第六章 无机材料的电导教学提纲课件.ppt
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1、第六章-无机材料的电导,第一节 电导物理现象,一、电导宏观参数1、 电导率和电阻率,1、电导率和电阻率,为材料电阻率。单位:欧姆厘米(cm) 定义为材料电导率,单位欧姆-1厘米-1(-1 cm-1),材料电导率排序(-1 cm-1),一些材料电导率,2、体积电阻与体积电阻率,流经某一材料电流由两部分组成:I=IV+IS是,IV体积电流,IS表面电流,体积电流与表面电流都满足部分电路欧姆定律 IV=V/RV,IS=V/RS,式中RV,RS分别定义为体积电阻和表面电阻。,体积电阻,只有体积电阻反映材料导电能力。体积电阻RV与材料及样品几何尺寸有关h板状厚度(厘米),S板状样品电极面积(cm2),R
2、V体积电阻(),V体积电阻率(.cm),是描述材料电阻性能参数,它只与材料有关。,管状试样,圆片状试样,3、表面电阻与表面电阻率,两电极间表面电阻RS由左式决定,l电极间距离, b 电极长度,S样品表面电阻率,单位为欧姆。表示材料表面上,电流从任意大小正方形相对两边通过时,正方形电阻大小。(方阻)。S不反映材料性质,决定于样品表面状态。,对于圆片试样,二、电导物理特性,1、载流子电荷载体,可以是电子、空穴,也可以是正离子,负离子。金属导体中载流子是自由电子;无机材料中载流子可以是电子、离子。载流子为离子电导称为离子电导。载流子为电子电导称为电子电导。离子电导和电子电导具有不同物理效应,由此可以
3、确定材料电导性质。,霍尔效应:电子电导特征,a) 霍尔效应沿试样x轴通入电流,z方向上加磁场,y方向上将产生电场。RH霍尔系数,由公式H为霍尔迁移率,霍尔效应:电子电导特征,实质:运动电荷在磁场中受力所致,但此处运动电荷只能是电子,因其质量小、运动容易,故此现象只出现于电子电导时,即可用霍尔效应存在与否检验材料是否存在电子电导。,电解效应:离子电导特征,运动离子在电极附近发生电子得失而形成新物质,移为电解。可检验材料中是否存在离子电导。 法拉第电解定律指出:电解物质与通过电量成正比 g电解物质量,Q通过电量,C电化当量,F法拉第常数。,迁移率和电导率一般表达式,物质导电现象,其微观机理是载流子
4、在电场作用下定向迁移。单位面积S,单位体积内载流子数n,每一载流子荷电量q,单位体积内参加导电自由电荷nq。介质处在外电场中,作用于每一个载流子力等于qE。在这个力作用下,每一个载流子在E方向发生漂移,平均速度v。单位时间通过单位截面积S电荷量J=nqv=E/=E,第二节 离子电导,离子电导类型本征电导:由晶体点阵基本离子运动引起。离子自身随热运动离开晶格形成热缺陷,缺陷本身带电,可作为离子电导载流子。又叫固有离子电导,在高温下显著。杂质电导:由固定较弱离子运动造成,主要是杂质离子。在低温下显著。,一、载流子浓度,离子电导类型对于固有电导。热缺陷有两种类型,弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。弗仑克尔缺
5、陷填隙离子和空位浓度相等: N单位体积内离子结点数,Ef形成一个缺陷所需要能量,k波尔兹曼常数。,载流子浓度,肖特基空位浓度Es离解一个阴离子和一个阳离子并到达表面所需能量。热缺陷浓度决定于温度T和离解能E。杂质离子载流子浓度决定于杂质数量和种类。在低温时,离子晶体电导主要由杂质载流子浓度决定。,间隙离子势垒,离子电导微观机构为载流子 离子扩散。间隙离子处于间隙位置时,受周边离子作用,处于一定平衡位置(半稳定位置)。如要从一个间隙位置跃入相邻间隙位置,需克服高度为U0势垒。完成一次跃迁,又处于新平衡位置上。这种扩散过程就构成宏观离子“迁移”。无外加电场时,间隙离子在晶体中各方向“迁移”次数都相
6、同,宏观上无电荷定向运动,故介质中无电导现象。,加上电场后,由于电场力作用,晶体中间隙离子势垒不再对称。在顺电场方向和逆电场方向填隙离子单位时间内跃迁次数分别为:,间隙离子势垒变化,载流子迁移率,单位时间内每一间歇离子沿电场方向剩余跃迁次数为:P顺-P逆载流子沿电场方向迁移速率VV=P ,为迁移一次距离。在电场强度不太大时,U远小于kT,公式划简后载流子沿电流方向迁移率为,三、离子电导率,Ws称电导活化能,包括缺陷形成能和迁移能。本证离子电导率表示:,杂质电导,一般N2N1,但B2exp(-B1),说明杂质电导率比本征电导率大得多。离子晶体电导主要为杂质电导,离子电导率,如果物质存在多种载流子
7、,其中电导率可表示为:,扩散与离子电导,离子电导是在电场作用下离子扩散现象。主要有三种扩散机构:空位扩散间歇扩散亚晶格间歇扩散,在材料内部存在载流子浓度梯度 ,由此形成电流密度为:外加电场电流密度为:,在热平衡状态下,总电流为零。,能斯托-爱因斯坦方程,建立离子电导率与扩散系数关系。由电导率公式:=nq建立扩散系数D和离子迁移率关系:扩散系数随温度变化规律为:,影响离子电导因素,1、温度:温度升高,电导按指数规律增加。,晶体结构,关键点:活化能大小决定于晶体间各粒子结合力。而晶体结合力受如下因素影响a)离子半径:离子半径小,结合力大,活化能也大;b)离子电荷,电价高,结合力大,活化能大;c)堆
8、积程度,结合紧密,可供移动离子数目就少,移动困难,导致较低电导率。,晶格缺陷,只有离子晶体才能成为固体电解质,共价键晶体和分子晶体都不能成为固体电解质。离子晶体成为电解质条件1、电子载流子浓度小2、离子晶格缺陷浓度大并参与导电。离子性晶格缺陷生成及浓度大小是决定离子电导关键。,影响晶格缺陷生成和浓度主要原因,1、热激励生成晶格缺陷(肖特基与弗仑克尔缺陷) 2、不等价固溶体掺杂形成晶格缺陷3、离子晶体中正负离子计量比随气氛变化发生偏离,形成非化学计量比化合物。,第三节 电子电导,导电前提:外界能量(热、辐射)、价带中电子获得能量跃迁到导带中去。导电机制:电子或空穴(电子空穴)存在地:导体、半导体
9、理论描述:量子力学理论具严格周期性电场理想晶体中电子和空穴,绝对零度下运动象理想气体分子在真空中运动一样,电子运动时不受阻力,迁移率为无限大。,第三节 电子电导,实际情况:电场周期受到晶格热振动、杂质引入、位错和裂缝破坏。在电子电导实际材料中,电子与点阵非弹性碰撞引起电子波散射是电子运动受阻原因之一。载流子迁移率和浓度是重要决定因素。,一、电子迁移率-经典力学模型描述,金属中自由电子运动。1、在外电场E作用下,金属中自由电子被加速,其加速度为:a=eE/me2、电子和声子、杂质、缺陷相碰撞而散射,从而失去前进方向上速度矢量。(金属有电阻原因)3、发生碰撞瞬间,电子在前进方向上平均迁移速度为0,
10、由于电场作用,电子被加速,获得定向速度。,设两次碰撞之间平均时间为2(松弛时间),电子平均速度为v=eE/me电子迁移率=e/me,单位:cm2/(s.V)与晶格缺陷和温度有关,温度越高,晶格缺陷越多,电子散射率越大,越小。,量子力学理论描述,实际晶体中电子是不自由的。对半导体和绝缘体电子能态,必须用量子力学理论来描述。在量子力学理论中,计入晶格场对电子作用,得到一个有效质量表达式:有效质量可正可负(h-普朗克常数),得到自由电子迁移率:m*决定于晶格对导体:m*me对氧化物:m*= (2-10) me对碱式盐: m*= 0.5me,电子和空穴有效质量大小是由半导体材料性质决定。不同材料半导体
11、,电子和空穴有效质量不同。平均自由运动时间长短是由载流子散射强弱决定。散射越弱,越长,迁移率越高。掺杂浓度和温度对迁移率影响,本质上是对载流子散射强弱影响。,散射作用产生原因,1、晶格散射由于晶格振动产生散射叫晶格散射。温度越高,晶格振动越强,对载流子晶格散射也越强。在低掺杂半导体中,迁移率随温度升高而大幅度下降。,散射作用产生原因,2、电离杂质散射电离杂质产生带电中心对载流子有吸引或排斥作用,当载流子经过带电中心附近,就会发生散射。电离杂质散射影响与掺杂浓度有关。掺杂越多,载流子和电离杂质相遇而散射机会就越多。电离杂质散射强弱和温度有关。温度越高,载流子运动速度越大,对同样吸引和排除作用所受
12、影响越小,散射作用越弱。在高掺杂半导体中,迁移率随温度变化较小。,二、载流子浓度,晶格只有导带中电子或价带中空穴才参与导电。,材料能带结构,本征半导体中载流子浓度,半导体在外界作用下,价带中电子获得能量,跃迁到导带。导带中出现导电电子,在价带中留下空位(空穴)。在外电场作用下,价带中电子逆电场方向运动到空位,本身产生新空位,相当于空位顺电场方向运动。空穴导电这类载流子由半导体晶体本身提供半导体叫本征半导体。本征半导体载流子由热激发产生,其浓度与温度成指数关系。,本征半导体能带结构,根据费米统计理论,可以计算出导带中电子浓度以及价带中空穴浓度。浓度单位(1/cm3),杂质半导体中载流子浓度,(1
13、)杂质对半导体导电性能影响极大。在硅单晶中掺入十万分之一硼,可提高导电性能一千倍。(2)杂质半导体分n型半导体和p型半导体。n型半导体:掺入杂质价态比基质价态高,取代后多出一个电子,这种多余电子杂质能级称为施主能级。这类掺入施主杂质半导体叫n型半导体。p型半导体;掺入杂质价态比基质价态低,取代后出现一个空穴能级。此杂质能级叫受主能级,这类掺入受主杂质半导体叫p型半导体。,n型半导体载流子主要是导带中电子,导带中电子全部由施主能级提供。NC、ND分别为导带原子和施主原子数,EC,ED分别是导带和施主的能级,型半导体载流子主要是空穴NV、NA分别为价带和受主杂质浓度。Ei为电离能,Ei=EA-EV
14、。,三、电子电导率,在电子电导中,载流子电子、空穴浓度、迁移率常不一样,计算时应分别考虑。对本征半导体,其电导率为,电子电导率,对n型半导体第一项与杂质浓度无关。第二项与杂质浓度钕有关,低温时,第二项起主要作用;高温时,第一项起主要作用。,电子电导率,本征半导体或高温时杂质半导体电导率与温度关系为:=0 exp(-Eg/2kT) (ln与1/T呈直线关系)=0 exp(Eg/2kT) (ln与1/T也呈直线关系)对于P型半导体,电导率与温度关系典型曲线,a.具线性特征,表示该温度区间具有始终如一电子跃迁机构。b表示低温区主要是杂质电导,高温是本征电导c 表示在同一种晶体中同时存在两种杂质时电导
15、特性。,影响电子电导因素,1、温度对电子电导影响温度变化不大时,电导率与温度关系符合指数式。在低温下杂质离子散射起主要作用,高温下,声子散射起主要作用。实际材料中,ln与1/T关系曲线是非线性。,杂质及缺陷影响,杂质缺陷杂质对半导体性能影响是由于杂质离子(原子)引起新局部能级。价控半导体是通过杂质引入,导致主要成分中离子电价变化,从而出现新局部能级。可以通过改变杂质组成,获得不同电性能。,组分缺陷,组分缺陷:非化学计量配比化合物中,由于晶体化学组成偏离,形成离子空穴或间歇离子等晶格缺陷。阳离子空位阴离子空位间隙离子,阳离子空位,在MX型金属化合物中,M与X价态相同,当X过剩时,为保持电中性条件
16、,一部分阳离子升高一个电价,相当于原来阳离子俘获一个空穴,形成弱束缚。通过热激活,易放出空穴而参与电导,成为P型半导体。 其浓度与氧分压1/6成正比。 阳离子空位是一个负电中心,其能级距价带顶部很近,价带中电子容易吸收外来能量跃迁到改能级。吸收能量对应于一定可见光波长,使晶体具有特殊颜色。这种空穴又叫V心,为色心。,阴离子空位,TiO2等金属氧化物,在还原气氛中焙烧时,还原气氛夺取其中部分氧,在晶格中产生氧空位。 氧离子空位相当于一个带正电荷中心,能束缚电子。该电子能级距导带很近,容易吸收能量跃迁到导带中,具有导电能力,形成n型半导体。 吸收可见光同样使晶体具有特殊颜色。F心(色心)。,间歇离
17、子,由金属氧化物中金属离子过剩形成间隙离子缺陷。 在能带间隙内,形成施主中心,其能级距导带低部很近,容易吸收能量而电离,电子跃迁到导带,参与导电,形成n型半导体。,第四节 玻璃态电导,在含碱金属离子玻璃中,基本上表现为离子电导。玻璃体结构比晶体疏松,碱金属离子能够穿过大于其原子大小距离而迁移,同时克服一些位垒。玻璃体与晶体不同是,碱金属离子能阱不是单一数值,而是有高有低,这些位垒体积平均值就是载流子活化能。,玻璃态电导,纯净玻璃电导较小,含少量碱金属离子会使电导增加。由于玻璃结构松散,碱金属离子不能与两个氧原子联系以延长点阵网络,造成弱联系离子,电导增加。在玻璃体中,电导率与碱金属含量间关系,
18、注意三种现象:i)碱金属含量不大,与碱金属含量呈直线关系,碱金属只增加离子数目;碱金属含量超过一定限度,与碱金属含量呈指数关系,因为碱金属含量增加破坏玻璃网络,使玻璃结构更加松散,活化能降低, 导电率指数式上升。,玻璃态电导,ii) 双碱效应双碱效应:当玻璃中碱金属离子总浓度较大时(25%-30%),在总浓度相同情况下,含两种碱金属离子比含一种碱金属离子时电导率要小。通道堵塞,妨碍小离子运动,迁移率也降低。,硼钾锂玻璃电导率与锂、钾含量关系,压碱效应,压碱效应:含碱玻璃中加入二价金属氧化物,特别是重金属氧化物,玻璃电导率降低。二价离子与玻璃体中氧离子结合比较牢固,能嵌入玻璃网络结构,堵住离子迁
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