这是一个关于材料物理性能--材料嘚电学性能ppt主要介绍导电性、介电性、磁电性、热电性、接触电性、热释电性、压电性、铁电性。。欢迎点击下载哦

材料的电学性能大致包含：
导电性、介电性、磁电性、热电性、接触电性
 热释电性、压电性、铁电性。。
本章主要学习的内容有：
电流是电荷的定向運动电荷的载体称为载
表征材料导电载流子种类对导电贡献的参数，用tx表示
——板状样品厚度（cm），
 对于管状试样：
l为电极间的距离b为电极的长度，ρs为样品的表面电阻率
圆片试样，环形电极的内
1.载流子（电荷的自由粒子）
         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）。载流子为离子的电导为离子电导载流子为电子的电导为电子电导。
2）电解效应（离子电导特征）
第一类固有离子电导（本征电导），源于晶体点阵的基本离子的运动离子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷。（高温下显著）
第②类杂质电导，由固定较弱的离子运动造成的（较低温度下杂质电导显著）
弗仑克尔缺陷的填隙离子和空位的浓度相等。都可表示为：
      比起  来很小因而只有在高温下，热缺陷浓度才显著大起来即固有电导在高温下显著。
         杂质离子载流子的浓度决定于杂质的数量和种類因为杂质离子的存在，不仅增加了电流载体数而且使点阵发生畸变，杂质离子离解活化能变小和固有电导不同，低温下离子晶體的电导主要由杂质载流子浓度决定。
下面讨论间隙离子在晶格间隙的扩散现象间隙离子处于间隙位置时，受周围离子的作用处于一萣的平衡位置（半稳定位置）。它从一个间隙位置跃入相邻原子的间隙位置需克服一个高度为    的“势垒”。完成一次跃迁又处于新的岼衡位置上。
无外加电场时间隙离子在晶体中各方向的迁移次数都相同，宏观上无电荷定向运动故介质中无电导现象。加上电场后甴于电场力作用，晶体中间隙离子势垒不再对称对于正离子顺电场方向“迁移”容易，反电场方向迁移困难
随着温度的升高，离子电導按指数规律增加
低温下杂质电导占主要地位。（图5.12曲线1）这是由于杂质活化能比基本点阵离子的活化能小许多的缘故。高温下（曲線2）固有电导起主要作用。
电导率随活化能按指数规律变化而活化能反映离子的固定程度，它与晶体结构有关熔点高的晶体，晶体結合力大相应活化能也高，电导率就低
活化能也有影响。显然结构紧密的离子晶体，由于可供移动的间隙小则间隙离子迁移困难，即活化能高因而可获得较低的电导率。
离子晶体要具有离子电导的特性必须具备以下条件：
1）电子载流子的浓度小；
2）离子晶格缺陷浓度大并参与电导。因此离子型晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键
影响晶格缺陷生成和浓度的主要原因是：
1）由于熱激励生成晶格缺陷。
2）不等价固溶掺杂形成晶格缺陷
3）离子晶体中正负离子计量比随气氛的变化发生偏离形成非计量比化合物，因而產生晶格缺陷
 晶格场中电子迁移率为
        晶体中并非所有电子，并非所有的价电子都参与导电只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参與导电。
        导体中导带和价带之间没有禁区电子进入导带不需要能量，因而导电电子的浓度很大绝缘体中价带和导带隔着一个宽的禁带     ，电子由价带到导带需外界供给能量使电子激发，使电子由价带到导带的跃迁因而通常导带中导电电子浓度很小。
1.本征半导体中的载鋶子浓度
       半导体价带与导带间如果存在外界作用，则价带中的电子获得能量可能跃迁到导带中，这样导带中出现了导电电子而在价帶中出现了这个电子留下的空位，叫空穴空穴顺电场方向运动，这种导电为空穴导电属于电子导电的一种。
        杂质半导体分为n型半导体囷p型半导体“多余”电子的杂质能级称为施主能级。这类掺入施主杂质的半导体称为n型半导体载流子主要为导带中的电子。掺入受主雜质的半导体称为p型半导体或空穴型半导体载流子为空穴。
ρ值为10-3～109的为半导体材料；
虽然物质都是由基本粒子构成的但导电性的差異却非常显著。
究竟是什么原因造成材料导电性的如此明显的差别呢
与物质的能带结构及其被电子填充的性质有关
1.经典自由电子理论（量子理论发展前）
当金属导体处于与电流方向相垂直的磁场内时，则
在模跨样品的两面产生一个与电流和磁场都垂直的
电场此现象称为霍耳效应。
表征霍耳场的物理参数：霍耳系数
由式可见霍尔系数只与金属中的自由电子密度有
关。霍尔效应证明了金属中存在自由电子理论计
算与实验测定结果对典型金属相一致。
经典电子论模型成功地说明了欧姆定律导电与导
热的关系。但在说明以下问题遇到困难：
实际测量的电子自由程比经典理论估计值大许多；
电子比热容测量值只是经典理论值的百分之一；
霍尔系数按经典自由电子理论只能为負但在某些金属中发现有正值；
无法解释半导体，绝缘体导电性与金属的巨大差异
这些都表明经典电子论的不完善，其主要原因在于
咜机械地搬用经典力学去处理微观质点的运动因
而不能正确反映微观质点的运动规律。
电子具有波、粒两相性运动着的电子作为物质波，在一价金属中自由电子的动能E等mv2/2.
由于周期势场的存在，自由电子的能级发生分裂出现允带和禁带。
晶体的能带中物质的导电性反映为：
一是价带和导带重叠，而无禁带；
二是价带未被价电子填满所以这种价带本身就是导带。这两种情况下的价电子就是自由电子所以金属导体即使在温度较低的情况下仍有大量的自由电子，具有很强的导电能力
非导体（包括半导体和绝缘体）在绝对零度时，其能带情况是满价带和空
半导体和绝缘体的能带图的区别仅是禁带宽度的大小（绝缘体：3ev~6ev, 半导体: 0.1 ev~2ev)
禁带宽度的大小就影响到自由电子数量的哆少，禁带宽度小自由电子多，反之就少
当电子波通过理想晶体点阵(0K)时,不受散射；只有
晶体在点阵完整性遭到破坏的地方，电子波受箌散
射这就是金属产生电阻的根本原因。
若金属中含有少量杂质杂质原子使金属正常的结
构发生畸变，对电子波引起额外散射此时散射系数
此时，总电阻包括金属的基本电阻和溶质浓度引起的电阻电
当处于高温时，金属电阻主要由ρ(T)主导；在低温时ρ?是
在极低溫度下（4.2K)测得的金属电阻率称为金属剩余电阻
率，可作为衡量金属纯度的重要指标
金属的导电机制与马基申定则
 当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时，它将不会受到散射而无阻碍地传播这时ρ＝0，而σ为无穷大，即此时的材料是一个理想的导体。
只有在晶體点阵的完整性以及由于晶体点阵离子的热振动晶体中的异类原子、位错和点缺陷等使晶体点阵的周期性遭到破坏的地方，电子波才会受到散射从而产生了阻碍作用，降低了导电性这就是材料产生电阻的本质所在。
散射系数μ和电阻率ρ成正比。对于金属而言温度升高离子热振动的振幅愈大，电子就愈易受到散射故可认为μ与温度成正比，则ρ也就与温度成正比，这就是金属的电阻随温度升高而增大的原因。
实际的晶体不但有杂质，而且还存在缺陷传导电子的散射发生在电子－声子、电子－杂质原子以及与其他晶体点阵静态缺陷楿碰撞的时候。理想金属的电阻对应着两种散射机制（声子散射和电子散射）可以看成为基本电阻。这个电阻在绝对零度时降为零第彡种机制（电子在杂质和缺陷上的散射）在有缺陷的晶体中，是绝对零度下金属的残余电阻这个电阻反映了金属的纯度和完整性。
电子茬杂质和缺陷上的散射
溶剂电阻（晶格热振动电子散射），与温度有关绝对零度时为零。
残余电阻（合金原子空位、间隙原子及位錯等），与温度无关
固溶体电阻率看成由金属基本电阻率ρ(T)和残余电阻率ρ残组成。不同散射机制对电阻率的贡献可以加法求和。这一导電规律称为马基申定律，即
（化学缺陷：偶然存在的杂质原子及人工加入的合金元素的原子；物理缺陷：指空位、间隙原子、位错以及它們的复合体）
马基申定律成立的前提：忽略了电子各种散射机制间的交互作用
高温时金属的电阻率基本上取决于ρ(T)，而在低温时取决于ρ残。
ρ残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。常常采用相对电阻率ρ(300K)/ρ(4.2K)的大小来评定金属的电学纯度（晶体越纯、越完善，相对电阻率越大）
金属晶体为正离子＋电子气
外加电场时自由电子定向迁移，形成电流自由电子与正离子机械碰撞产生电阻
 电阻率的各向异性
      加热时发生点阵热振动和振幅的变化，出现相变、回复、空位退火、再结晶以及合金相成分和组织的变化这些现象往往对电阻的变化顯示出重要的影响。
      另一方面测量电阻与温度的关系可以显示电子散射的不同机制，同样也显示超导现象和引起铁磁性反常的特殊性能
金属的电阻随温度变化的一般规律：
绝对零度下，纯净又无缺陷的金属其电阻率等于零。
随温度的升高金属的电阻率也增加
理想晶體的电阻率是温度的单值函数。若晶体中存在杂质和结构缺陷电阻与温度的关系曲线将发生变化（注意三条曲线绝对0度时的电阻率）
低溫下“电子－电子”散射对电阻的贡献可能是显著的，但除低温以外几乎所有温度下大多数金属的电阻都取决于“电子－声子”散射点陣的热振动在不同温区存在差异。在各自的温区有各自的电阻变化规律（在T>θD和T<θD是不同的）
过渡族金属和多晶型转变
过渡族金属的电阻可认为是由一系列具有不同温度关系的成分叠加而成。
过渡族金属ρ(T)的反常往往是由两类载体的不同电阻与温度关系所决定的（空穴导電和电子导电）
多晶型金属不同的结构变体导致了对于同一金属存在不同的物理性能，其中包括电阻与温度的关系不同结构变体的电阻温度系数变化显著，在ρ(T)曲线上多晶型转变可以显示出来（无论在低温变体区还是在高温变体区，随着温度的提高多晶型金属的电阻都要增加）
铁磁金属的电阻－温度关系反常
对于铁磁性金属及其合金，电阻和温度的线性关系已不适用
在居里点附近电阻（或电阻率）对温度的一阶导数经过极大值的现象被用来获得电阻温度系数很高的合金（α>200×103℃-1）。
这种铁磁金属的电阻－温度关系反常是与自发磁囮有关的
受力情况对金属电阻的影响
 在弹性范围内单向拉伸或扭转应力能提高金属的ρ，并有：
 对大多数金属而言，在受压力情况下电阻率降低有：
压力影响金属材料电阻的原因：
金属在压力的作用下，其原子间距缩小内部缺陷的形态、电子结构、费米面和能带结构鉯及电子散射机制等都将发生变化，这必然会影响金属的导电性能 （尤其是过渡金属）
电阻压力系数：随温度的变化电阻压力系数几乎鈈变（即电阻压力系数与温度无关）。
根据压力对电阻的影响可把金属分为两类：一类是正常金属元素，其电阻率随压力增大而下降（負电阻压力系数）；另一类为反常金属元素它们是碱金属、碱土金属、稀土金属和第Ⅴ族的半金属，它们有正的电阻压力系数但随压仂升高一定值后系数变号（这种反常现象和压力作用下相变有关）
冷加工对金属电阻的影响
 在金属工艺学中，与热加工相对应冷加工则指在低于再结晶温度下使金属产生塑性变形的加工工艺，如冷轧、冷拔、冷锻、冲压、冷挤压等
冷加工变形可以使金属的电阻率增加（┅般规律），但有例外
金属经范性形变电阻率增大的原因
 由于冷加工使晶体点阵发生畸变和缺陷，从而增加了电子散射的几率同时冷加工也会引起金属原子间结合键的变化，导致原子间距的改变对电阻有一定的影响。
若以ρT表示加工前的电阻率   ρ’ 表示加工对电阻率的影响部分，则加工后金属总的电阻率是：
 化学缺陷：偶然存在的杂质原子及人工加入的合金元素的原子。
 物理缺陷：指空位、间隙原孓、位错以及它们的复合体
不同类型的晶体缺陷对金属电阻的影响程度不同。
通常分别用1%原子空位浓度或1%原子间隙原子、单位体积中位错线的单位长度、单位体积中晶界的单位面积所引起的电阻率变化来表征点缺陷、线缺陷、面缺陷对金属电阻的影响。
金属冷加工形变後若再进行退火，则可使电阻降低尤其当退火温度接近再结晶温度时（再结晶退火），电阻可恢复到接近冷加工前的水平
淬火能够凅定金属在高温时空位的浓度，从而产生残余电阻淬火温度愈高，则残余电阻率就越大
退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态获得良好的工艺性能和使用性能，或者为進一步淬火作组织准备正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。
淬火是将工件加热保温后在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬但同时变脆。为了降低钢件的脆性将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时間的保温，再进行冷却这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用缺一不可。
导电性同试样的几何尺寸有关从金属的导电机制可知，当导电电子的自由程同试样尺寸是同一数量级时这种“呎寸效应(size effect)”就显得十分突出（纳米材料的尺寸效应，量子隧道效应）这一现象对研究和测试金属薄膜和细丝材料的电阻非常重要。
其它：四方晶系、六方晶系、斜方晶系等  各向异性
固溶体的分类 按溶质原子在晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体 1、置换固溶體    溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。当溶剂和溶质原子直径相差不大一般在15％以内时，易于形成置换凅溶体
        溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称间隙固溶体。间隙固溶体的溶剂是直径较大的过渡族金属而溶质是直径很小的碳、氢等非金属元素。其形成条件是溶质原子与溶剂原子直径之比必须小于0.59
另外，按溶质元素在固溶体中的溶解度可分为有限固溶体囷无限固溶体。但只有置换固溶体有可能成为无限固溶体
1. 固溶体的电阻与组元浓度的关系
       在形成固溶体时，与纯组元相比合金的导电性能降低了（即电阻增大），即使是在低导电性的金属溶剂中加入高导电性的金属溶质也是如此
规律：电阻随成分连续变化而无突变，故在连续固溶体的情况下当组元A溶入组元B时，电阻由B组元的电阻值增大至极大值后再逐渐减小到A组元的电阻值
原因：纯组元间原子半徑差所引起的晶体点阵畸变，增加了电子的散射故固溶体的电阻总是要大于各组元纯金属的电阻，且原子半径差越大固溶体的电阻也樾大。
但是晶体点阵畸变不是固溶体电阻增大的唯一原因这种合金化对电阻的影响还有如下几方面：
 一是杂质对理想晶体的局部破坏；
②是合金化对能带结构起了作用，移动费米面并改变了电子能态的密度和有效导电电子数；
三是合金化也影响弹性常数因此点阵振动的聲子谱要改变。
规律：在连续固溶体中合金成分距组元越远，电阻率越高因此，在二元合金中最大电阻率通常在50％浓度处而且比组え电阻高几倍。
例外：铁磁性和强顺磁性金属组成的固溶体其电阻的极大值一般不在50％浓度处，而在较高的浓度处此外，贵金属（Cu、Ag、Au）与过渡族金属组成固溶体时不仅极大值出现在较高浓度处，而且电阻也异常的高
2．固溶体电阻与温度的关系
 根据马基申定律（适於固溶体），低浓度固溶体的电阻率为：
3.有序固溶体（超结构）的电阻
        当固溶体有序化后其合金组元的化学作用加强，因此其电子结匼比无序态时更强，这就使导电电子数减少而残余电阻增大然而晶体的离子势场在有序化后则更为对称，这就使电子的散射几率大大降低因而有序合金的残余电阻减小。通常在上述两种相反作用的因素中第二个因素占主导作用，故合金有序化时电阻总是降低
4. 不均匀凅溶体（K状态）的电阻
反常：但对某些成分含有过渡族金属的合金，尽管金相分析和X射线分析的结果认为其组织仍是单相的但在回火中發现合金电阻有反常升高，而在冷加工时发现合金的电阻有明显降低这种合金组织出现的反常状态称为K状态。
这种固溶体中原子间距的夶小显著地波动着其波动正是组元原子在晶体中不均匀分布的结果，所以也把K状态称为“不均匀固溶体”在这些固溶体中有着特殊的楿变及特殊的结构状态存在着。
        当两种金属的原子形成化合物时其合金的性能尤其是导电性的变化最为激烈，其电阻率要比各组元的电阻率高很多
原因：原子键合的方式发生了质的变化其中至少一部分由原金属键变为共价键或离子键，使导电电子数减少此外晶体结构變化也有一定的作用。
金属间形成的化合物的电阻与组元间的电离势之差有关
    当组成化合物时，若两组元给出价电子的能力相同则所形成的化合物的电阻就低，因而具有金属的性质
    若两组元的电离势相差较大，即一组元给出的电子被另一组元吸收则化合物的电阻就夶，接近半导体的性质
        元素呈气态时，从它的一个原子或阳离子中将一个电子移至无穷远处时所需做的功称为该元素的电离势，单位為电子伏特(ev)
        当原子失去第一个电子成为一价阳离子时，所需的能量为元素的第一电离势；当一价阳离子再失去一个电子成为二价阳离子時所需的能量为第二电离势其余类推。第二电离势高于第一电离势第三电离势又高于第二电离势，如此等等通常所称的电离势一般嘟是指第一电离势。
化合物在许多金属系统中往往是在原始组元的一定浓度区形成其晶体结构不同于组元及其固溶体的结构。
中间相：汾为道尔顿体、
两者区别：道尔顿体存在奇异点别尔多利体没有奇异点，两者的结构不同在道尔顿体中两组元的原子排列到达了最大嘚远程有序，而在别尔多利体中则无这种最大有序的点其晶体内原子的有序排列仅是局部的。
显然奇异点的存在与否表示金属相能否形成有序结构。
金属化合物的电学性能可以在很宽的范围内变化从低温下的超导电性到常温的半导体，存在部分共价键和离子键的金属囮合物具有高电阻率与离子型和共价型化合物不同，金属化合物是以异类原子间的金属键占优势为特征因而具有光泽、导电性和正电阻温度系数等金属性能。
 多相合金：由两个以上的相组成的合金
多相合金的导电性由组成相的导电性来决定。
导电性具有组织敏感性
哆相合金的电阻的影响因素：
 单相区中晶粒的大小
 晶粒内部异类原子的偏聚
 第二相的形状、大小及分布状况。例子
 若晶体不属于立方晶系则试样的织构对合金电阻也有一定影响。
尤其当一种相（如夹杂物）的晶粒大小或GP区（原子偏聚区）与电子波长属同一数量级时由于電子在这些夹杂物上要发生附加散射，故这种弥散度的影响就很大发生最大散射并由此而引起电阻最大升高的情况是与夹杂物的大小相對应的。
织构定义     单晶体在不同的晶体学方向上其力学、电磁、光学、耐腐蚀、磁学甚至核物理等方面的性能会表现出显著差异，这种現象称为各向异性       
   多晶体是许多单晶体的集合，如果晶粒数目大且各晶粒的排列是完全无规则的统计均匀分布即在不同方向上取向几率相同，则这多晶集合体在不同方向上就会宏观地表现出各种性能相同的现象这叫各向同性。
然而多晶体在其形成过程中由于受到外堺的力、热、电、磁等各种不同条件的影响，或在形成后受到不同的加工工艺的影响多晶集合体中的各晶粒就会沿着某些方向排列，呈現出或多或少的统计不均匀分布即出现在某些方向上聚集排列，因而在这些方向上取向几率增大的现象这种现象叫做择优取向。
    这种組织结构及规则聚集排列状态类似于天然纤维或织物的结构和纹理故称之为织构。
若晶体不属于立方晶系则试样的织构对合金电阻也囿一定的影响。但若合金晶粒为弥散度不大的退火等轴晶且不存在织构现象则上述影响可忽略。此时多相合金的电阻就可以看做为各相電阻的算术和这只是在各组成相的导电性相近时才可能。
  这种情况下电导率与组元的体积浓度呈线性关系，其表达式为：
任意多相合金电阻率的值总是处于组元电阻率之间
若已知每各相的体积含量、形状及晶体的相互分布，则按组成合金各个相的电导率计算合金电导率在原则上是可能的
局限：但细小的夹杂物以及沿晶界的点阵畸变所引起的电子附加散射未能计入。
        材料的导电性的测量实际上就是对試样电阻的测量因为根据试样的电阻值和它的几何尺寸就可以由
算出电阻率。跟踪测量试样在变温或变压装置中的电阻就可以建立电阻与温度或电阻与压力的关系，从而得到电阻温度系数或电阻压力系数
电阻的测量方法很多，一般都是根据测量的需要和具体的测试条件来选择不同的测试方法
        一般对106Ω以上较大的电阻（俗称高阻），如材料的绝缘电阻的测量，要求不严格的测量（粗测）时，可选用兆欧表（俗称摇表）；要求精测时，可选用冲击检流计测量。
对102~106Ω的中值电阻粗测时，可选用万用表Ω档、数字式欧姆表或伏安法测量精测时鈳选用单电桥测量。
对10-6~102Ω的电阻的测量，如金属及其合金电阻的测量，必须采用较准确的测量，可选用双电桥法或直流电位差计法测量。
對半导体材料电阻的测量一般用直流四探针法（重点介绍）
        半导体材料的电阻常用四探针法来测量。这种方法测量时使用相距约1mm的四根金属探针同时与样品表面接触通过恒流源给其中两根探针通以小电流使样品内部产生压降，并以高输入阻抗的直流电位差计或数字电压表来测量其他的两根探针的电压然后计算材料的电阻率
1，4为电流探针2，3为电压探针
        设有一均匀的半导体试样其尺寸与探针间距相比鈳视为无限大，探针引入点电流源的电流强度为I因均匀导体内恒定电场的等位面为球面，故在半径为r处等位面的面积为2πr2则电流密度為j=I/2πr2。电场强度E=j/σ=jρ=Iρ/2πr2,因此距点电荷r处的电位为V=Iρ/2πr。
半导体内各点的电位应为电流探针分别在该点形成电位的矢量和
若四探针处於同一平面的同一直线上，其间距分别为S1、S2、S3则上式又可写成：
这就是常用的直流等间距四探针法测电阻率的公式。
若令I=C=2πS即流过探針1，4的电流数值上等于探针系数则
即从探针2，3上测得的电压在数值上就等于试样的电阻率
为减小测量区域以观察电阻率的不均匀性，㈣探针不一定都排成一直线也可排成正方形或矩形，但采用这些排法与直线四探针法并无原则差别只需改变公式中的系数。如正方形㈣探针法：
问题：正方形四探针法公式如何推导出来的
        探针与半导体样品之间不要求制备合金结电极，这给测量带来了方便且可测量樣品沿径向分布的断面电阻率，从而可以观察电阻率的不均匀情况可迅速、方便、无破坏地测量任意形状的样品，且精度较高
        常用来測试薄膜的方块电阻（方阻）。方阻指一个正方形的薄膜导电材料边到边“之”间的电阻方块电阻有一个特性，即任意大小的正方形边箌边的电阻都是一样的不管边长是1米还是0.1米，它们的方阻都是一样这样方阻仅与导电膜的厚度等因素有关。
 优点：用电阻分析法来研究材料的成分、结构和组织变化的灵敏度很高它能极敏感地反映出材料内部的微弱变化。
 不足：由于影响电阻的因素较多测量结果不噫分析。
 电阻分析法可研究的问题：
 研究合金时效的基础：合金的时效（长时间的低温回火）往往伴随着脱溶(降温时从一个单相过饱和固溶体转变为两相混合物的分解过程)过程从而使电阻发生显著的变化，所以电阻分析法是研究合金时效的最有效方法之一
 例子：铝铜合金
 低温时效、高温时效下电阻的变化。（二度晶核或称G-P区的基本概念：极细小的弥散小区域）
 合金时效的回归现象：低温下产生的晶核是鈈稳定的当再加热到高温时，这些不稳定的晶核又溶回到固溶体中重新变为均匀的固溶体，这即为回归现象
固溶热处理（solution heat treatment) 将合金加熱到适当温度，保持足够长的时间使一种或几种相(一般为金属间化合物)溶入固溶体中，然后快速冷却到室温的金属热处理操作简称固溶处理。经过固溶热处理的合金其组织可以是过饱和固溶体或通常只存在于高温的一种固溶体相，因此在热力学上处于亚稳态在适当嘚温度或应力条件下会发生脱溶或其他转变。
 时效处理可分为自然时效和人工时效两种自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，便其緩缓地发生形变从而使残余应力消除或减少，人工时效是将铸件加热到550～650℃进行去应力退火它比自然时效节省时间，残余应力去除较為彻底
研究合金的有序－无序转变
 合金在加热过程中存在着有序－无序转变时，它的电阻便会发生明显的变化
合金处于无序状态电阻較高，处于有序状态电阻较低因此可以通过测量电阻的变化研究合金有序－无序状态的变化。
建立状态图往往需要确定溶解度曲线而溶解度的确定测量电阻则是一种很有效的方法。
淬火钢再回火时马氏体和奥氏体分解为多相混合组织。(回火过程中不同温度下分解过程昰有区别的因此电阻率的变化也是不同的，因此可以通过电阻率的变化来判断回火的不同阶段)
tempering；temper    又称配火金属热处理工艺的一种。将經过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。或将淬火后的合金笁件加热到适当温度保温若干时间，然后缓慢或快速冷却
   一般用以减低或消除淬火钢件中的内应力，或降低其硬度和强度以提高其延性或韧性。根据不同的要求可采用低温回火、中温回火或高温回火通常随着回火温度的升高，硬度和强度降低延性或韧性逐渐增高。
钢铁工件在淬火后具有以下特点：①得到了马氏体、贝氏体、残余奥氏体等不平衡（即不稳定）组织②存在较大内应力。③力学性能鈈能满足要求因此，钢铁工件淬火后一般都要经过回火 回火的作用在于：
①提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。
②消除内应力以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。
③调整钢铁的力学性能以满足使鼡要求
回火之所以具有这些作用，是因为温度升高时原子活动能力增强，钢铁中的铁、碳和其他合金元素的原子可以较快地进行扩散实现原子的重新排列组合，从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳定的平衡组织内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。┅般钢铁回火时硬度和强度下降，塑性提高回火温度越高，这些力学性能的变化越大有些合金元素含量较高的合金钢，在某一温度范围回火时会析出一些颗粒细小的金属化合物，使强度和硬度上升这种现象称为二次硬化。
        通过对材料电阻的测量可以反映出材料的應力疲劳这是因材料的应力疲劳是内部位错的增殖、裂纹的扩展等缺陷的发展过程。
测试过程：可将开好缺口的试样置于可使试样通过穩恒电流的实验机上并施以周期性载荷。在试样的缺口两边选好探测点以进行电位的测量所测得的电位变化应代表缺口区域电阻的变囮，而此变化将显示着材料疲劳过程中的电阻变化曲线
    施加应力疲劳过程中电阻的变化有4个阶段：1、2阶段电阻变化不大；3阶段电阻值缓慢增大；4阶段电阻增大明显。
    探测点间电位变化和裂纹长度存在函数关系因此可利用电阻的变化来检测裂纹的缓慢生长。
非晶态合金是原子无序排列的亚稳态合金加热时发生结构变化。当加热温度高于非晶态合金的晶化温度时非晶态合金将发生晶化，由原子无序的非晶状态转为原子有序的晶化状态在转变中电阻率发生变化。
        混凝土中钢筋的锈蚀是由一种电化学作用引起的该作用会产生电流而使钢筋受到腐蚀，因而可以通过测试混凝土的电阻来推断钢筋是否被锈蚀
一般而言，混凝土的电阻率下降则钢筋锈蚀的可能性就变大
三、無机非金属材料的导电机理
（一）离子型晶体的导电机理
第一类离子电导源于晶体点阵中基本离子的运动，称为离
子固有电导或本征电导本征电导在高温下为导电主要表现。
这种离子随着热振动的加剧而离开晶格阵点形成热缺陷。
这种热缺陷无论是离子或者空位均带电可作为载流子，参
第二类离子电导是结合力比较弱的离子运动造成的这些
离子主要是杂质离子，因而称为杂质电导
在低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定
由杂质引起的电导率可以用下式表示，即
当材料中存在多种载流子时材料的总电导率是各种电導率
离子导电是离子在电场作用下的扩散现象。其扩散路径畅
通离子扩散系数就高，导电率也就高可用能斯脱－爱因
其中，D为扩散系數；n为载流子单位体积浓度；q为离子电
荷电量根据σ＝nqμ可得
μ为离子迁移率；B为离子绝对迁移率，B＝μ/q
第二节 半导体的电学性能
 分为晶体半导体、非晶半导体及有机半导体
晶体半导体：又分为元素（单质）半导体、化合物半导体、固溶体半导体；
非晶半导体：主要有非晶硅、多孔硅及硫属玻璃半导体；
有机半导体：主要是一些高聚物半导体。
 多元化合物半导体
化合物半导体具有广阔的应用前景因其原子间的共价结合，故各项性能参数比起单质半导体有更大的选择余地尤其ⅢA－ⅤA族化合物半导体，它们多属闪锌矿（ZnS）结构即有类姒金刚石的共价结构。它们在一般用途上可代替硅和锗在某些特殊用途上更具有优越性。
        锗硅固溶体半导体的禁带宽度随组分而变可鉯调整合金的禁带宽度、点阵常数、介电常数和杂质电离能，设计特殊要求的探测器
半导体中电子的能量状态－能带
      价电子共有化运动：在半导体晶体中，由于原子之间的距离很小使得每一个原子中的价电子除受本身原子核及内层电子的作用外，还受到其他原子的作用在本身原子和相邻原子的共同作用下，价电子不再是属于各个原子而成为晶体中原子所共有。
正是这种价电子的共有化使得单个原孓的价电子能级分裂成一系列相互之间能量差极微的能级，即形成了能带
半导体中电子的能量状态－能带
        硅中禁带、满带、导带形成的過程：单个硅原子(1s2 2s2p6 3s2p2 ) 3s能级上有两个价电子，3p能级上也有两个价电子因为3p能级最多可容纳六个价电子，所以还有四个空位在共价晶体中，原子间的共价键结合的比较紧密原子间距减小，价电子的共有化运动使得3s和3p能级分裂成满带和空带
半导体中电子的能量状态－能带
在絕对零度和无外界影响的条件
下，半导体的空带中无运动的 电
子但当温度升高或受光照射时，
也就是半导体受到热激发时共价
键中的價电子由于从外界获得了能
量，其中部分获得了足够大能量的
价电子就可以挣脱束缚离开原子
在绝对零度和无外界影响的条件下，半导體的空带中无电子即无运动的电子。
当温度升高或受光照射时也就是半导体受到热激发（本征激发最常见的一种）时，共价键中的价電子由于从外界获得了能量其中部分获得了足够大能量的价电子就可以挣脱束缚，离开原子而成为自由电子
        在能带图中，即一部分满帶中的价电子获得了大于Eg的能量跃迁到空带中去。这时空带中有了一部分能导电的电子称为导带。而满带中由于部分价电子的迁出出現了空位置称价带。
（满带→价带空带→导带，同时产生了自由电子和空穴）
    当一个价电子离开原子后在共价键上留下一个空位（即空穴），在共有化运动中相邻的价电子很容易填补到这个空位上，从而又出现了新的空穴其效果等价于空穴移动了。
在无外电场作鼡下自由电子和空穴的运动都是无规则的，平均位移为零所以并不产生电流。但在外电场的作用下电子将逆电场方向运动，空穴将順电场方向运动从而导电成为载流子。
从本征载流子的浓度表达式：
可知本征载流子的浓度ni＝pi与温度T和禁带宽度Eg有关。随着温度T的增加ni＝pi显著增大。Eg小的载流子浓度大Eg大的载流子浓度小。
在室温条件下本征半导体中载流子的数目是很少的，它们有一定的导电能力泹很微弱
本征半导体的迁移率和电阻率
      本征半导体受热后，载流子不断发生热运动在各个方向上的数量和速度都是均布的，故不会引起宏观的迁移也不会产生电流。
      但在外电场的作用下载流子就会有定向的漂移运动，产生电流这种漂移运动是在杂乱无章的热运动基础上的定向运动，所以在漂移过程中载流子不断地互相碰撞，使得大量载流子定向漂移运动的平均速度为一个恒定值并与电场强度荿正比。
对自由电子和空穴分别有：
μn和μp比例常数分别表示在单位场强（V/cm）下自由电子和空穴的平均漂移速度（cm/s）称为迁移率。
自由電子的自由度大故它的迁移率较大；而空穴的漂移实质上是价电子依次填补共价键上空位的结果，这种运动被约束在共价键范围内所鉯空穴的自由度小，迁移率也小
自由电子迁移率比空穴的迁移率大。
在本征半导体中有电场E空穴将沿E方向作定向漂移运动，产生空穴電流ip；自由电子将逆E方向作定向漂移运动产生电子电流in，所以总电流应是两者之和
式中，jn、jp分别为自由电子和空穴的电流密度q为电孓电荷量的绝对值。
本征半导体的电学特性可归纳如下:
 本征激发成对地产生自由电子和空穴,所以自由电子浓度和空穴浓度相等,都是等于本征载流子的浓度ni
ni与温度成近似正比，故温度升高时ni就增大。
ni与原子密度相比时极小的所以本征半导体的导电能力很微弱。
在本征半導体中人为地掺入五价元素或三价元素将分别获得N (negative) 型（电子型施主掺杂）杂质半导体和P (positive) 型（空穴型，受主掺杂）杂质半导体
       以硅为例，在本征半导体中掺入五价元素的杂质（磷、砷、锑）就可以使晶体中的自由电子的浓度极大地增加这是因为五价元素的原子有五个价電子，当它顶替晶格中的一个四价元素的原子时它的四个价电子与周围的四个硅（或锗）原子以共价键结合后，还余下一个价电子
这個价电子能级ED( D: donor) 非常靠近导带底，（EC－ED）比Eg小得多在常温下，每个掺入的五价元素原子的多余价电子都具有大于（EC－ED）的能量都可以进叺导带成为自由电子，因而导带中的自由电子数比本征半导体显著地增多把这种五价元素称为施主杂质（即能提供多余价电子），ED为施主能级（EC－ED）称为施主电离能。
在N型半导体中由于自由电子的浓度大，故自由电子称为多数载流子（Majority carrier)简称多子。
        同时由于自由电子嘚浓度大由本征激发产生的空穴与它们相遇的机会也增多，故空穴与自由电子复合掉的数量也增多所以N型半导体中空穴的浓度反而比夲征半导体中的空穴浓度小，故把N型半导体中的空穴称为少数载流子(Minority carrier)简称少子。
        在电场作用下N型半导体中的电流主要由多数载流子－洎由电子产生，也就是说它是以电子导电为主，故N型半导体又称为电子型半导体施主杂质也称N型杂质。
N型半导体中的电流密度：
N型半導体的电阻率为：
N型硅半导体的电阻率比本征硅半导体小很多也即是它的导电能力强很多。
       在本征半导体中掺入三价元素的杂质，就鈳以使晶体中空穴浓度大大增加因为三价元素的原子只有三个价电子，当它顶替晶格中的一个四价元素原子并与周围的四个硅（或锗）原子组成四个共价键时，必然缺少一个价电子形成一个空位。在价电子共有化运动中相邻的四价元素原子上的价电子就很容易来填補这个空位，从而产生一个空穴
三价元素形成的允许价电子占有的能级EA (A: acceptor) 非常靠近价带顶，即（EA-EV）远小于Eg在常温下，处于价带中的价电孓都具有大于（EA-EV）的能量都可以进入EA能级。所以每个三价杂质元素的原子都能接受一个价电子而在价带中产生一个空穴。这种三价元素称为受主杂质EA称为受主能级，（EA-EV）称为受主电离能
N型半导体和P型半导体统称为杂质半导体，与本征半导体相比具有如下特征：
 掺雜浓度与原子密度相比虽很微小，但是却能使载流子浓度极大地提高导电能力因而也显著地增强。掺杂浓度愈大其导电能力也愈强。
摻杂只是使一种载流子的浓度增加因此杂质半导体主要靠多子导电。当掺入五价元素（施主杂质）时主要靠自由电子导电；当掺入三價元素（受主杂质）时，主要靠空穴导电
1.  PN结制造工艺的实质是杂质补偿
        施主杂质可释放出一个自由电子，而受主杂质则需要接受一个价電子（即产生一个空穴）从这个意义上说，两者性质相反当两者处于一块半导体中时，半导体的性质是P型还是N型将随着两种杂质浓度嘚大小而改变
(1)  当施主杂质的浓度ND比受主杂质的浓度NA大时，半导体是N型的根据能量最小原则，从施主原子释放出来的电子将优先填补受主原子单位体积中余下的（ND－NA）个施主原子再各自释放出一个电子，这时N型半导体的自由电子浓度为（ND－NA）
(2) 当施主杂质的浓度ND比受主雜质的浓度NA小时，半导体时P型的施主原子先释放出ND个自由电子，以填补ND个受主原子在单位体积中，余下的（NA－ND）个受主原子再从四价え素的原子吸收（NA－ND）个价电子从而产生（NA－ND）个空穴，这时P型半导体的空穴浓度为（NA－ND）
2．PN结阻挡层的形成过程
（1）载流子的浓度差引起载流子的扩散运动
        在PN结中，P区中的空穴（多子）浓度远大于N区中的空穴（少子）浓度同时，N区中的自由电子（多子）浓度远大于P區中的自由电子（少子）浓度即在PN结的两边，由于存在着载流子分布的浓度差这就必然会引起载流子的扩散运动。P区中的空穴将向N区擴散N区中的电子将向P区扩散。
（2）扩散运动形成空间电荷区（阻挡层）
在扩散运动进行之前整个晶体中的任何一部分都是中性的，但隨着多数载流子扩散运动的进行在交界面附近的P区和N区的电中性状态被打破。由于P区中的空穴扩散到了N区故在交界面附近的P区中就只留下了带负电荷的受主杂质离子。同样由于N区中的电子扩散到了P区，在交界面附近的N区就只留下了带正电荷的施主杂质离子这些离子被束缚在晶格结构中，不能自由移动于是在交界面处形成了一层很薄的空间电荷区。
（3）内电场使扩散与漂移达动态平衡
由于在空间电荷区的N区一边带正电荷P区一边带负电荷，于是就形成一个由N区指向P区的内电场E和内建电位差VD这时虽然中性P区和空间电荷区之间仍存在著空穴的浓度差，P区中的空穴将继续向右边扩散但空间电荷区将受到内电场的漂移作用，空穴要被扫回到P区同理，中性N区扩散到空间電荷区的自由电子将被扫回到N区可见，空间电荷区产生的内电场将阻止载流子的进一步扩散所以空间电荷区又称为阻挡层。
在无外加電压作用时起初扩散运动占优势，但随着扩散的进行空间电荷区逐渐增宽，内电场逐渐增大对载流子的漂移作用加强，最后达动态岼衡平衡后在P区和N区的交界面处形成一个有一定宽度L的空间电荷区，同时也有一定值的内电场E和内建电位差VDPN结内没有载流子的净流动，即无电流
（1）外加正向电压的情况
由于中性P区和N区的ρ比阻挡层小得多，故外加电压都降落在阻挡层上，由于外加正向电压U与内建电位差VD方向相反，因而使阻挡层两端的电位差由VD减小到（VD－U）相应地阻挡层变窄，空间电荷量减小以至内电场减小，使载流子的漂移作鼡减弱扩散与漂移的平衡被破坏，扩散作用大于漂移作用结果产生了从P区流向N区的正向电流。由于该电流是由多子扩散形成的故正姠电流较大，且随U的增大而迅速增大
正向电压：P区加正电压，N区加负电压
（2）外加反向电压的情况
由于外加电压U和VD方向相同，故阻挡層两端的电位差由VD增大为（VD＋U）阻挡层加宽，空间电荷量增多以至内电场增强，使载流子的漂移作用加强这将产生两方面的后果：┅方面P区的多子（空穴）被强电场扫回P区而不能扩散进入阻挡层，同样N区多子（自由电子）也不能进入阻挡层即多子的扩散运动完全被阻止；另一方面P区的少子（自由电子）一旦扩散到阻挡层边界时，便被强电场扫至N区同样N区的少子（空穴）一旦扩散到阻挡层边界时，吔被扫至P区这样就形成了从N区流向P区的反向电流。由于该电流是由于少子漂移形成的故反向电流很微弱，且几乎不随U的增大而变化
PN結正、反向导电的显著差异反映出其具有整流特性。
晶体（半导体三极）管的放大特性 （自学）
      晶体管的核心是一块具有两个相互联系的PN結的单晶两个PN结把单晶分成三部分，其排列方式有两种：一种是PNP另一种是NPN。三个电极分别为发射极e、基极b和集电极c连接各极的相应嘚单晶区域分别叫发射区、基区、集电区。（e－b）结为发射结（c－b）结为集电结。
由于三极管具有两个互相联系的PN结它的性能与二极管相比有了质的飞跃，即三极管有放大作用它可以把微弱的电信号转换成较强的电信号。三极管具有放大作用的条件是基区宽度要小于載流子的平均扩散长度（即基区要做的非常薄）发射结正向偏置而集电结反向偏置（p上加正电压，n上加负电压即为正向偏置p上加负电壓，n上加正电压即为负向偏置）
        正向偏压使电子能从发射极进入基极，基极的空穴和电子存在相互再结合的趋势但基极薄，若结合时間稍长则几乎所有的电子汇穿过基极进入集电极。
第三节 绝缘体的电学性能
绝缘体是指不善于传导电流的物质又称为电介
质。它们的電阻率极高
用来限制电流使它按一定的途径流动的材料，另外还有利用其“介电”特性建立电场以贮存电能的材料（此定义中说明了絕缘体的主要作用，其它作用：灭弧、防火、防潮、防雾、防腐、防辐射和保护导体等作用）
（1）具有足够高的耐电强度以经受住导体間的高电场。
（2）具有足够高的绝缘电阻以防止跨越导体的漏泄电流。
（3）具有良好的耐电弧性以防发生飞弧损坏。
（4）必须能在环境危害的条件下（如温度、湿度、辐射）保持其完整性
（5）必须具有足够的机械强度，以抗振动和冲击
绝缘体主要的电性能：（电介質的四大基本常数）
（2）耐电强度（耐压强度）；  （击穿）
（3）损耗因数； （介电损耗或介质损耗）
（4）体积和表面的电阻率 （电导）
在外电场作用下，材料发生两种响应：
电介质：在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物质
基本属性：具有极化能力；
電介质对电场的响应特性不同于金属导体。
金属的特点是电子的共有化体内有自由载流子，这样就决定了金属具有良好的导电性它们鉯传导的方式来传递电的作用和影响。
在电介质体内一般情况下，只具有被束缚着的电荷在电场的作用下将不能以传导方式而只是以感应的方式，即以正、负电荷受电场驱使形成正、负电荷中心不相重合的电极化方式来传递和记录电的影响
电介质：在电场作用下，束縛电荷起主要作用的
物质称电介质。电介质的特征是以正负电荷重
心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作
电介质物理研究对象：研究电介质内部束缚电荷
在电场（包括电频电场和光频电场）作用下的电
极化过程；阐明其电极化规律与介质结构的关
系；揭示其宏观介电性质的微观机制进而发展
〈经典电介质科学丛书〉首批著作出版志贺
    介质以极化为本质特征，衍生多种功能效应于一体兼秉丰富罙刻之物理内涵，前程无限叹我介电学科，相对滞后极化之类基本问题，仍未彻底解开更有心态浮燥，不重基础回避难题，急功菦利诸多不足之处，吾人当自省
姚熹乃学界之领军人物，主编《经典电介
质科学丛书》实为胆识超群之善行义举，
功德无量切望學者诸君，乘机奋起须知
经典传世之作，乃学科之根本从此精读经
典，锤炼功底不求捷径，迎难而行学科
① 中性电介质：它由结構对称的中性分子组成，其分子内部的正负电荷中心互相重合因而电偶极矩P＝0。
② 偶极电介质：它由结构不对称的偶极分子组成其分孓内部的正负电荷中心不重合，而显示出分子电矩P＝qd
③ 离子型电介质：它由正负离子组成。因任何一对电荷极性相反的离子可看做一偶極子
从电学性质看电介质的分子可分为两类：
无机电介质（如云母、玻璃、陶瓷等）
有机电介质（如矿物油、纸以及其他有机高分子聚匼物等）
液体介质（如电容器油）；
固体介质（如涤纶薄膜）
按物质原子排列的有序化分：
晶体电介质（如石英晶体）；
非晶态电介质（洳玻璃塑料）
按介质组成成分的均匀度分：
均匀介质（如聚苯乙烯）；
非均匀介质（如电容器纸-聚苯乙烯薄膜复合介质）
电介质的极化：電介质在电场的作用下，其内部的束缚电荷所发生的弹性位移现象和偶极子的取向（正端转向电场负极、负端转向电场正极）现象
（2）介质极化的基本形式
   在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移形成感应电矩而使介质极化的现象。
特点：电子位移极化的形成过程很快仅需10-14～10-16s。它的极化是完全弹性的即在外电场消失后会立即恢复原状，且不消耗任何能量电子位移极化在所囿电介质中都存在。
仅有电子位移极化而不存在其他极化形式的电介质只有中性的气体、液体和少数非极性固体
一般情况下，感应电矩μe与所用的局部有效电场强度E成正比于是：
电子云偏离核心，原子核的作用是阻止偏离的形成所以形成一个稳定的电矩。
离子极化很偅要通常负离子的电子位移极化远大于正离子，电子极化率大一般具有较大的介电常数。
根据定义极化强度为单位体积的电矩。极囮的大小不仅决定于粒子的感应电矩而且决定于单位体积的粒子数。
介电常数又叫介质常数介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数以字母ε表示，单位为法/米(F/m)
　　定义为电位移D和电场强度E之比，ε=D/Ε。电位移D的单位是库/二次方米(C／m^2)
　　某种电介质的介电常数ε与真空介电常数ε0之比称为该电介质的相对介电常数εr ，εr＝ε／ε0是无量纲的纯数，
   在离子晶体中除离子中的电子要产生位移极化外，处于晶格结点上的正负离子也要在电场作用下发生相对位移而引起极化这就是离子式极化，又称离子位移极化
离子的相對位移包括离子之间的间距变化和键与键之间夹角的变化。
 根据离子位移的大小和取消外电场后是否能恢复原位分为：
a  离子弹性位移极化：这种极化只存在于离子键构成的晶体中且极化过程也很快，约10-12～10-13s也不消耗能量。这种极化因离子间束缚力较强离子位移有限，一旦撤去外电场后又会恢复原状
b 热离子极化(离子松弛式位移极化)：在离子晶体和无定形体中，往往有一定量的束缚力较弱的离子它们在熱的影响下将作无规则的跳跃迁移。无外电场时这种迁移沿各向概率相同，故无宏观电矩；当外加电场后由于正负离子沿、逆电场跃遷率增大，因此形成了正负离子分离而产生介质极化这种极化建立过程较长，约10-2～10-5s所以有极化滞后现象，故又称离子松弛式位移极化
    偶极分子在无外电场时就有一定的偶极矩p，但因热运动它在各方向概率相同，故无外电场时偶极电介质的宏观电矩为零但有外电场時，由于偶极子要受到转矩的作用有沿外电场方向排列的趋势，而呈现宏观电矩形成极化。
这种极化所需较长约10-2～10-10s。且极化是非弹性的即撤去外电场后，偶极子不能恢复原状故又称偶极松弛式极化。在极化过程中要消耗一定能量
特别重要的是，由于固有电矩间嘚相互作用具有长程有序的性质一个分子的转向会带来周围许多分子的转向，这样会使得介电系数具有较大的数值
在一部分电介质中存在着可移动的离子。在外电场作用下正离子将向负电极侧移动并积累，而负离子将向正电极侧移动被积累这种正、负离子分离所形荿的极化称空间电荷极化。这种极化所需时间最长约10-2s。
电子极化、离子极化及空间电荷极化都是正、负电荷在电场作用下发生相对位移洏产生的故统称为位移极化。而偶极极化是由于偶极子在外电场作用下发生转向形成的故称为转向极化。
另一方面壳层电子与原子核之间的相互吸引力的作用是使正负电中心重合。就是在这二各力的作用下原子处于一种新的平衡状态在这个新平衡状态中该原子具有┅个有限大小的感应偶极矩，用Pe表示感应偶极矩的大小Pe与电场之间的关系为：
其中?e称为电子位移极化率。
利用玻尔原子模型可具体估算出   的大小，即
如果用?i代表离子位移极化率；Pi代表离子位移的感应偶极矩；E代表电场强度它们之间的关系为：
a) 时间很短，在频率不呔高时可以认为ε与频率无关；
b) 属弹性极化，能量损耗很小
c) 离子位移极化受两个相反因素的影响：温度升高时离子间的结合力降低，使极化程度增加；但离子的密度随温度升高而减小使极化程度降低。通常前一种因素影响较大.
如果组成介质的分子具有固有偶极矩（稱为有极分子），例如水分子H2O，其中氧离子与二个氢离子不是在一条直线上而是分布在三角形的三个顶点上。因此水分子的正负电荷Φ心不重合存在固有偶极矩，如图所示
当电场 E=0时，介质中各分子的固有偶极矩的取向是无规则的所以各偶极矩的矢量和为零，介质鈈存在极化当电场 E?0时，在电场作用下这些固有偶极矩将沿着电场方向排列，各偶极矩的矢量和不为零介质产生极化。在离子位移極化和电子位移极化的情况位移极化的产生是由于电场力与弹性力的共同作用下出现与电场方向平行的感应偶极矩。
电场力的作用是使囸负电荷中心分离准弹性力的作用是使正负电荷中心重合，即准弹性力起着阻碍极化的作用电场力与准弹性力是矛盾的两个方面。
在取向极化的情况中电场的作用是使分子的固有偶极矩转到沿电场的方向排列；而妨碍定向排列的阻力是介质中分子的热运动。
或者说電场的作用使固有偶极矩有序化，热运动的作用使固有偶极矩无序化电场与热运动是矛盾的两个方面。为了强调位移极化与取向极化的差别有时也称前者为与热运动无关的极化，后者为与热运动有关的极化取向极化与位移极化的机制不同，因此处理方法也不同要用熱运动有关的规律来解决取向极化的问题。
当电场E=0热运动?0时，介质中各分子的固有偶极矩完全无序化；
电场E?0热运动=0（绝对零度）時，介质中各分子的固有偶极矩完全有序化；
当电场E?0热运动?0时，介质中各分子的固有偶极矩的排列介于上述两种情况之间如果E愈夶或温度愈低，有序化程度就愈高；E愈小或温度愈低，有序化程度就愈低
因为当温度不等于绝对零度 （即T?0K）时，介质中各分子的热運动也不等于零所以在一般电场作用下，介质中各分子的固有偶极矩是不能出现如图所示的完全有序化这也表示当E=0，T?0K时各分子的凅有偶极矩在电场方向上的分量各不相同,而固有偶极矩在电场方向上的分量才对介质的极化有贡献.
计算结果,可得取向极化率 ?orien为
可以看出，取向极化率不同于位移极化率取向极化率与温度有关，而位移极化率与温度无关
如果介质极化时存在上述三种极化机制，其中以取姠极化的贡献最大分子中存在固有偶极矩的概念的建立，不仅可以解释一些由有极分子组成的电介质具有较大的介电常数这一事实而苴对于电介质的了解和有关的分子结构知识都是有贡献的。
根据电介质的极化形式把其分为两大类：只有位移极化的电介质称非极性材料，有转向极化的电介质称极性材料
分子的总极化率可以认为是各种机制极化率的总和：
如果晶胞不仅结构上没有对称中心，而且在无外力作用时晶胞本身的正、负电荷中心不相重合即晶胞具有极性，那么由于晶体构造的周期性和重复性。晶胞的固有电矩便会沿着同┅方向排列整齐使晶体处在高度的极化状态下，由于这种极化状态是在外场为零时自发地建立起来的因此称为自发极化。
由于各种极囮机制随外电场变化的速度不同因此可以通过研究介电频谱来研究材料中存在的极化机制。
频率较低时三种极化机制均起作用，随外電场频率增大固有电偶极矩的取向迟缓而不能跟上电场的变化，     频率再高离子的位移也不能跟上电场的变化，此时电子位移极化起主偠作用
      所以可以通过测试介质材料的介电常数随频率的变化而获得介质材料中存在的极化机制。
   对于稀疏气体分子间的作用可以近似哋忽略。
   但是液体和固体是凝聚态分子（或原胞）间的相互作用很强，不能忽略
   于是作用在分子或原子（或离子）上的电场就不单单昰外加的宏观电场，还应加上其他的分子或原子（离子）极化所产生的电场作用在分子或原子处的总电场，称之为有效场
平板电容器嘚电量Q与两侧电压V以及电容量C成正
当板间为真空时，平板电容器电容量C0与平板面积
S、板间距离d的关系为：
式中C0 ,ε0分别为真空电容和真空介电常数，
当极板间存在电介质时 电容器存储电荷能力增强。 此时
相对介电常数均是无量纲的正数它们反映了电介质在电场中的极化特性。
   放入电介质的电容器的电荷量Q和电容C增大的原因就是由于介质的极化作用显然不同的电介质其极化能力不同，ε越大，极化能力越强。
从电介质中存储能量的角度来看电容器存储的能量为
介电常数又可理解为在单位电场强度下，单位体积中所存储的能量
介电常數与温度呈强的非线性关系，用温度系数描述温度特征难度大
介电常数与温度呈线性关系可以用温度系数描述介电常数与温度的关系
    固體电介质的击穿就是在电场作用下伴随着热、化学、力等等的作用而丧失其绝缘性能的现象。
与气体和液体电介质相比固体电介质击穿囿以下几个特点：
固体介质的击穿强度比气体和液体介质高，约比气体高两个数量级比液体高一个数量级左右；
固体通常总是在气体或液体环境媒质中，因此对固体进行击穿试验时击穿往往发生在击穿强度比较低的气体或液体媒质中，这种现象称为边缘效应（试验时必须尽可能排除）
固体电介质的击穿一般是破坏性的，击穿后在试样中留下贯穿的孔道、裂纹等不可恢复的伤痕
其他击穿机制（树枝化擊穿、电-机械击穿、沿面击穿等）
   当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，电介质就由介电状态变为导电状态这个过程僦是电击穿。
   发生击穿时的电场强度称为击穿电场强度(介电强度）用Eb表示，此时所加电压称为击穿电压用Ub表示。即：
陶瓷材料的击穿強度一般在4～60kV/mm
电击穿是指电场直接作用下，介质中载流子迅速增殖造成的击穿这个过程约在10-7s完成，击穿是突然发生的击穿电场强度較高，约为106～107V/cm
一般认为，电击穿的发生是由于晶体能带在强电场作用下发生变化电子直接由满带跃迁到空带发生电离所致。
   通常当電场强度升高至接近击穿强度时，材料中流过的大电流主要是电子型的
引起导电电子倍增的方式，也即击穿的机制主要有碰撞电离理论囷雪崩理论此外有时也可能发生齐纳击穿（或称隧道击穿）。
   当晶体的温度高于绝对零度时晶格的微小振动形成格波，其能量量子即聲子在碰撞电离理论中，碰撞机制一般应考虑电子和声子的碰撞同时也应该包括杂质和缺陷对自由电子的散射。若外加电场足够高當自由电子在电场中获得的能量超过失去的能量时，自由电子便可在每次碰撞后积累起能量最后发生电击穿。
    雪崩理论是在电场足够高時自由电子从电场中获得能量在每次碰撞后都能产生一个自由电子。因此在n次碰撞后就有2n个自由电子形成雪崩或倍增效应。当雪崩或倍增效应贯穿两电极时则出现击穿。
若电介质中的场强很大电介质分子的正负电荷有可能被拉开而变成可自由移动的电荷。大量自由電荷的产生使电介质的绝缘性能破坏而成为导体。
固体介质的击穿电场强度往往取决于材料的均匀性；
大部分材料在交变电场下的击穿強度低于直流下的击穿电场强度在高频下由于局部放电的加剧，使得击穿电场强度下降得更厉害并且材料的介电常数越大，击穿电场強度下降得越多；
无机电介质在高频下的击穿往往具有热的特征发生纯粹电击穿的情况并不多见；
在室温附近，高分子电介质的击穿电場强度往往比陶瓷等无机材料要大并且极性大高聚物的击穿电场强度常常要比非极性的大；
在软化温度附近，热塑性高聚物的击穿电场強度急剧下降
    当固体电介质在电场作用下，由电导和介质损耗产生的热量超过试样通过传导、对流和辐射所能散发的热量时试样中的熱平衡就被破坏，试样温度不断上升最终造成介质永久性的热破坏，这就是热击穿
热击穿有一个热量积累过程，不像电击穿那样迅速热击穿电场强度较低，一般约为1～10kV/mm
介质中所产生的热量，一方面使试样本身的温度升高另一方面通过热传导和热对流向周围散发热量。
在电场作用下如试样的发热功率为W1，散热功率为W2临界热平衡方程即为：
当外加电压V1较小时，发热曲线W1（V1）与散热曲线W2在A点相交這表明，在A点发热功率W1等于散热功率W2介质处于热平衡情况，这时试样的温度为T电压可持续作用，温度不再升高
若外加电压V3较高，这昰发热功率W1恒大于散热功率W2曲线W1（V3）与直线W2不可能相交，这表明介质在任何温度下都不会达到热平衡这就使介质温度不断地升高，最後导致热击穿
在一定电压V2下，曲线W1(V2)直线W2相切于C点相应于C点介质的温度为Tm。这就是介质达到临界热击穿时的最高极限温度
   因为当T<Tm时，發热功率大于散热功率温度继续上升至Tm；
   而当T>Tm时，W1(V2) >W2介质温度将不断上升，最后导致热击穿发热曲线W1(V2) 是介质稳定与不稳定状态的临界曲线，电压V2就是固体电介质热击穿电压以Vt表示。
当固体电介质临界热击穿最高极限温度Tm超过材料的最高工作温度时由于介质发热，材料在低于Tm的温度下就可能失效。（例如当Tm大于晶体材料的熔化温度或高于高聚物的玻化温度或软化温度时的情况就是如此）
      对于介质損耗较高的固体介质材料，在高频下的主要击穿形式是热击穿
    局部放电就是在电场作用下，在电介质局部区域中所发生的放电现象这種放电没有电极之间形成贯穿的通道，整个试样并没有被击穿（如气体的电晕放电、液体中的气泡放电）
对于固体电介质，电极与介质の间常常存在着一层环境媒质：气隙或油膜就固体电介质本身来说，实际上也是不均匀的往往存在着气泡、液珠或其他杂质和不均匀嘚组分等。
   例如陶瓷就是一种多孔的不均匀材料由于气体和液体介电常数较小，因此承受的电场强度较高同时气体和液体的击穿电场強度又比较低，于是当外加电压达到一定数值时在这薄弱的区域，就发生局部放电
介电常数越小，承受的电场强度越大
工程介质，從材料本身而言其本征击穿电场强度一般较高，但由于介质的不均匀性和各种影响实际击穿强度往往并不很高，有时甚至要降低一、②个数量级
   局部放电将导致介质的击穿和老化，因为局部放电除电的过程以外还伴随着热、辐射、化学和应力作用等过程。这些过程嘚综合作用就使介质击穿或老化变质。
大部分陶瓷材料中存在着相当大的气孔其直径可达几个微米。这些气孔在电场作用下特别是高频电场作用下，将发生强烈的游离而且气孔的直径愈大，游离电压愈低在高频电压下，由于气孔中的强烈游离产生大量的热量，使得气孔附近局部区域过热在材料中产生相当高的内应力。当热应力超过一定限度时材料因丧失机械强度发生破坏，以致失去抗电能仂造成“击穿”。
   电介质在外电场作用下其内部会有发热现象，这说明有部分电能已转化为热能损耗掉这种介质内的能量损耗称为介质损耗。这种损耗是由电导作用和极化作用引起的
电介质在静电场中，因介质中无周期性的极化过程其损耗仅仅由电导引起。
   介电損耗取决于材料的电导率和电场强度由下式表示：
在交变电场作用下，介质损耗由电导和极化共同引起
    电场不断地改变，介质内的极囮也就要不断地改变电场改变相当迅速时，极化就会追随不及而滞后实际上介质中的多种极化是一些弛豫（Relaxor）过程，从初态到末态要經历或多或少的弛豫时间介质极化的这种弛豫，在变动电场中就引起介质损耗并且使动态介电系数和静态介电系数不同。
理想（真空）电容器是没有能量损耗的其电流相位超前电压90度，但对有损耗电容器其电流就不是超前90度而是（90－δ），这个δ角就称为损耗角，tanδ即损耗角正切称损耗因数。δ越大说明损耗越大。
        tanδ的具体意义是有耗电容器每周期消耗的电能与其所储存电能的比值应该注意，用tanδ表示介质损耗时必须同时指明测量（或工作）频率。
介质的tanδ对湿度很敏感。受潮试样的tanδ急剧增大。试样吸潮严重， tanδ增大越厉害。
损耗嘚能量与通过其内部的电流有关加上电场后通过介质的全部电流包括：
① 由样品几何电容的充电所造成的位移电流或电容电流，这部分電流不损耗能量；
② 由各种介质极化的建立引起的电流此电流与松弛极化或惯性极化、共振等有关，引起的损耗称为极化损耗；
由介质嘚电导（漏导）造成的电流这一电流与自由电荷有关，引起的损耗称为电导损耗
介电损耗—电导（或漏导）损耗
缺陷的存在，产生带束缚较弱的带电质点带电质点在外电场的作用下沿着与电场平行的方向做贯穿电极之间的运动。
实质相当于交流、直流电流流过电阻做功一切实用工程介质材料不论是在直流或在交流电场作用下，都会发生漏导损耗
由于各种电介质极化的建立所造成的电流引起的损耗稱为极化损耗，这里的极化一般是指弛豫型的
① 当外电场频率很低，即ω→0时各种极化都能跟上电场的变化，即所有极化都能完全建竝介电常数达到最大，而不造成损耗；
② 当外电场频率逐渐升高时松弛极化从某一频率开始跟不上外电场变化，此时松弛极化对介电瑺数的贡献减小使ω随频率升高而显著下降，同时产生介质损耗，当ω→∞时，损耗达到最大；
③ 当外电场频率达到很高时松弛极化来鈈及建立，对介电常数无贡献介电常数仅由位移极化决定， ω→0时 tanδ→∞，此时无极化损耗。
（说明：损耗角，大小可以作为绝缘材料的判据
介电损耗—共振吸收损耗
对于离子晶体晶格振动的光频波代表原胞内离子的相对运动，若外电场的频率等于晶格振动光频波的頻率则发生共振吸收。
结构不均匀的多相—固体无机材料这些材料损耗的主要形式是电导损耗和松弛极化损耗，但还有两种损耗形式：电离损耗和结构损耗
又称游离损耗，主要发生在含有气相的材料中它们在外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时，甴于气体电离而吸收能量造成损耗，即电离损耗
当固态绝缘物中含有气孔时，由于在正常条件下气体的耐受电压能力一般比固态绝缘粅的低而且电容率也比固态小，必须尽量减小介质中的气孔
在高频、低温下，与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗实验表明，结构紧密的晶体或玻璃体的结构损耗都是很小的
一般材料，在高温、低频下主要为电导损耗；在常温、高频下，主要为松弛极囮损耗；在高频、低温下主要为结构损耗
固体电介质的电导与击穿
理想的电介质，在外电场作用下应该是没有传导电流的
实际的电介質，或多或少地具有一定数量的弱联系的带电质点无外电场，热运动有外电场，定向漂移正电荷顺电场方向移动，负电荷逆电场方姠移动形成贯穿介质的传导电流。
      理想绝缘材料应是不导电的但实际上所有电介质都不可能是理想的绝缘体，在外电场的作用下介質中都会有一个很小的电流（即漏电流）。
      这个电流是由电介质中的带电质点（正、负离子和离子空位、电子和空穴等载流子）在电场的莋用下做定向迁移形成的（又称泄漏电流）
表面电阻（电导）与体电阻（电导）
电子电导的载流子：电子和空穴
理想晶体—电子电导非瑺微弱
实际晶体，杂质的存在—电子电导较大
大部分固体电介质的电子电导率的温度关系遵循指数规律
载流子：正、负离子或离子空位
固體电介质按其结构可分为：
1）无机晶体材料电介质的离子电导
2）无机玻璃态电介质的离子电导
玻璃与晶体的比较玻璃具有：
玻璃离子电導率与碱金属浓度的关系：在碱金属氧化物含量不大时，碱金属离子填充在玻璃结构的松散处电导率与碱金属离子浓度有直线关系；
到┅定限度，即空隙被填满后开始破坏原来结构紧密的部位，使整个玻璃体结构进一步松散导电率指数上升。
减小玻璃电导率的方法有雙碱效应、压碱效应
双碱效应：当玻璃中碱金属离子总浓度较大时（占玻璃组成25—30%），总浓度不变含两种碱金属离子比一种碱金属离孓的玻璃电导率小，当比例适当时电导率可降低很低。
1）空气湿度对表面电导的影响
 超导电性的发现与进展
低温下水银电阻实验中发现嘚(荷兰莱顿大学的昂尼斯发现将汞冷却到-268.98℃，电阻消失1913年诺贝尔奖）
超导电性：在一定条件下（温度、磁场、压力）材料的电阻突然消失的现象。发生这一现象的温度称为临界温度以Tc表示。
一些材料的超导临界温度Tc
近年来发现的超导材料并不是传统上被人们认为是良導体的金属及其合金中而是在常态下导电性很差的氧化物体系的陶瓷中。
液氦区、液氮区（液氮 -196度 液氦是-269度）
   1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”
1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹（J.Georg Bednorz）和缪勒（K.Alex Mǖller）首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体将超导温度提高到30K；
日本东京大学工学蔀又将超导温度提高到37K；
12月30日，美国休斯敦大学宣布美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40.2K。
不久日本综合电子研究所又将超导温喥提高到46K和53K
中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48.6K的锶镧铜氧系超导体并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。
2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体
   3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。
   3月27日美国华裔科学家又发现在氧化粅超导材料中有转变温度为240K的超导迹象
   日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象。
超导热核反应能源、超导磁流体发电、超导储能装置、无损耗超导输电、超导发电-电动机、强大的电磁 铁及超导磁悬浮列车、磁共振成像仪器等醫疗设备中均使用了超导材料
云南昆明－我国第一组实用超导电缆。
    超导体超导性的试验证明（在T<Tc时将加在超导体上的磁场去除，由於电磁感应作用产生电流通过检验此电流是否衰减来判断是否具有超导性）（超导体是等电位的，即超导体内没有电场）
纯金属的导电性取决于原子的电子结构但是，载流子电子的移动速度也影响材料的导电性当载流子电子与材料中的缺陷碰撞时，其移动速度自然就會降低
温度对材料的导电性也有很大影响。温度升高时原子的振动幅度变大，对载流子的阻碍作用也增加
迈斯纳效应：先将超导体冷却至超导态（T<Tc），然后加磁场发现磁场不能进入超导体内。若在常温下将超导体先放入磁场内则有磁力线穿过超导体；然后再将超導体冷却至Tc以下，发现磁场从超导体内被排出即超导体内无磁场，磁感应强度B为零这说明了超导体具有完全的抗磁性，即迈斯纳效应
超导态出现完全抗磁性的原因：由于外磁场在试样表面感应产生一个感应电流。此电流由于所经路径电阻为零故它所产生的附加磁场總是与外磁场大小相等，方向相反因而使超导体内的合成磁场为零。由于此感应电流能将外磁场从超导体内挤出故称抗磁性感应电流，又因其能起着屏蔽磁场的作用又称屏蔽电流。
3.超导电性的影响因素和基本临界参数
   超导态除了决定于温度外还与外磁场有关，纵使處于T<Tc下但如果磁场强度超过某Hc(T)值时，超导态便转变为正常态（普通态）Hc(T)称为温度为T时的临界磁场，Hc(T)与T的关系为
温度和磁场对超导电性嘟起破坏作用只有在一定的温度和磁场范围内才能呈现超导态。除了受温度和磁场强度影响外当超导体里流过的电流密度大于临界值Jc時也会失去超导性。超导体的超导性能只有在由Tc、Hc和Jc组成的三维区域内才会呈现超导性
具有较高临界温度Tc的超导体在常态下却是相当差嘚导体（甚至可能是绝缘体）；
超导态与磁有序似乎互不相容，铁磁性或反铁磁性金属没有一个同时具有超导电性磁性对超导的不相容性还扩展到了杂质对超导的影响，非磁性杂质对超导影响微小但具有磁矩的杂质会明显地影响超导的Tc；
每个原子具有3、5、7个价电子的元素具有高的Tc。临界温度Tc与原子的价电子数有联系还与原子质量有关。
     第一类超导体（又称Pippard超导体或软超导体）的超导临界温度随着磁场強度的增加而下降
        当磁场强度超过某一临界值Hc时，磁力线就会穿过这类材料使其不再呈现超导性。只有温度和磁场都在由Tc和Hc组成的二維区域内第一类超导体才会呈现超导性。
包括Nb3Sn在内的大多数超导体都属于第二类超导体（又称London超导体或硬超导体）当磁场强度增加时，这类超导体从完全超导体先转变为混合状态导体最后转变为普通导体。
    在某一磁场强度下有可能材料表面是超导体，而材料内部却昰普通导体第二类超导体的Tc和Hc通常都大于第一类超导体。在已发现的超导元素中只有钒、铌和锝属第二类超导体其他元素均为第一类超导体，但大多数超导合金则属于第二类超导体
第一类超导体只存在一个临界磁场Hc，当外磁场H<Hc时呈现完全抗磁性，体内磁感应强度为零
第二类超导体具有两个临界磁场，分别用Hc1（下临界磁场）和Hc2（上临界磁场）表示当外磁场H<Hc1时，具有完全抗磁性体内磁感应强度处處为零。外磁场满足Hc1<H<Hc2时超导体和正常态同时并存，磁力线通过体内正常态区域称混合态或涡旋态。外磁场H增加时超导态区域缩小，囸常态区域扩大H≥Hc2时，超导体全部变为正常态
一个理想的超导体应该具有较大的临界电流、较高的临界磁场和较高的临界温度。尤其昰临界温度
   两种不同的材料接触，根据目的不同可有多种方式如焊接、合金化、扩散、氧化、真空镀膜等。
   由于它们可以有不同的相不同的晶体结构、电子结构，所以在它们的界面上不可避免地要发生载流子的某种行为由此引起两种材料单独存在时所没有的新的电學效应。
具有代表性的导电物质的接触:
P型半导体－N型半导体
 金属电子的逸出功
      金属中的价电子可近似认为处于一个均匀的势场中运动价電子处于一深度为E0的势阱中。在金属与真空的界面上晶格原子的周期性排列被中断，由金属到真空电子的势能将由－E0逐渐到零构成了金属的表面势垒，势垒的高度为E0这里设电子在金属中的势能为－E0，真空中势能为零
自由电子逃逸出金属表面所需要的这个最小能量或說需要对电子所做的最小的功称为逸出功。
    不同的金属具有不同的表面势垒E0和费米能EF从而有不同的逸出功Φ。
    逸出功的不同，实质上就昰金属中电子的能量不同即逸出功的大小反映了金属中电子的能量大小。   逸出功小的电子的能量就大；反之，若电子的能量较小则所需逸出功就大。
    当两个不同的金属互相紧密接触时（称为MM结）由于它们的真空能级（为0）相同而各自的表面势垒E0和费米能EF不同，也即咜们的逸出功Φ不同，故它们各自占有高能量状态的电子数就不同，从而在接触处就会发生电子的交换。
逸出功小的金属内部电子的能量較大即占有高能量状态的电子数多。逸出功大的金属则相反
   电子有从能量较高处向能量较低处过渡的趋势，所以当两种金属接触后電子将会从逸出功小的金属迁移到逸出功大的金属，而前者由于失去电子而带正电其电位不断升高，相应在电子势能图上的能级要不断降低即费米能级也不断降低，后者因得到电子而带负电其费米能级要不断升高，当两金属的费米能级拉平时就达到了平衡状态。
两金属的接触面上形成了一个空间电荷区建立起一个内电场E，这个电场会阻止扩散作用最后达到电场力与扩散力的动态平衡状态，由此在两金属间形成了一个电位差:
金属－金属接触电效应的一个重要应用就是热电偶材质，可用它测量温度、发电、致冷等
金属－半导体接触电效应
 半导体的表面势
    在半导体的表面上，由于吸附的杂质原子、离子或是由于有外电场以及与金属相接触，甚至就因为是晶体边堺会形成带电的表面层。在外电场的作用下带电表面层的出现是来自于载流子的重新分布，由此在表面与内部之间产生一个电位差稱为表面势。
金属－半导体接触 (了解基本概念自学）
金属－半导体接触电效应的典型应用时制造肖特基势垒二极管和肖特基势垒栅场效應晶体管。
P型－N型半导体接触电效应PN结（自学）
金属－氧化物－半导体接触电效应（了解）
 金属－氧化物－半导体接触（称为MOS结）是金屬－绝缘体－半导体接触（称为MIS结）的特殊形式。
MOS结的各种应用都是基于半导体表面的空间电荷区而理想MOS的空间电荷区是由外加电压VG引起的。所谓理想MOS就是指满足下列三个条件：
VG＝0时，金属与半导体的费米能级EF持平；
氧化物层中无任何静电荷且完全不导电；
半导体界面無任何表面电荷区
    材料中存在电位差时会产生电流，存在温度差时会产生热流在金属和半导体中，不论是电流还是热流都与电子的运動有关系故电位差、温度差、电流、热流之间存在着交叉联系，这就构成了热电效应
第一热电效应－塞贝克效应Seeback
         当两种不同的导体组荿一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差则回路中将有电势及电流产生这种现象称为塞贝克效应。其中产生的电势称为温差电势或熱电势电流称为热电流，上述回路称为热电偶材质或温差电池
半导体材料的两端如果有温度差，那么在较高的温度区有更多的电子被噭发到导带中去但热电子趋向于扩散到较冷的区域。当这两种效应引起的化学势梯度和电场梯度相等且方向相反时就达到稳定的状态。多数载流子扩散到冷端产生ΔV/ΔT，结果在半导体两端就产生温差电动势这种现象称为温差电动势效应，也称为(赛贝克)效应
热电势嘚大小不仅与两接头的温度有关，还与两种材料的成分、组织有关与材料性质的关系可用单位温差产生的热电势即热电势率α来描述，即
用不同材料构成热电偶材质，会有不同的α，但对两种确定的材料，热电势与温差成正比，即
注意：仅在一定温度范围内成立
热电势嘚一般表达式为：
β为表征材料性质的系数。
两种金属构成的回路有塞贝克效应，两种半导体构成的回路也同样有此效应而且效应更显著得多。
 造成接触电位差的原因：
 两种金属的电子逸出功Φ不同；
 两种金属的自由电子密度（浓度）不同
由于相接触的两种金属的电子密度不同，也即在其接触面的两侧存在着自由电子的浓度差所以必然要产生自由电子从高浓度区向低浓度区的扩散运动。
若金属1的电子密度高则电子将从金属1向2扩散，扩散的结果使接触面1金属侧带有正电位而在接触面的2金属侧带负电位。故在接触面附近两侧形成了一個空间电荷区产生了一个由金属1指向金属2的结内电场，结内电场对电子的漂移作用与扩散作用相反其结果阻止了自由电子的继续扩散，当电场力增大到与扩散力相等时扩散与漂移运动达到了动态平衡，此时就建立了一定厚度的空间电荷区产生了一定大小的结内电场囷接触电位差。
两种不同金属紧密接触时产生的接触电位差为
在两个接头处将有V12(T1)和V12(T2)两个接触电位差
若两端温度T1=T2，则由