材料物理性能.ppt

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1、材料物理性能2005年2月一、課程講授內(nèi)容---講授內(nèi)容共四章---電學(xué)性能磁學(xué)性能光學(xué)性能熱學(xué)性能以課堂為主以講義為本電磁光熱總成績(jī)考試作業(yè)課程實(shí)驗(yàn)課堂提問重要講義、筆記、課件、討論紀(jì)律、上課5～10％80～85％實(shí)驗(yàn)、報(bào)告、10%總成績(jī)結(jié)構(gòu)圖“材料物理性能”通常討論物理效應(yīng)在材料領(lǐng)域得到應(yīng)用或有潛在應(yīng)用前景的那部分性能，它們與物質(zhì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解。現(xiàn)已知道，材料的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、以至生物學(xué)的性能，都是由物質(zhì)不同層次的結(jié)構(gòu)所決定的。引言：材料物理性能課程1、電子的波粒二象性19世紀(jì)末葉人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，光是一種電磁波，

2、這種波服從麥克斯威方程。波動(dòng)學(xué)說解釋了光傳播中的偏振、干涉和衍射現(xiàn)象，但卻不能解釋光電效應(yīng)。這使人們又想到，光仍然有粒子的性質(zhì)。2、薛定鄂方程即為描述一維空間自由運(yùn)動(dòng)粒子德布羅意波(物質(zhì)波)的方程物理數(shù)學(xué)基礎(chǔ)3、核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)4、原子的殼層結(jié)構(gòu)與元素周期律從理論上推導(dǎo)出歐姆定律從理論上推導(dǎo)出焦耳—楞次定律5、經(jīng)典自由電子論6、自由電子費(fèi)米氣體7、合金相與能帶結(jié)構(gòu)隨著合金化學(xué)成分的變化．相組成也將發(fā)生變化。有一類稱為“電子化合物”的(1)當(dāng)合金中的濃度低于其溶解度(35％)時(shí)，合金保持面心立方的Cu基固溶體(單相)(2)當(dāng)助的濃度高于35％時(shí)，在。星體上

3、出現(xiàn)CsCl體心立方結(jié)構(gòu)的9相，并在Zn濃度達(dá)到50％區(qū)域內(nèi)成為單相(3）當(dāng)Zn濃度超過50％時(shí)，出現(xiàn)復(fù)雜立方的相，并在Zn濃度達(dá)到62％時(shí)形成單相。晶胞含有52個(gè)原子，是一個(gè)復(fù)雜的立方結(jié)構(gòu)(4)Zn的濃度繼續(xù)增高，超過溶解度時(shí)，出現(xiàn)密排六方相。單相區(qū)在80％Zn。最終才出現(xiàn)密排六方的Zn基固溶體。第1章電學(xué)性能1.1概述幾乎沒有一門學(xué)科的成就能像電磁學(xué)那樣具有如此深遠(yuǎn)和廣泛的影響。電能的開發(fā)與電信的進(jìn)展深入到社會(huì)生產(chǎn)和家庭生活的各個(gè)角落，影響著我們的整個(gè)生活方式，“電氣化”曾被作為一個(gè)社會(huì)物質(zhì)文明的重要指標(biāo)。從大功率的發(fā)電機(jī)、變壓器、幾千公里的電能輸送到

4、微電子線路的各種元件，都在應(yīng)用著材料的不同電學(xué)性能。眾所周知，除了電介質(zhì)以外，材料在電場(chǎng)中的行為由歐姆定律用正比的關(guān)系把試樣兩端的電勢(shì)差U和沿試樣流動(dòng)的電流強(qiáng)度I聯(lián)系起來，其比例常數(shù)R表示試樣的特性(電阻)，寫成：U=RI(2—1)R與試祥的長(zhǎng)度l成正比，與試樣的截面積S成反比，由此引出了只與材料性質(zhì)有關(guān)的物理常數(shù)電阻率。當(dāng)原于量增加時(shí)，非金屬特性為金屬特性所代替。半導(dǎo)體已經(jīng)滲透到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)著許多新技術(shù)的飛躍發(fā)展。有些材料不但其電學(xué)性能引人注目，而且還具有許多重要的光學(xué)性能和磁學(xué)性能。它們?cè)诮夹g(shù)中占據(jù)著重要的地位。各種材料導(dǎo)電性的比較表明

5、，像石英、金剮石這些絕緣體的電阻比任何導(dǎo)體的電阻要大1022倍。我們要問，不同材科在導(dǎo)電方面有如此明顯的差別究竟原因何在?2．2導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶2．3金屬的導(dǎo)電性(1)金屬導(dǎo)電機(jī)制2．31金屬導(dǎo)電機(jī)制與馬基申定則(2)馬基申定則理想金屬的電阻對(duì)應(yīng)著兩種散射機(jī)制(聲子散射和電子散射)，可以看成為基本電阻。電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射，在有缺陷的晶體中可以觀察到，是絕對(duì)零度下金屬殘余電阻的實(shí)質(zhì)。這個(gè)電阻表示了金屬的純度和完整性,可以看成為殘余電阻。馬基申定則在高溫時(shí)金屬的電阻基本上決定于基本電阻，而在低溫時(shí)則決定于殘余電阻。既然殘余電阻是電子在雜質(zhì)和缺陷

6、上的散射引起的，那殘余電阻的大小可以用來評(píng)定金屬的電學(xué)純度。與化學(xué)純度不同。從馬基申定則可以看出：2．3．2溫度對(duì)金屬電阻的影響(1)一般規(guī)律無雜質(zhì)有雜質(zhì)德拜溫度或特征溫度式中ρ(θD)為金屬在德拜溫度時(shí)的電阻。(2)過渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變(3)鐵磁金屬的電阻—溫度關(guān)系反常在居里點(diǎn)以前電阻溫度系數(shù)不斷增大．過居里點(diǎn)以后則急劇減小(4)其他因素引起的電阻—溫度關(guān)系反常2．3．3壓力對(duì)材料電阻的影晌根據(jù)壓力對(duì)電阻的影響可把元素分為正常和反常元素正常元素：壓力增電阻降反常元素2．3．4固溶體的導(dǎo)電性(1)電阻與組元濃度的關(guān)系在連續(xù)固溶體的情況下，當(dāng)組元A添加于組

7、元B時(shí)電阻逐漸增大，通過一個(gè)慢坡的極大值后減小到B組元的電阻值。合金化對(duì)電阻有影響(2)電阻溫度系數(shù)(3)電阻壓力系數(shù)慢快(4)有序固溶體(超結(jié)構(gòu))(5)不均勻固洛體(K—狀態(tài))2．3．5金屬間化合物2．3．6多相合金的導(dǎo)電性2．4半導(dǎo)體的電學(xué)性能2．4．1半導(dǎo)體的電學(xué)性能開發(fā)2．4．2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體我們把只有本征激發(fā)過程的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。這些臺(tái)有雜質(zhì)原于的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體這時(shí)以電子導(dǎo)電為主，故稱為n型半導(dǎo)體。施主雜質(zhì)有時(shí)也就稱為n型雜質(zhì)受主雜質(zhì)也稱為p型雜質(zhì)2．4．4半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)(1)鍺和硅的能帶結(jié)構(gòu)可見，鍺和硅的導(dǎo)帶底呈現(xiàn)出多谷結(jié)

8、構(gòu)(2)砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)2．4．5p—n結(jié)的整流特性正向特性反向特