固體的導(dǎo)電性

不同的固體有不同的導(dǎo)電特性,通常用電導(dǎo)率來量度它們的導(dǎo)電能力。電導(dǎo)率的定義是對固體施加的電場強(qiáng)度與固體內(nèi)電流密度的比值。實(shí)驗(yàn)研究指出:在不太強(qiáng)的電場下固體的電導(dǎo)通常服從歐姆定律，即電流密度與電場強(qiáng)度成正比,是與電場強(qiáng)度無關(guān)的。對于立方晶體或非晶態(tài)材料來說,電導(dǎo)率是各向同性的，是一個標(biāo)量。在一般情況下,電導(dǎo)率可能是各向異性的,應(yīng)該用一個二階張量表示。電導(dǎo)率的單位是歐·厘米。在許多情況下，電導(dǎo)率的倒數(shù)是一個使用起來更方便的量，稱之為電阻率，用表示。

根據(jù)電導(dǎo)率的數(shù)值及其與溫度的依賴關(guān)系，大致把固體分為三類:金屬、半導(dǎo)體和絕緣體，下面依次作簡要的說明。

金屬 金屬具有良好的導(dǎo)電性,其電導(dǎo)率在10歐·厘米以上。金屬中的電流密度可寫成電子電荷、電子的平均漂移速度尌和電子濃度的乘積,即?？啥x電子平均速度與電場強(qiáng)度的比值為電子遷移率。這樣一來，電導(dǎo)率可表為=。在歐姆定律成立的條件下，遷移率與電場強(qiáng)度無關(guān)，決定于材料的性質(zhì)。最早提出的金屬導(dǎo)電理論是P.K.L.德魯?shù)碌慕?jīng)典理論。假定金屬中價電子在電場中以同樣方式運(yùn)動，通過碰撞與組成點(diǎn)陣的離子實(shí)交換能量;在兩次碰撞之間，電子被電場加速。電子在碰撞與加速這兩種作用之下，具有一定的平均速度，即一定的遷移率，從而能解釋歐姆定律。類似的考慮應(yīng)用到熱導(dǎo)理論，可以解釋維德曼-夫蘭茲定律，但德魯?shù)碌睦碚摬荒芙忉尳饘匐妼?dǎo)率與溫度的依賴關(guān)系，也不能解釋電子具有幾百個原子間距的長自由程的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。這些矛盾直到人們用量子理論系統(tǒng)地研究了電子在晶體中運(yùn)動的能帶理論才得到了解決(見固體的能帶)。能帶論指出，導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體導(dǎo)電性是由于它們的能帶結(jié)構(gòu)不同造成的。金屬導(dǎo)體具有未被電子填滿的能帶，這種帶中的電子能起導(dǎo)電作用，稱為導(dǎo)帶。能帶理論還指出，在嚴(yán)格的周期性勢場中，電子可保持處于某個本征態(tài)，且不隨時間改變，也就是說，在嚴(yán)格的周期性勢場中電子具有無限長的自由程，不會受到散射。因此，金屬中的電阻并不是由于電子與周期排列的原子的碰撞，而是由于原子在平衡位置附近的熱振動(點(diǎn)陣振動)。使嚴(yán)格的周期性勢場遭到破壞，引起散射的結(jié)果?？紤]了電子與點(diǎn)陣振動的相互作用，即電子-聲子相互作用之后，理論才很好地解釋了電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系，以及電子具有幾百個原子間距的長自由程的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。經(jīng)驗(yàn)表明，金屬的電阻率與溫度的關(guān)系大致上可用一個普適函數(shù)

來表示, 式中是一個特征函數(shù)，接近于德拜溫度(見德拜模型)，是絕對溫度。函數(shù)在高溫時趨于1,低溫下正比于(/)。即在高溫時，電阻率正比于,低溫下正比于。

不僅電子與點(diǎn)陣振動相互作用是固體電阻的起因，點(diǎn)陣的不完整性，如缺陷、雜質(zhì)的存在也破壞了嚴(yán)格的周期性勢場，也是電阻的起因。這種原因引起的電阻一般與溫度無關(guān)，在低溫下這部分電阻保持不變，不會消失，稱為剩余電阻。如圖所示，為鈉在低溫時由于點(diǎn)陣缺陷散射機(jī)制引起的剩余電阻。有些金屬和合金，在極低溫度下電阻率會突然降到零，在此轉(zhuǎn)變溫度下的物質(zhì)叫做超導(dǎo)體(見超導(dǎo)電性)。

固體的導(dǎo)電性 半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的電導(dǎo)介于金屬和絕緣體之間。對于本征半導(dǎo)體,在絕對零度時,它只有完全被電子填滿的價帶和全空的導(dǎo)帶,二者之間存在著一個帶隙,或稱禁帶(見固體的能帶)。當(dāng)溫度升高時，有少量電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生能導(dǎo)電的電子和空穴，載流子濃度與溫度有關(guān)，其電導(dǎo)率隨溫度的變化可近似表示為e，是常數(shù)，是絕對溫度。對于摻雜半導(dǎo)體的電導(dǎo)，以及半導(dǎo)體的導(dǎo)電中其他問題，見半導(dǎo)體物理學(xué)。

絕緣體 通常把電導(dǎo)率小于10歐·厘米的材料稱作絕緣體。從能帶理論的觀點(diǎn)來看，絕緣體與半導(dǎo)體的區(qū)別僅在于絕緣體的禁帶寬度比半導(dǎo)體大，因此絕緣體中載流子濃度非常小，決定了絕緣體的電導(dǎo)率很小。

離子晶體和非導(dǎo)態(tài)固體 對某些離子晶體，還存在另一種導(dǎo)電機(jī)制──離子導(dǎo)電。它是靠外電場作用下正負(fù)離子的移動引起電流的。通常，離子電導(dǎo)率很小。

上述的固體電導(dǎo)都是指晶態(tài)固體，對于非晶態(tài)固體的電導(dǎo)還有自己的特點(diǎn)，見非晶態(tài)材料、非晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)電介質(zhì)。

綜述:

不同的固體有不同的導(dǎo)電特性,通常用電導(dǎo)率σ來量度它們的導(dǎo)電能力。電導(dǎo)率的定義是對固體施加的電場強(qiáng)度E與固體內(nèi)電流密度J的比值。實(shí)驗(yàn)研究指出:在不太強(qiáng)的電場下固體的電導(dǎo)通常服從歐姆定律，即電流密度與電場強(qiáng)度成正比,σ是與電場強(qiáng)度無關(guān)的。對于立方晶體或非晶態(tài)材料來說,電導(dǎo)率σ是各向同性的，是一個標(biāo)量。在一般情況下,電導(dǎo)率可能是各向異性的,應(yīng)該用一個二階張量表示。電導(dǎo)率的單位是S/m。在許多情況下，電導(dǎo)率的倒數(shù)是一個使用起來更方便的量，稱之為電阻率，用ρ表示，單位是Ω·m。

根據(jù)電導(dǎo)率的數(shù)值及其與溫度的依賴關(guān)系，大致把固體分為三類:金屬、半導(dǎo)體和絕緣體，下面依次作簡要的說明。

金屬具有良好的導(dǎo)電性,其電導(dǎo)率在10 Ω·cm以上。金屬中的電流密度J可寫成電子電荷e、電子的平均漂移速度尌和電子濃度n的乘積，即可定義電子平均速度與電場強(qiáng)度E的比值為電子遷移率。這樣一來，電導(dǎo)率σ可表為σ=neμ。在歐姆定律成立的條件下，遷移率μ與電場強(qiáng)度無關(guān)，決定于材料的性質(zhì)。最早提出的金屬導(dǎo)電理論是P.K.L.德魯?shù)碌慕?jīng)典理論。假定金屬中價電子在電場中以同樣方式運(yùn)動，通過碰撞與組成點(diǎn)陣的離子實(shí)交換能量;在兩次碰撞之間，電子被電場加速。電子在碰撞與加速這兩種作用之下，具有一定的平均速度，即一定的遷移率，從而能解釋歐姆定律。類似的考慮應(yīng)用到熱導(dǎo)理論，可以解釋維德曼-夫蘭茲定律，但德魯?shù)碌睦碚摬荒芙忉尳饘匐妼?dǎo)率與溫度的依賴關(guān)系，也不能解釋電子具有幾百個原子間距的長自由程的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。這些矛盾直到人們用量子理論系統(tǒng)地研究了電子在晶體中運(yùn)動的能帶理論才得到了解決(見固體的能帶)。能帶論指出，導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體導(dǎo)電性是由于它們的能帶結(jié)構(gòu)不同造成的。金屬導(dǎo)體具有未被電子填滿的能帶，這種帶中的電子能起導(dǎo)電作用，稱為導(dǎo)帶。能帶理論還指出，在嚴(yán)格的周期性勢場中，電子可保持處于某個本征態(tài)，且不隨時間改變，也就是說，在嚴(yán)格的周期性勢場中電子具有無限長的自由程，不會受到散射。因此，金屬中的電阻并不是由于電子與周期排列的原子的碰撞，而是由于原子在平衡位置附近的熱振動(點(diǎn)陣振動)。使嚴(yán)格的周期性勢場遭到破壞，引起散射的結(jié)果?？紤]了電子與點(diǎn)陣振動的相互作用，即電子-聲子相互作用之后，理論才很好地解釋了電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系，以及電子具有幾百個原子間距的長自由程的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。經(jīng)驗(yàn)表明，金屬的電阻率與溫度的關(guān)系大致上可用一個普適函數(shù)來表示, 式中ΘR是一個特征函數(shù)，接近于德拜溫度(見德拜模型)，T是絕對溫度。函數(shù)f在高溫時趨于1，低溫下正比于(T/ΘR)。即在高溫時，電阻率正比于T，低溫下正比于T。

不僅電子與點(diǎn)陣振動相互作用是固體電阻的起因，點(diǎn)陣的不完整性，如缺陷、雜質(zhì)的存在也破壞了嚴(yán)格的周期性勢場，也是電阻的起因。這種原因引起的電阻一般與溫度無關(guān)，在低溫下這部分電阻保持不變，不會消失，稱為剩余電阻。如圖所示，為鈉在低溫時由于點(diǎn)陣缺陷散射機(jī)制引起的剩余電阻。有些金屬和合金，在極低溫度下電阻率會突然降到零，在此轉(zhuǎn)變溫度下的物質(zhì)叫做超導(dǎo)體(見超導(dǎo)電性)。

半導(dǎo)體的電導(dǎo)介于金屬和絕緣體之間。對于本征半導(dǎo)體，在絕對零度時，它只有完全被電子填滿的價帶和全空的導(dǎo)帶，二者之間存在著一個帶隙，或稱禁帶(見固體的能帶)。當(dāng)溫度升高時，有少量電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生能導(dǎo)電的電子和空穴，載流子濃度與溫度有關(guān)，其電導(dǎo)率隨溫度的變化可近似表示為σ∝e，A是常數(shù)，T是絕對溫度。對于摻雜半導(dǎo)體的電導(dǎo)，以及半導(dǎo)體的導(dǎo)電中其他問題，見半導(dǎo)體物理學(xué)。

從能帶理論的觀點(diǎn)來看，絕緣體與半導(dǎo)體的區(qū)別僅在于絕緣體的禁帶寬度比半導(dǎo)體大，因此絕緣體中載流子濃度非常小，決定了絕緣體的電導(dǎo)率很小。

對某些離子晶體，還存在另一種導(dǎo)電機(jī)制──離子導(dǎo)電。它是靠外電場作用下正負(fù)離子的移動引起電流的。通常，離子電導(dǎo)率很小。

上述的固體電導(dǎo)都是指晶態(tài)固體，對于非晶態(tài)固體的電導(dǎo)還有自己的特點(diǎn)，詳見非晶態(tài)材料、非晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)電介質(zhì)。

導(dǎo)電性復(fù)合纖維，在制造過程中不產(chǎn)生成分剝離，長期使用時仍保持初期的導(dǎo)電性能，而且染色牢固度優(yōu)良。將含有15-50重量%導(dǎo)電性炭黑的導(dǎo)電性聚酰胺層(A)和由特定組成的聚酰胺形成的保護(hù)聚合物層(B)進(jìn)行復(fù)合，使導(dǎo)電性聚酰胺層(A)露出纖維表面，其表面露出部分的數(shù)量，每1單絲有3處以上，每1個纖維斷面周長方向上的露出距離L↓[1](μm)滿足下式，而且，保護(hù)聚合物層(B)占纖維面周長的60%以上，纖維總重量的50-97重量%。0.1≤L↓[1]≤L↓[2]/10(1)L↓[2]∶1根單絲纖維的斷面周長(μm)。

其特征是由導(dǎo)電性聚合物層(A)和保護(hù)聚合物層(B)形成的導(dǎo)電性復(fù)合纖維，而導(dǎo)電性聚合物層(A)是由含15~50重量%導(dǎo)電性炭黑的熱塑性聚酰胺形成，保護(hù)聚合物層(B)是由熔點(diǎn)在170℃以上的熱塑性聚酰胺形成，由任意纖維斷面看時，導(dǎo)電性聚合物層(A)在纖維表面上露出3處以上，每一個露出處的露出距離L↓[1](μm)滿足下式(1)，且保護(hù)聚合物層述。