材料的电学性能定义

材料科学实验讲义 (一级实验指导书)

东华大学材料科学与工程中心实验室 汇编 2009年7月

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一、实验目的

按照导电性能区分，不同种类的材料都可以分为导体、半导体和绝缘体三大类。区分标准一般以106Ω?cm和1012Ω?cm为基准，电阻率低于106Ω?cm称为导体，高于1012Ω?cm称为绝缘体，介于两者之间的称为半导体。然而，在实际中材料导电性的区分又往往随应用领域的不同而不同，材料导电性能的界定是十分模糊的。就高分子材料而言，通常是以电阻率1012Ω?cm为界限，在此界限以上的通常称为绝缘体的高分子材料，电阻率小于106Ω?cm称为导电高分子材料，电阻率为106 ～1012Ω?cm常称为抗静电高分子。通常高分子材料都是优良的绝缘材料。

通过本实验应达到以下目的：

1、了解高分子材料的导电原理，掌握实验操作技能。 2、测定高分子材料的电阻并计算电阻率。 3、分析工艺条件与测试条件对电阻的影响。 二、实验原理

1、电阻与电阻率

材料的电阻可分为体积电阻(Rv)与表面电阻(Rs)，相应的存在体积电阻率与表面电阻率。

体积电阻：在试样的相对两表面上放置的两电极间所加直流电压与流过两个电极之间的稳态电流之商；该电流不包括沿材料表面的电流。在两

2.1. 固体电子理论 1.经典自由电子学说

自由电子在晶体中的行为如同气体，故又称电子气体 困难：

1）实测的电子对热容的贡献比经典自由电子学说估计值小得多 2）实际测量的电子平均自由程比经典理论估计值大许多 3）绝缘体、半导体、金属导体导电性为何存在巨大差异

2.量子自由电子学说

电子的能量是不连续的，而是存在一准连续的能级

量子自由电子学说尚无法解释为何绝缘体、半导体、金属的导电性能存在巨大差异 量子自由电子学说的局限是忽略了周期势场的影响

态密度物理意义：单位能量范围内所能容纳的电子数

费米能表示0K时基态系统电子所占有的最高能级的能量, 可以认为费米能不随温度变化

3. 有了能带概念，就可以说明金属和绝缘体的区别，并且由能带理论预言了介于两者之间的半导体的存在

单电子近似:假定固体中的原子核不动，并设想每个电子是在固定的原子核的势场中及其它电子的平均势场中运动，这样就把问题简化成单电子问题，这种方法称为单电子近似

能带论:用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论

紧束缚近似:如果用相反的思维过程，即先考虑电子完全被原子核束缚，然后再考虑近似束缚的电子，也可以得到能带概念，这种方法

MOSFET的主要电学性能参数

MOSFET的主要电学性能参数主要有七种： 1.阈值电压：

阈值电压也称为开启电压，是MOSFET的重要参数之一，其定义是使栅下的衬底表面开始发生强反型时的栅极电压，记为Vτ。在正常情况下，栅电压产生的电场控制着源漏间

沟道区内载流子的产生。使沟道区源端强反型时的栅源电压称为MOS管的阈值电压。

影响阈值电压的因素： a.栅氧化层厚度 b.衬底费米势 c.金属半导体功函数差 d.耗尽区电离杂质电荷密度

e.栅氧化层中的电荷面密度

阈值电压是MOSFET最重要的参数之一，要求精确的控制。在诸因素中，影响最大的是栅氧化层的厚度和衬底掺杂浓度，但这两个参量在很大的程度上会由其它设计约束事先确定。

2.饱和电压和饱和电流 MOSFET的饱和电压就是输出源-漏电流饱和时所对应的源-漏电压。源-漏电流饱和的状态也就是沟道在靠近漏极端处夹断了的状态。对于增强型MOSFET，源-漏电压VDS<(VGS-VT)时一定是非饱和状态（沟道未夹断），否则在VDS≥(VGS-VT)时一定为饱和状态（沟道夹断）；饱和电压就是VDsat=(VGS-VT)。对于耗尽型MOSFET，其饱和电压为VDsat=(VT-VGS)。

MOSFET的饱和电压即可给出一定栅极电压下的最大输出电流——饱和电流： 饱和电压(VGS-VT)的大小将直接影响到MOSFET的电压增益KVsat、截止频率fT和沟道渡越时间tch：

KVsat ∝ L/(VGS-VT) fT ∝ (VGS

第一章 材料的性能

我们在选用材料时，首先必须考虑的就是材料的有关性能，使之与构件的使用要求相匹配。材料的性能一般分为使用性能和工艺性能两大类。使用性能是指材料在使用过程中所表现的性能，包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能是指材料在加工过程中所表现的性能，包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。

由于力学性能是结构件选材的主要依据，因此本章主要介绍材料的力学性能。

第一节 材料的力学性能

材料在加工和使用过程中，总要受到外力作用。材料受外力作用时所表现的性能称为力学性能（又称机械性能），如强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形，外力去处后不能够恢复的变形称为塑性变形。 一、弹性与刚度

评价材料力学性能最简单和最有效的办法就是测定材料的拉伸曲线。将标准试样(见图1-1)施加一单轴拉伸载荷，使之发生变形直至断裂，便可得到试样伸长率 (试样原始标距的伸长与原始标距之比的百分率）随应力(试验期间任一时刻的力除以试样原始横截面积之商）变化的关系曲线，称为应力-应变曲线,图1-2为低碳钢的应力-应变曲线。

图1-1 圆形标准拉伸试样

图1-2 低碳

“压力” 定义：

压力分精神与物理两个领域的定义。物理定义具有客观属性，是指垂直作用于流体或固体界面单位面积上的力；而从心理学角度看，压力是心理压力源和心理压力反应共同构成的一种认知和行为体验过程。

“压力”定义：

压力是一种动态情境。在这种情境中，个体要面对与自己所期望的目标相关的机会、限制及要求，并且这种动态情境所产生的结果被认为是重要而又不确定的。

压力是个体对各种刺激做出生理、心理和行为反应的综合模式。与压力相关的几种主要因素是压力源、个体对压力源的认知、紧张状态。 “工作压力” 定义：

1. 工具书中的解释：亦称“职业应激”，由工作或与工作直接有关的因素所造成的应激。例如,工作负担过重、变换生产岗位、时间压力、工作责任过大或改变、机器对人要求过高、工作时间不规律、倒班、工作速度由机器确定、上班过远、工作的自然和社会环境不良等。研究表明,这些因素是工作人员日常生活中最主要的应激。

2. 学术文献中的解释：工作应激是指在机体工作环境影响下产生的心理和生理反应的综合状态,它代表了机体对于环境压力的一种反应。工作应激是指由工作或与工作直接有关的因素所造成的心理应激。过度的工作应激会导致疲劳、焦虑、压抑和工作能力下降,甚至发展为精疲力竭症等

“压力” 定义：

压力分精神与物理两个领域的定义。物理定义具有客观属性，是指垂直作用于流体或固体界面单位面积上的力；而从心理学角度看，压力是心理压力源和心理压力反应共同构成的一种认知和行为体验过程。

“压力”定义：

压力是一种动态情境。在这种情境中，个体要面对与自己所期望的目标相关的机会、限制及要求，并且这种动态情境所产生的结果被认为是重要而又不确定的。

压力是个体对各种刺激做出生理、心理和行为反应的综合模式。与压力相关的几种主要因素是压力源、个体对压力源的认知、紧张状态。 “工作压力” 定义：

1. 工具书中的解释：亦称“职业应激”，由工作或与工作直接有关的因素所造成的应激。例如,工作负担过重、变换生产岗位、时间压力、工作责任过大或改变、机器对人要求过高、工作时间不规律、倒班、工作速度由机器确定、上班过远、工作的自然和社会环境不良等。研究表明,这些因素是工作人员日常生活中最主要的应激。

2. 学术文献中的解释：工作应激是指在机体工作环境影响下产生的心理和生理反应的综合状态,它代表了机体对于环境压力的一种反应。工作应激是指由工作或与工作直接有关的因素所造成的心理应激。过度的工作应激会导致疲劳、焦虑、压抑和工作能力下降,甚至发展为精疲力竭症等

混凝土 $

*MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO $1,2.3,0.13,3.2E-4,,-5.E-5,1. $,,3

2,2.4,0.126,2.5E-4,,-5.E-5,0.4 ,,3.

*EOS_GRUNEISEN 2,0.2500,1.0,0.,0.,1.9,0.0 0.,1. $

$国际单位

*MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO_SPALL $1,2.3,0.13,3.2E-4,,-5.E-5,1. $,,3

2,2.4E+03,0.126E+11,2.5E+7,,-5.E+6,0.4E+11 ,,3.

*EOS_GRUNEISEN

2,0.2500E+4,1.0,0.,0.,1.9,0.0 0.,1. $

混凝土参数

密度 2.4g/cm剪切模量 12.6Cpa屈服应力 25Mpa抗拉强度GRUNEISEN状态方程参数

C=2500m/s S1=1.0 S2=0 S3=0 ω=1.9 A=0 E0=0 V0=1

sdyyds混凝土随动硬化模型 *mat_plastic_kinematic

3 2100 3.00e+10 0.18 2.0e+07 0 0

混凝土 $

*MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO $1,2.3,0.13,3.2E-4,,-5.E-5,1. $,,3

2,2.4,0.126,2.5E-4,,-5.E-5,0.4 ,,3.

*EOS_GRUNEISEN 2,0.2500,1.0,0.,0.,1.9,0.0 0.,1. $

$国际单位

*MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO_SPALL $1,2.3,0.13,3.2E-4,,-5.E-5,1. $,,3

2,2.4E+03,0.126E+11,2.5E+7,,-5.E+6,0.4E+11 ,,3.

*EOS_GRUNEISEN

2,0.2500E+4,1.0,0.,0.,1.9,0.0 0.,1. $

混凝土参数

密度 2.4g/cm剪切模量 12.6Cpa屈服应力 25Mpa抗拉强度GRUNEISEN状态方程参数

C=2500m/s S1=1.0 S2=0 S3=0 ω=1.9 A=0 E0=0 V0=1

sdyyds混凝土随动硬化模型 *mat_plastic_kinematic

3 2100 3.00e+10 0.18 2.0e+07 0 0

塑件塑料

PPS聚苯撑硫

Polyphenylene Sulphide

1、 通称：聚苯撑硫．

2、 缩写：PPS

3、 别名：（香港工业用俗称雷腾）硫化聚合物（Sulphidepolymer）

4、 供应商： 5、商品名称/注册商标：

Bayer Tedur

CibaGeigy Craston

General Electric Plastics Supcc

Hocchst Cclancsc Fortron

PhillipsChemicals Ryton

6、物料性质：

PPS是一种结晶热塑性塑料，以似苯撑（paraphenylcnc）组合为基，联合硫原子．质地易碎；加入填料后可大大改良物料的性质（如冲击强度、抗电弧及抗漏电痕迹）．市面上的PPS多数已混合玻璃纤维（如40％或矿物填料/玻璃纤维混合物）．这些PPS合成物有良好的机械及绝缘性质，可抗潮湿、化学品及高温（连续使用温度达240℃），本身已具防火性能，质地坚固（可比美铝质），抵抗蠕变，尺寸稳定性高，注塑复杂精密的制品亦毫无