《電阻效應(yīng)》課件

電阻效應(yīng)物理效應(yīng)專題課程課程目標(biāo)掌握電阻基本概念理解電阻的物理本質(zhì)和影響因素掌握測量方法學(xué)會測量不同條件下電阻變化了解應(yīng)用領(lǐng)域電阻的基本概念電阻定義導(dǎo)體阻礙電流通過的物理量電阻本質(zhì)電子在導(dǎo)體中運動受到的阻礙電阻效應(yīng)外部因素導(dǎo)致電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象電阻的符號和單位符號：R在電路圖中用電阻符號表示單位：歐姆(Ω)國際單位制電阻基本單位常用倍數(shù)kΩ(千歐)、MΩ(兆歐)、mΩ(毫歐)歐姆定律回顧歐姆定律表述導(dǎo)體兩端電壓與通過的電流成正比比例系數(shù)即為電阻數(shù)學(xué)表達式R=U/IU=I×RI=U/R電阻的物理本質(zhì)自由電子金屬中的自由電子可以移動碰撞散射電子與晶格原子、缺陷碰撞能量轉(zhuǎn)換電能轉(zhuǎn)化為熱能影響電阻大小的因素材料導(dǎo)體材質(zhì)決定電阻率長度長度與電阻成正比橫截面積截面積與電阻成反比溫度溫度影響電子散射概率導(dǎo)體材料對電阻的影響1.59銀電阻率(μΩ·cm)1.68銅電阻率(μΩ·cm)2.44金電阻率(μΩ·cm)9.71鋁電阻率(μΩ·cm)導(dǎo)體長度對電阻的影響導(dǎo)體長度(cm)電阻值(Ω)導(dǎo)體橫截面積對電阻的影響導(dǎo)線直徑(mm)電阻值(Ω)溫度對電阻的影響金屬導(dǎo)體：溫度升高，電阻增大半導(dǎo)體：溫度升高，電阻減小超導(dǎo)體：低于臨界溫度，電阻為零電阻溫度系數(shù)溫度系數(shù)定義單位溫度變化引起的電阻相對變化α=ΔR/(R?·ΔT)常見材料溫度系數(shù)銅：0.00393/℃鋁：0.00429/℃鉑：0.00393/℃碳：-0.0005/℃實驗：測量金屬導(dǎo)體的電阻準(zhǔn)備儀器數(shù)字萬用表、待測導(dǎo)體、溫度計室溫測量記錄室溫下導(dǎo)體電阻值加熱導(dǎo)體使用水浴或電熱設(shè)備逐步加熱記錄數(shù)據(jù)不同溫度下測量電阻值計算溫度系數(shù)根據(jù)公式計算溫度系數(shù)半導(dǎo)體的電阻特性載流子類型電子和空穴共同參與導(dǎo)電溫度特性溫度升高，電阻減小光照特性光照可產(chǎn)生更多載流子壓力特性壓力可改變能帶結(jié)構(gòu)溫度對半導(dǎo)體電阻的影響溫度(℃)相對電阻光敏電阻效應(yīng)光敏效應(yīng)原理光子激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴增加載流子濃度降低電阻常見光敏材料硫化鎘(CdS)硫化鉛(PbS)硒化鎘(CdSe)光敏電阻的應(yīng)用光度測量照度計曝光表相機自動曝光光控系統(tǒng)自動路燈光控開關(guān)安全報警裝置工業(yè)控制物體檢測位置傳感光電編碼器實驗：觀察光敏電阻特性搭建電路光敏電阻、電壓表、電源組成電路暗態(tài)測量遮光情況下測量電阻值不同光照控制光源亮度，逐步測量電阻分析結(jié)果繪制電阻-光照強度關(guān)系曲線電阻應(yīng)變效應(yīng)1應(yīng)力引起形變導(dǎo)體受力產(chǎn)生彈性形變2幾何尺寸變化長度增加，截面積減小3電阻率變化晶格結(jié)構(gòu)微小變化4電阻值變化形變引起電阻增大金屬電阻應(yīng)變片箔式應(yīng)變片金屬箔經(jīng)光刻形成柵格狀絲式應(yīng)變片細金屬絲彎曲排列成型半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度高，溫度影響大半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)原理應(yīng)力引起能帶結(jié)構(gòu)變化載流子遷移率變化電阻率顯著變化與金屬區(qū)別靈敏度高10-100倍既有正效應(yīng)也有負效應(yīng)各向異性更明顯溫度影響更大電阻應(yīng)變片的應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測橋梁、大壩、建筑變形監(jiān)測力學(xué)測量稱重傳感器、力傳感器工業(yè)領(lǐng)域扭矩測量、壓力傳感器醫(yī)療設(shè)備血壓計、生物力學(xué)研究實驗：測量電阻應(yīng)變片特性1裝片準(zhǔn)備應(yīng)變片粘貼于懸臂梁2接線測量連接惠斯通電橋電路3加載形變懸臂梁端部施加已知重量4計算應(yīng)變系數(shù)根據(jù)電阻變化和應(yīng)變計算磁電阻效應(yīng)效應(yīng)定義外磁場引起材料電阻變化洛倫茲力影響改變電子運動路徑自旋相關(guān)散射磁場影響自旋方向界面散射多層結(jié)構(gòu)界面電子傳輸普通磁電阻效應(yīng)原理洛倫茲力使電子路徑彎曲增加散射概率電阻率增加特點電阻變化率小(＜1%)需要較強磁場與磁場方向有關(guān)多為正磁電阻巨磁電阻效應(yīng)（GMR）基本結(jié)構(gòu)鐵磁層/非磁層/鐵磁層多層結(jié)構(gòu)效應(yīng)大小電阻變化率可達10-80%閾值磁場只需小磁場即可產(chǎn)生明顯效應(yīng)關(guān)鍵機制自旋依賴散射GMR的發(fā)現(xiàn)歷史11988年Fert和Grünberg分別發(fā)現(xiàn)GMR效應(yīng)21997年首個GMR硬盤讀頭商業(yè)應(yīng)用32007年Fert和Grünberg獲諾貝爾物理學(xué)獎GMR的物理機制電子自旋極化鐵磁材料中電子自旋方向不同自旋依賴散射自旋方向與磁化方向決定散射強度平行磁化一種自旋電子散射少，電阻小反平行磁化兩種自旋電子都強散射，電阻大GMR材料系統(tǒng)三明治結(jié)構(gòu)鐵磁/非磁/鐵磁三層結(jié)構(gòu)多層膜結(jié)構(gòu)鐵磁和非磁層交替多次沉積顆粒結(jié)構(gòu)鐵磁納米顆粒分散在非磁基體中自旋閥結(jié)構(gòu)一層磁化固定，一層可隨外場變化GMR的應(yīng)用：磁傳感器磁場測量電子羅盤、磁通門傳感器位置檢測轉(zhuǎn)速傳感器、角度傳感器電流測量無接觸電流傳感器安全檢測防偽檢測、貨幣識別GMR的應(yīng)用：硬盤讀頭GMR讀頭原理讀取磁盤上的磁化信息磁頭飛行高度＜10nm數(shù)據(jù)密度大幅提高技術(shù)突破存儲容量增長1000倍讀取靈敏度提高讀取速度更快微型化程度提高隧道磁電阻效應(yīng)（TMR）1量子隧穿電子穿過絕緣勢壘2自旋篩選隧穿概率依賴自旋方向3絕緣層勢壘氧化鋁或氧化鎂薄膜4鐵磁電極提供自旋極化電子TMR與GMR的比較特性GMR效應(yīng)TMR效應(yīng)分隔層導(dǎo)電非磁性金屬絕緣體隧道勢壘電子傳輸自旋依賴散射量子隧穿效應(yīng)大小10-80%可達600%阻抗較低較高實驗：觀察磁電阻效應(yīng)準(zhǔn)備樣品置入GMR薄膜樣品連接電路四探針法測量電阻加載磁場調(diào)節(jié)電磁鐵產(chǎn)生變化磁場測量記錄記錄不同磁場下電阻值變化超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)體在臨界溫度以下表現(xiàn)出兩種基本特性：1.零電阻效應(yīng)：電阻突然變?yōu)榱?.邁斯納效應(yīng)：完全排斥磁場超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)溫度(K)相對電阻超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)完全抗磁性超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強度為零表面電流表面感應(yīng)電流屏蔽外磁場磁懸浮現(xiàn)象排斥磁場產(chǎn)生穩(wěn)定懸浮力超導(dǎo)臨界溫度4.2K汞最早發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體9.2K鈮常用金屬超導(dǎo)體39KMgB?二硼化鎂92KYBCO釔鋇銅氧化物高溫超導(dǎo)體銅氧化物高溫超導(dǎo)體YBCO(釔鋇銅氧)BSCCO(鉍鍶鈣銅氧)臨界溫度高于液氮溫度鐵基超導(dǎo)體LaOFeAs(鑭氧鐵砷)臨界溫度約55K2008年發(fā)現(xiàn)氫化物超導(dǎo)體高壓下LaH??達250K需極高壓力(約170GPa)研究熱點領(lǐng)域超導(dǎo)體的應(yīng)用強磁場技術(shù)MRI磁共振成像儀磁懸浮列車低摩擦高速運輸電力輸送無損耗電能傳輸實驗：觀察超導(dǎo)體特性樣品準(zhǔn)備YBCO超導(dǎo)片、溫度計、磁鐵冷卻過程使用液氮冷卻至77K以下零電阻測量四探針法測量電阻變化磁懸浮演示小磁體放置于超導(dǎo)體上觀察懸浮熱電阻效應(yīng)溫度變化環(huán)境溫度或自身加熱變化材料特性變化載流子濃度或遷移率變化電阻值變化可正向或負向變化信號輸出溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號熱敏電阻的工作原理材料組成半導(dǎo)體氧化物燒結(jié)體MnO、NiO、Co?O?Fe?O?、CuO等物理過程溫度影響載流子濃度半導(dǎo)體能隙特性晶界勢壘變化導(dǎo)電機制變化正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻溫度(℃)相對電阻負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻溫度(℃)相對電阻熱敏電阻的應(yīng)用溫度測量電子溫度計家電溫控冷卻系統(tǒng)監(jiān)控電路保護過流保護浪涌電流限制過熱保護時間延遲啟動延時定時控制去抖動電路實驗：測量熱敏電阻特性連接電路熱敏電阻與萬用表串聯(lián)水浴加熱將熱敏電阻放入可控溫水浴溫度監(jiān)測用高精度溫度計監(jiān)測水溫記錄數(shù)據(jù)記錄不同溫度下的電阻值量子隧穿效應(yīng)波粒二象性電子具有波動性質(zhì)勢壘穿透電子波函數(shù)穿透薄勢壘3穿隧概率勢壘高度和寬度決定穿隧幾率隧穿電流宏觀表現(xiàn)為電阻變化隧道二極管隧道二極管利用量子隧穿效應(yīng)在正向低電壓下表現(xiàn)負電阻效應(yīng)可用于高頻振蕩、開關(guān)電路共振隧穿二極管基本結(jié)構(gòu)雙勢壘量子阱結(jié)構(gòu)精確控制的多層薄膜共振隧穿原理量子阱內(nèi)形成量子能級電子能量匹配時共振增強電壓改變能級位置產(chǎn)生峰值電流和負電阻區(qū)量子阻變器件量子點結(jié)構(gòu)納米尺度約束電子運動庫侖阻塞單電子充電效應(yīng)導(dǎo)致電阻變化柵極控制外加電場調(diào)節(jié)量子態(tài)和電阻霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)原理帶電粒子在磁場中受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢差霍爾電壓與磁場強度成正比霍爾電阻與載流子濃度有關(guān)可判斷載流子類型常與磁電阻效應(yīng)同時存在霍爾傳感器及其應(yīng)用位置感測轉(zhuǎn)速計、位置開關(guān)電流測量無接觸電流表汽車應(yīng)用點火定時、ABS系統(tǒng)電阻效應(yīng)在傳感器中的應(yīng)用綜述溫度傳感熱敏電阻、RTD應(yīng)變測量應(yīng)變片、壓力傳感器磁場檢測GMR、TMR傳感器光照檢測光敏電阻、光電器件電阻效應(yīng)在電子器件中的應(yīng)用存儲器MRAM、RRAM存儲技術(shù)開關(guān)元件相變存儲器、憶阻器邏輯器件低功耗電阻邏輯電路保護裝置PTC熱敏電阻、壓敏電阻新型電阻效應(yīng)材料研究進展納米材料納米線、納米管量子點陣列極高靈敏度二維材料石墨烯過渡金屬二硫化物特殊拓撲特性多鐵性材料同時具有鐵電鐵磁性電場控制電阻變化低能耗開關(guān)特性電阻效應(yīng)在未來技術(shù)中的潛力神經(jīng)形態(tài)計算憶阻器模擬突觸功能能源技術(shù)熱電轉(zhuǎn)換、高效傳輸3量子信息自旋電子學(xué)量子位4生物醫(yī)學(xué)高靈敏生物傳感器課程總結(jié)基礎(chǔ)物理電阻效應(yīng)的物理機制材料特性不同材料的電阻特性傳感技術(shù)基于電阻效應(yīng)的傳感器前沿應(yīng)用新型電阻效應(yīng)與發(fā)展方向思考題1溫度效應(yīng)為什么金屬和半導(dǎo)體的溫度系數(shù)