряда; т. е. ? возрастает по экспоненциальному закону с ростом температуры. В металлах, наоборот, удельная электропроводность уменьшается с ростом температуры: ? = ?0[1 + ?T(T – 273) ] . При температурах, близких к 0 К, электропроводность многих металлов перестает изменяться и стремится к конечному значению, а у некоторых металлов возникает сверхпроводящее состояние. У диэлектриков и полупроводников электропроводность при Т ? 0 обращается в нуль.


Слайд 3

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 4 3. Заполнение энергетических зон электронами При сближении и взаимодействии N атомов энергетические уровни электронов изменяются. Эти изменения тем больше, чем дальше от ядра находится электрон. Наибольшие изменения касаются энергии валентных электронов: происходит расщепление каждого энергетического уровня валентного электрона на N уровней. Энергетические зоны могут перекрываться. В кристалле есть зоны разрешенных и зоны запрещенных энергий электрона. С увеличением энергии запрещенные зоны сужаются, а разрешенные расширяются. Схема расщепления энергетических уровней в энергетические зоны при сближении атомов


Слайд 4

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 5 3.1. Металлы В соответствии с принципом Паули при ограниченном числе электронов, заполненными окажутся лишь несколько наиболее низких энергетических зон. Все остальные зоны будут пусты (свободные зоны). Наполовину заполненной валентной зоне при Т = 0 К соответствуют наполовину заполненные s-орбитали атомов, например, в Na (рис. слева). Внешние s-электроны полностью заполняют валентную зону, которая перекрывается со следующей, образованной p-орбиталями этого же уровня, например, в Mg (рис. справа).


Слайд 5

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 6 3.2. Диэлектрики Валентная зона заполнена полностью и отделена от следующей за ней свободной зоны широкой (Eg > 2?3 эВ) запрещенной зоной – энергетической щелью. Внешнее электрическое поле не создает электрического тока, так как электроны заполненной зоны не могут перейти в свободную. Такие вещества являются диэлектриками.


Слайд 6

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 7 3.3. Полупроводники Если валентная зона полностью заполнена и ширина запрещенной зоны Eg < < 2?3 эВ, то такие вещества называются полупроводниками. В полупроводниках за счет тепловой энергии kBT заметное число электронов оказывается переброшенным в свободную зону (зону проводимости). При наложении внешнего электрического поля возникает электрический ток, который много слабее, чем в металлах, из-за низкой концентрации носителей заряда. При очень низких температурах любой полупроводник становится диэлектриком. Между металлами и диэлектриками существует качественное различие, а между диэлектриками и полупроводниками – лишь количественное.


Слайд 7

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 8 4. Электропроводность в металлах i = envd, где e – заряд электрона; n – концентрация электронов; vd – дрейфовая скорость электрона. Дрейфовая скорость пропорциональна напряженности электрического поля E, где коэффициент пропорциональности ? называется подвижностью: vd = ?E. Закон Ома может быть записан как i = gE, ? = en?. Уровень, который отделяет полностью заполненные уровни от полностью незаполненных, называется уровнем Ферми (энергией Ферми) EF. С физической точки зрения уровень Ферми – это электрохимический потенциал носителя электрического заряда, в данном случае электрона. Электрохимический потенциал равен сумме электрического и химического потенциалов. В металлах уровень Ферми расположен в разрешенной зоне. В этом случае концентрация электронов n практически не зависит от температуры и температурная зависимость ? определяется температурной зависимостью ?.


Слайд 8

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 9 4.1. Влияние температуры Электроны в твердом теле движутся не беспрепятственно, они рассеиваются. Рассеивание будет происходить в том случае, если расстояние между рассеивающими центрами по величине соизмеримо с длиной волны электронов. Электроны рассеиваются на тепловых колебаниях и дефектах кристаллической решетки. Коллективные колебания атомов в кристалле представляют собой звуковые волны, а соответствующие им возбуждения – кванты звука, или фононы. При стремлении температуры к абсолютному нулю в идеальном кристалле число фононов будет стремиться к нулю и удельное электросопротивление также будет стремиться к нулю. При низких температурах подвижность определяется рассеянием электронов на дефектах, в основном на точечных (в первую очередь на атомах примеси), так как длина волны электрона в металле ~10–10 м = 0,1 нм. При высоких температурах доминирует рассеяние электронов на фононах. <nph> ~ T ? ? ~ 1/T ? ? ~ T.


Слайд 9

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 10 4.2. Влияние твердого раствора Изменение удельного электросопротивления в результате легирования с образованием твердого раствора можно приблизительно выразить соотношением ?x = ?xx(1 – x), или для разбавленных растворов ?x = ?xx, где x – молярная доля растворенного элемента; ?x – примесный коэффициент электросопротивления, который возрастает в случае большой разницы между размерами и валентностями атомов растворимого элемента и растворителя. Согласно правилу Матиссена–Флеминга электросопротивление слабоконцентрированного твердого раствора выразится следующим образом: ? = ?1 + ?x, где ?1 – электросопротивление растворителя (матрицы). d? / dT = ?T?0 + ?Tx?x0. Влияние примеси на ?Cu.


Слайд 10

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 11 4.3. Влияние упорядочения Упорядочение твердого раствора (образование сверхструктур) приводит к уменьшению ?. В упорядоченной структуре резко возрастает средняя длина свободного пробега электрона. Синяя кривая – сплав AuCu3 после закалки (неупорядоченный); красная – сплав AuCu3 после отжига (упорядоченный).


Слайд 11

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 12 4.4. Влияние наклепа Наклеп – изменение структуры и свойств металлического материала в результате пластической деформации. В результате наклепа происходит искажение кристаллической решетки и возникают дефекты, которые приводят к дополнительному рассеянию электронов. Если дополнительное (остаточное) сопротивление наклепа обозначить как ?h, то выражение для ? можно переписать так: ? = ?1 + ?x + ?h. ?h не зависит от температуры, т.е. d? / dT не зависит от степени деформации. Когда исчезает наклеп, например, при высоких температурах, то исчезает и слагаемое ?h.


Слайд 12

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 13 4.5. Влияние термообработки Увеличение размера зерна приводит к уменьшению ?, что связано с уменьшением площади межзеренных границ. Закалка, фиксируя высокотемпературное (обычно более дефектное) состояние, приводит к возрастанию электросопротивления. Отжиг, снимающий наклеп, и отжиг, увеличивающий зерно, должны приводить к уменьшению сопротивления и т.п. Для ряда сплавов, характеризующихся внутрикристаллической неоднородностью твердого раствора, обнаруживается падение электросопротивления с ростом деформации (соответственно ? возрастет при отжиге и отпуске). Это характерно, например, для медно-никелевых, железоникелевых и никель-хромовых сплавов


Слайд 13

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 14 4.6. Влияние химических соединений Сопротивление химического соединения выше, чем составляющих его элементов. Это связано с тем, что в результате химического взаимодействия (образование ковалентных или ионных связей) уменьшается число свободных электронов – носителей тока в металле. В результате химического взаимодействия металлическая проводимость вообще может исчезнуть. Влияние электронных соединений и фаз внедрения на электропроводность иногда схоже с влиянием химического соединения, т.е. приводит к уменьшению проводимости, но возможна и противоположная картина, когда проводимость возрастает.


Слайд 14

29.12.2015 А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 15 4.7. Электросопротивление гетерогенных металлических сплавов Большое влияние оказывает в данном случае размер зерна, а следовательно, дисперсность, а также различия в структурах фаз. Однако если влиянием данных факторов пренебречь, то для отожженного нетекстурированного крупнозернистого сплава с небольшой разницей в проводимости компонентов характерна линейная зависимость электропроводности от объемной концентрации. Влияние размера зерна особенно существенно при такой дисперсности зерен, когда размеры зерен одной из фаз (например, включений) соизмеримы с длиной волны электрона (~0,1?1 нм). При этом происходит значительное рассеяние электронов, а следовательно, и резкое повышение сопротивления (примерно на 10?15 %). Изменение взаимного расположения структурных составляющих в результате наклепа и последующего отжига может приводить к уменьшению электросопротивления.


×

HTML:





Ссылка: