第一章電學效能
1.1 材料的導電性
，ρ稱為電阻率或比電阻，只與材料特性有關，而與導體的幾何尺寸無關，是評定材料導電性的基本引數。ρ的倒數σ稱為電導率。
一、金屬導電理論
1、經典自由電子理論
在金屬晶體中，正離子構成了晶體點陣，並形成乙個均勻的電場，價電子是完全自由的，稱為自由電子，它們瀰散分布於整個點陣之中，就像氣體分子充滿整個容器一樣，因此又稱為「電子氣」。它們的運動遵循理想氣體的運動規律，自由電子之間及它們與正離子之間的相互作用類似於機械碰撞。當對金屬施加外電場時，自由電子沿電場方向作定向加速運動，從而形成了電流。
在自由電子定向運動過程中，要不斷與正離子發生碰撞，使電子受阻，這就是產生電阻的原因。
2、量子自由電子理論
金屬中正離子形成的電場是均勻的，價電子與離子間沒有相互作用，可以在整個金屬中自由運動。但金屬中每個原子的內層電子基本保持著單個原子時的能量狀態，而所有價電子卻按量子化規律具有不同的能量狀態，即具有不同的能級。
0k時電子所具有最高能態稱為費密能ef。
不是所有的自由電子都參與導電，只有處於高能態的自由電子才參與導電。另外，電子波在傳播的過程中被離子點陣散射，然後相互干涉而形成電阻。
馬基申定則：，總的電阻包括金屬的基本電阻和溶質（雜質）濃度引起的電阻（與溫度無關）；從馬基申定則可以看出，在高溫時金屬的電阻基本取決於，而在低溫時則決定於殘餘電阻。
3、能帶理論
能帶：由於電子能級間隙很小，所以能級的分布可看成是準連續的，稱為能帶。
圖1-1(a)、(b)、(c)，如果允帶內的能級未被填滿，允帶之間沒有禁帶或允帶相互重疊，在外電場的作用下電子很容易從乙個能級轉到另乙個能級上去而產生電流，具有這種能帶結構的材料就是導體。
圖1-1(d)，若乙個滿帶上面相鄰的是乙個較寬的禁帶，由於滿帶中的電子沒有活動的餘地，即便是禁帶上面的能帶完全是空的，在外電場作用下電子也很難跳過禁帶，具有這種能帶結構的材料是絕緣體。
圖1-1(e)，半導體的能帶結構與絕緣體相同，所不同的是它的禁帶比較窄，電子跳過禁帶不像絕緣體那麼困難，滿帶中的電子受熱振動等因素的影響，能被激發跳過禁帶而進入上面的空帶，在外電場作用下空帶中的自由電子產生電流。
圖1-1 能帶填充情況示意圖
(a)、(b)、(c)金屬；(d)絕緣體；(e)半導體
溫度對材料導電性的影響：溫度公升高使離子振動加劇，熱振動振幅加大，原子的無序度增加，週期勢場的漲落也加大，這些因素都使電子運動的自由程減小，散射機率增加而導致電阻率增大。
二、無機非金屬導電機理
電導：材料在電場作用下產生漏電電流。
載流子：對材料來說，只要有電流就意味著有帶點粒子的定向運動，這些帶點粒子稱為載流子。
金屬材料電導的載流子是自由電子；無機非金屬材料電導的載流子可以是電子、電子空穴，或離子、離子空位。
載流子是電子或電子空穴的電導稱為電子式電導，載流子是離子或離子空位的電導稱為離子式電導。
本徵電導：離子電導源於晶體點陣中基本離子的運動。
雜質電導：離子電導是結合力比較弱的離子運動造成的，這些離子主要是雜質。
1.2 半導體的電學效能
一、本徵半導體的電學效能
本徵半導體：純淨的無結構缺陷的半導體單晶。
電學特性：
(1) 本徵激發成對地產生自由電子和空穴，所以自由電子濃度與空穴濃度相等，都是等於本徵載流子的濃度ni；
(2) 禁帶寬度eg越大，載流子濃度ni越小；
(3) 溫度公升高時載流子濃度ni增大；
(4) 載流子濃度ni與原子密度相比是極小的，所以本徵半導體的導電能力很微弱。
二、雜質半導體的電學效能
1、n型半導體
概念：在本徵半導體中摻入五價元素的雜質（磷、砷、銻）的半導體。
結構：摻入五價元素後，可以使晶體中的自由電子濃度極大地增加，這是因為五價元素的原子有五個價電子，當它頂替晶格中的乙個四價元素的原子時，它的四個價電子與周圍的四個矽（或鍺）原子以共價鍵相結合後，還餘下了乙個價電子變成多餘的。
多子：在n型半導體中，自由電子的濃度大（1.5*1014cm-3），故自由電子稱為多數載流子，簡稱多子。
少子：n型半導體中的空穴稱為少數載流子，簡稱少子。
在電場作用下，n型半導體中的電流主要由多數載流子——自由電子產生，也就是說，它是以電子電導為主。
2、p型半導體
概念：在本徵半導體中摻入三價元素（硼、鋁、鎵、銦）的雜質半導體。
結構：三價元素的原子只有三個價電子，當它頂替晶格中的乙個四價元素原子，並與周圍的四個矽（或鍺）原子組成四個共價鍵時，必然缺少乙個價電子，形成乙個空位置。
在電場作用下，p型半導體中的電流主要由多數載流子——空穴產生，即它是以空穴導電為主。
3、雜質半導體的特點
(1) 摻雜濃度與原子密度相比雖然很微小，但是卻能使載流子濃度極大地提高，因而導電能力也顯著地增強，摻雜濃度越大，其導電能力也越強。
(2) 摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此雜質半導體主要靠多子導電。當摻入五價元素時，主要靠自由電子導電；當摻入三價元素時，主要靠空穴導電。
三、金屬和半導體的電阻隨溫度變化規律不同
點陣振動的聲子散射：由於點陣振動使原子間距發生變化而偏離理想週期排列，引起禁帶寬度的空間起伏，從而使載流子的勢能隨空間變化，導致載流子的散射。顯然，溫度越高振動越激烈，對載流子的散射越強，遷移率下降。
電離雜質散射：由於隨溫度公升高載流子熱運動速度加大，電離雜質的散射作用也就相對減弱，導致遷移率增加。
1.3 絕緣體的電學效能
絕緣體：一般是指電阻率大於1010ω·m、用來限制電流流動的材料。
評價電介質的主要電學效能指標有介電常數、耐電強度、損耗因素、體電阻率和表面電阻率。
一、電介質的介電常數
當極板間為真空時，平板電容器的電容量c與平板的面積s、板間距離d的關係為，c0、分別為真空下的電容和介電常數，.
當極板間存在電介質時的介電常數為靜態介電常數。
帶有電介質的電容c與無電介質（真空）的電容c0之比稱為電介質的相對介電常數εr。
極化強度，不僅隨外電場強度e公升高而增加，而且取決於材料的相對介電係數。
復介電常數，實部；虛部.
介電強度：當施加於電介質上的電場強度或電壓增大到一定程度時，電介質就由介電狀態變為導電狀態，這一突變現象稱為電介質的擊穿，發生擊穿時的電場強度即為介電強度。
二、電介質的極化
電介質按其分子中正負電荷的分布狀況可以分為中性電介質、偶極電介質和離子型電介質。
極化：電介質在電場的作用下，其內部的束縛電荷所發生的彈性唯一現象和偶極子的取向（正端轉向電場負極、負端轉向電場正極）現象。
介質極化的基本形式
(1) 電子式極化：在電場作用下，構成介質原子的電子雲中心與原子核發生相對位移，形成感應電偶極矩而使介質極化的現象。電子位移極化的形成過程很快，外電場消失後會立即恢復原狀，不消耗任何能量。
(2) 離子式極化：在離子晶體中，除離子中的電子要產生位移極化外，處於點陣結點上的正負離子也要在電場作用下發生相對位移而引起極化。
(3) 偶極子極化：偶極分子在無外電場時就有一定的電偶極矩p，當有外電場時，由於偶極子要受到轉矩的作用，有沿外電場方向排列的趨勢，因而呈現巨集觀電偶極矩，形成極化。
(4) 空間電荷極化：在一部分電介質中存在著可移動的離子，在外電場作用下，正離子將向負電極側移動並積累，而負離子將向正電極側移動並積累。
三、電介質的介電損耗
介質損耗：電介質在電場作用下，在單位時間內因發熱而消耗的能量。
漏導電流：在外電場的作用下，總有一些帶電粒子會發生移動而引起微弱的電流，這種微小電流稱為漏導電流。
漏導損耗：漏導電流流經介質時使介質發熱而消耗了電能，這種因電導而引起的介質損耗稱為漏導損耗。
極化損耗：除電子、離子彈性位移極化基本上不消耗能量外，其他緩慢極化（例如鬆弛極化、空間電荷極化等）在極化緩慢建立的過程中都會因客服阻力而引起能量的損耗，這種損耗一般稱為極化損耗。
1.4 超導電性
超導電性：在一定的低溫條件下材料電阻突然失去的現象。
材料有電阻的狀態稱為正常態，失去電阻的狀態稱為超導態，材料由正常狀態轉變為超導狀態的溫度稱為臨界溫度。
超導體的三個效能指標：完全導電性、完全抗磁性和通量量子化。
評價超導體的三個效能指標：臨界轉變溫度tc、臨界磁場強度hc、臨界電流密度jc。
臨界磁場強度：破幻超導態的最小磁場。
臨界電流密度：保持超導態的最大輸入電流。
超導現象的物理本質：超導現象產生的原因是由於超導體中的電子在超導態時電子之間存在著特殊的吸引力，而不是正常態時電子之間的靜電斥力。這種特殊吸引力使電子雙雙結成電子對，電子對在材料中規則地運動時，如果碰到物理缺陷、化學缺陷或熱缺陷，而這種缺陷所給予電子的能量變化又不足以使「電子對」破壞，則此「電子對」將不損耗能量，即在缺陷處電子不發生散射而無障礙地通過，這時電子運動的非對稱分布狀態將繼續下去。
第二章磁學效能
1.1 磁性基本量及磁性分類
一、磁化現象和磁性的基本量
磁化：任何物質處於磁場中，均會使其所佔的空間的磁場發生變化，這是由於磁場的作用使物質表現出一定的磁性，這種現象稱為磁化。
磁化強度m：單位體積的磁矩。
磁化率χ：磁化強度m與磁場強度h之比，表徵磁介質屬性的物理量。
磁導率μ：磁感應強度b與磁場強度h之比，表徵磁介質磁性的物理量。
磁感應強度b：通過垂直於磁場方向單位面積的磁力線數稱為磁感應強度。
二、物質磁性的分類
圖2-1 五類磁體的磁化曲線示意圖
(1) 抗磁體：磁化率為很小的負數，它們在磁場中受微弱斥力，金屬約有一半簡單金屬是抗磁體。
(2) 順磁體：磁化率為正值，它們在磁場中受微弱吸力。
(3) 鐵磁體：在較弱的磁場作用下，就能產生很大的磁化強度，磁化率是很大的正數，且m或b與外磁場強度h呈非線性關係變化。鐵磁體在溫度高於某臨近溫度後變成順磁體，此臨近溫度稱為居里溫度或居里點。
(4) 亞鐵磁體：類似於鐵磁體，但磁化率沒有鐵磁體那麼大。
(5) 反鐵磁體：磁化率是很小的正數，在溫度低於某溫度時，它的磁化率隨溫度公升高而增大，高於這個溫度，其行為像順磁體。
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