功能材料及其应用复习资料 - 图文(3)

所有铁电晶体在铁电态下也同时具有压电性，即对晶体施加应力，将改变晶体的电极化。但是，压电晶体不同时具有铁电性。

石英是压电晶体，但并非铁电体；钛酸钡既是压电晶体又是铁电体。

机电耦合系数 k 是一个综合反映压电晶体的机械能与电能之间耦合关系的物理量，所以它是衡量压电材料性能的一个很重要参数。其定义为：

k＝转化的机械能/静电场下输入的电能 (逆压电效应) 或 k＝机械能转化的电能/输入的机械能 (正压电效应) 机电耦合系数 k 是一个无量纲的物理量。

在所有高分子压电材料中，聚偏二氟乙烯(PVDF) 具有特殊的地位，它不仅具有优良压电性、热电性和铁电性，而且还有优良的机械性能。

第四章 热电材料

所谓热电材料就是把热转变为电的材料。热电材料分为温差电动势材料，热电导材料和热释电材料。

由两种不同的导体(或半导体) A、B组成的闭合回路，当两接点保持在不同温度 T1，T2 时，回路中将有电流 I 通过，此回路称热电回路。回路中出现的电流称为热电流。回路中出现的电动势 EAB 称为塞贝克电动势。此效应称为塞贝克效应。

在热电回路中，正与两接点间的温度差而引起的塞贝克电动势相

反，通电时，在回路中会引起两种热效应，珀尔帖和汤姆逊热效应。前者出现在电极的两个接头处；后者发生在两个电极上。

珀尔帖热效应 ：

在热电回路的两个接头处，当电流 I 流过时将发生可逆的热效应，即有 △QII 的吸收或释放(依电流的方向而定), 其大小与电流 I 和流通的时间△t 成正比，即

△QII=ⅡABI△t

式中的比例系数ⅡAB 称为珀尔帖系数，其大小等于接点处通过单位电荷时吸收(或释放)的热量。

这种可逆的温差电热效应由珀尔帖 (Peltier) 在 1834 年发现的。由于珀尔帖效应，会使回路中一个接头发热，一个接头致冷。实质上是塞贝克效应的逆效应。

汤姆逊热效应 ：

在热电回路中，流过电流 I 时，在存在温度梯度 dT/dx 的导体上也将出现可逆的热效应 ,是放热还是吸热，依温度梯度和电流的方向而定，热效应的大小△QT与电流I、温度梯度 dT/dx 和通电流的时间△t 成正比，这种可逆的温差电热效应是由汤姆逊 (Thomson) 从理论上预言的。

温差电动势材料常用的有铜—康铜，金—金铁。

热释电材料实质为温敏材料，温度变化电导率变化较大。 热释电材料是指当某些晶体受温度变化影响时，由于自发极化的变化而在晶体特定方向上产生表面电荷。

第五章 光电材料

光能转变为电能的一类能量转换功能材料。常用三种光电功能材料：

（1）光电子发射材料 （2）光电导材料 （3）光电动势材料

光电子发射现象：当光照射到材料上，光被材料吸收产生发射电子的现象。光电子发射材料：具有光电子发射现象的材料。对于半导体 , 价电子逸出体外的条件是价电子吸收光子的能量以后 , 从价带跃迁到导带 , 然后再向表面扩散。负电子亲和势材料的发射效率比正电子亲和势材料的发射效率高得多。

受光照射电导急剧上升的现象被称为光电导现象。具有此现象的

材料叫光电导材料。又称作内光电效应材料或称为光敏材料。光照到半导体 ( 或

穴 ,这是两种载流子 , 它们都参与导电。由于光的作用产生的附加电导称之为光电

按光电导原理也可以反过来了解禁带宽度。当光的能量增加到一定值时 , 光电导急剧上升 , 此时的光频ν与禁带宽度的关系为 Eg=hυ 。式中 Eg 为禁带宽度 ;h 为普朗克常数 ; υ为光电导急剧增加时的光频。

在光照下 ,半导体 p-n 结的两端产生电位差的现象称为光生伏特效应。具有此效应的材料叫光生伏特材料又称光电动势材料。光电动势的原理 , 简言之是光照下 , 在光电动势材料上形成阻挡层 ,

两面可以产生电动势 。太阳能电池和光生伏特检测器都是光电动势材料的重要应用。

（一） 半导体 p-n 结的电子-空穴情况

一个 n 型半导体与一个 p 型半导体接触 , 将会在结的 p 侧存在自由空穴以及相等浓度的 (-) 电离受主杂质原子 , 这样才能保持电中性。在结的 n 侧存在自由电子以及相等数目的 (+) 电离施主杂质原子。载流子与受主和施主杂质原子处于热平衡 , 因此在晶体各处空穴浓度与电子浓度之和为常值 , 符合质量作用定律。

在每侧都存在低浓度的少数型载流子 ( 图中夸大地表示法 ), 与多数载流子处于热平衡。 聚集在 p 侧的空穴倾向于通过扩散均匀地分布满整个晶体 , 电子倾向于从 n 侧扩散出去。但是扩散会破坏电中性。一旦发生载流子扩散就必将引起少量电荷转移 , 因而在 p 侧留下过量 (-) 电离受主原子 , 而在 n 侧留下过量地 (+) 电离施主原子 , 如图 5-5(b) 所示。由此产生的电荷偶极层就会出现一个自 n 区指向 p 区的电场 , 它阻止继续扩散 , 维持两种载流子类型的分 离。这种在 p-n 结区附近由受主 (-) 离子与施主 (+) 离子产生的静电势梯度阻止扩散。这种 p-n 结区电场称为内建电场。

由于存在这种偶极层 , 晶体内的静电势在 p-n 结区就出现一个突变。在偶极层中 , 正电层和负电层中的电子和空穴 ( 即载流子 ) 的数目都是很少的 , 因此它的电阻很高 , 这一层称为阻挡层 , 阻挡层起到阻止电子和空穴扩散的作用。有了阻挡层才能 使扩散达到平衡。尽管有内建电场存在 , 但是在整个 p-n 结中没有剩余的空穴和电子 , 因此 p-n 结中并无外场电动势 , 外电场为零。

（二） 光生电动势的产生

对于上述情况 , 如果光照射到 p-n 结的接触面时 , 情况就大不一样 , 这时 p-n 结能够吸收光子 , 由于光激发而使电子和空穴激发。又由于有内建电场的存在 , 受到内建电场的作用 , 空穴将向 p 区移动而积累 , 而电子将相反 , 向 n 区移动而积累 , 从而形成净空间电荷。这些空间电荷不能够越过阻挡层而复合 , 这样必将有电动势产生。在这种情况下 ,p-n 结就形成光电池。

二、光电池的特征值 1. 开路电压 Vo

Vo是表示光电池在开路时的电压 , 也就是光电池的最大输出电压。

2. 短路电流Io

Io是表示光电池在外电路短路时的电流 , 也就是光电池的最大电流。

3. 转换效率η

转换效率η 为光电池的最大输出功率与入射到光电池结面上的

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