《材料电学性能》课件

材料电学性能本课程将深入探讨各种材料的电学性能，涵盖电子传输、半导体特性、电容电感等方面我们将探讨这些特性在电子器件中的应用，并介绍相关实验方法和技术课程内容简介电子传输半导体器件电容电感其他电学性质电子在固体材料中的运动规PN结、二极管、三极管、运电容和电感的性质、频率响介电常数、磁性材料、光电律，包括金属、绝缘体、半算放大器等半导体器件的工应、在电路中的应用，以及效应、材料电学性能的测量导体的区别和联系作原理和应用RC和RL电路分析方法电子在固体中的传输能带理论自由电子12解释电子在固体材料中的运动金属中的自由电子在电场作用行为，以及导体、绝缘体、半下产生电流，其运动受能带结导体的区别构和晶格的影响载流子3半导体中的电子和空穴作为载流子，其浓度和迁移率决定了半导体的导电性能电子在金属中的传输自由电子模型电阻率电导率假设金属中存在自由电子，它们在电场材料抵抗电流流动的能力，受温度、杂材料传导电流的能力，与电阻率成反比作用下定向运动形成电流质、晶体缺陷等因素影响，是金属材料的重要电学特性金属电导率的温度依赖性低温超导电导率较高，电子运动不受晶格振动影响，遵循德鲁德模型某些金属在极低温下电阻率降为零，电流能够无损耗流动123高温电导率降低，电子与晶格振动碰撞增多，能量损失增加绝缘体和半导体绝缘体半导体能带结构中，价带和导带之间存禁带宽度较小，温度升高或掺杂在较大的禁带宽度，电子难以跃后，电子可以跃迁到导带，导电迁到导带，导电性很差性介于导体和绝缘体之间能带理论能带1电子在晶体中运动的能量范围，由能带理论解释，分为价带、导带和禁带价带2由原子外层电子形成的能带，通常被电子占据导带3电子能够自由运动形成电流的能带禁带4价带和导带之间的能量间隔，决定了材料的导电性半导体的电子和空穴电子空穴半导体材料中的自由电子，它们在电价带中缺少电子的位置，相当于带正场作用下定向运动，形成电流电荷的“粒子”，在电场作用下定向运动半导体的载流子浓度n p电子浓度空穴浓度n型半导体中自由电子的数量，受掺p型半导体中空穴的数量，也受掺杂杂元素和温度影响元素和温度影响型和型半导体P N型N掺入五价元素，如砷As或磷P，产生多余的自由电子型P掺入三价元素，如硼B或铝Al，产生空穴结的形成和特性PN结PN1P型半导体和N型半导体接触形成的界面，具有单向导电性空乏层2PN结形成后，载流子扩散，产生带电区域，形成空乏层势垒3空乏层中存在的电场形成势垒，阻碍载流子跨越PN结结二极管的工作原理PN正向偏置反向偏置当正向电压加在PN结上，降低势垒，电流可以流过二极管当反向电压加在PN结上，提高势垒，几乎没有电流流过二极管半导体二极管的应用整流发光二极管光电二极管将交流电转换为直流电，广泛用于电源转将电流转换为光能，广泛应用于显示屏、将光能转换为电能，用于光检测、光通信换、充电等照明等等三极管的工作原理型型NPN PNP由两个PN结组成，控制基极电与NPN型相反，控制基极电流流来控制集电极电流来控制发射极电流三极管的基本放大电路共发射极1输入信号加在基极，输出信号从集电极取得，具有电流放大作用共集电极2输入信号加在基极，输出信号从发射极取得，具有电压跟随作用共基极3输入信号加在发射极，输出信号从集电极取得，具有高输入阻抗运算放大器及其应用电容和电感的基本概念电容电感储存电荷的元件，由两块导体板和绝缘介质构成，容量单位为法储存磁能的元件，由导线绕成的线圈构成，电感单位为亨利（H拉（F））电容和电感的频率响应电容1低频下阻抗高，高频下阻抗低，起滤波作用电感2低频下阻抗低，高频下阻抗高，起滤波作用和电路的时域分析RC RL电路电路RC RL电阻和电容组成的电路，具有充电阻和电感组成的电路，具有电放电特性，时间常数为RC流变化特性，时间常数为L/R傅里叶分析和频域分析傅里叶分析将时域信号分解为不同频率的正弦波的叠加，可以分析信号的频率成分频域分析研究信号在不同频率下的特性，可以方便地分析电路的频率响应和滤波特性材料的介电性质tanδε介电常数介质损耗角正切材料储存电能的能力，反映了材料的反映了材料在电场作用下能量损耗的极化特性大小磁性材料的基本特性磁化强度磁滞回线材料在外磁场作用下的磁化程度，反映了材料对磁场的响应能力描述了材料在磁化过程中磁化强度与外磁场之间的关系软磁和硬磁材料软磁材料硬磁材料易于磁化和去磁，磁滞回线窄，适用于电磁铁、变压器等难以磁化和去磁，磁滞回线宽，适用于永磁体、磁记录等磁性材料的应用电子器件磁存储12电磁铁、变压器、电机、磁头硬盘、磁带、磁卡等，利用磁等，利用磁性材料的磁化特性性材料的磁化特性记录和读取信息其他应用3磁疗、磁悬浮等，利用磁性材料的磁场特性光电效应和光电管光电效应1光照射在金属表面，电子从金属中逸出的现象光电管2利用光电效应将光信号转换为电信号的器件发光二极管和激光二极管发光二极管激光二极管当电流通过PN结时，电子和空穴复利用受激辐射原理，产生相干、单色合发出光，广泛用于照明、显示等、高强度的激光材料电学性能的测试方法电阻率测量介电常数测量四探针法、惠斯通电桥法等，测电容法、阻抗分析法等，测量材量材料的电阻率料的介电常数磁化强度测量磁强计、霍尔效应测量等，测量材料的磁化强度实验演示与讨论课程总结与展望通过本课程的学习，我们了解了各种材料的电学性能，以及在电子器件中的应用未来，随着纳米材料、二维材料等新材料的出现，材料电学性能的研究将更加深入，为电子技术的发展提供新的动力。