固體的導電性
正文
不同的固體有不同的導電特性,通常用電導率σ來量度它們的導電能力。電導率的定義是對固體施加的電場強度E與固體內電流密度J的比值。實驗研究指出:在不太強的電場下固體的電導通常服從歐姆定律,即電流密度與電場強度成正比,σ是與電場強度無關的。對於立方晶體或非晶態材料來說,電導率σ是各向同性的,是一個標量。在一般情況下,電導率可能是各向異性的,應該用一個二階張量表示。電導率的單位是歐-1·厘米-1。在許多情況下,電導率的倒數是一個使用起來更方便的量,稱之為電阻率,用ρ表示。根據電導率的數值及其與溫度的依賴關係,大致把固體分為三類:金屬、半導體和絕緣體,下面依次作簡要的說明。
金屬 金屬具有良好的導電性,其電導率在102歐-1·厘米-1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
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不僅電子與點陣振動相互作用是固體電阻的起因,點陣的不完整性,如缺陷、雜質的存在也破壞了嚴格的周期性勢場,也是電阻的起因。這種原因引起的電阻一般與溫度無關,在低溫下這部分電阻保持不變,不會消失,稱為剩餘電阻。如圖所示,為鈉在低溫時由於點陣缺陷散射機制引起的剩餘電阻。有些金屬和合金,在極低溫度下電阻率會突然降到零,在此轉變溫度下的物質叫做超導體(見超導電性)。
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絕緣體 通常把電導率小於10-15歐-1·厘米-1的材料稱作絕緣體。從能帶理論的觀點來看,絕緣體與半導體的區別僅在於絕緣體的禁頻寬度比半導體大,因此絕緣體中載流子濃度非常小,決定了絕緣體的電導率很小。
離子晶體和非導態固體 對某些離子晶體,還存在另一種導電機制──離子導電。它是靠外電場作用下正負離子的移動引起電流的。通常,離子電導率很小。
上述的固體電導都是指晶態固體,對於非晶態固體的電導還有自己的特點,見非晶態材料、非晶態半導體、非晶態電介質。