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多晶氧化物半导体中晶界对电导的影响摘要：本文主要讨论NTC多晶氧化物半导体中晶界对电导的影响。研究表明，NTC多晶氧化物半导体的电导是由晶粒中载流子的热激发并穿过晶界势垒形成的，电导同时受着晶粒和晶界的控制， ；材料R-T特性不是严格的指数曲线；材料常数与温度有关，B=B0+Tn 。因此，研究晶界的行为，对制备高性能NTC材料具有重要意义。关键词：多晶体氧化物半导体；晶界；电导；材料常数中国分类号：TB381 文献标识码：A 文章编号：The Dependence Of Grain Boundary On Conductivity InNTC Dollycrytalline Oxide SemiconductorJiang Chaolun Tao Minggde(Departant Of Electronic Engineering RD,CO.LTD,Zhaoqing,Guangdong 526020) Abstract：In this paper, the dependence of grain boundary on conductivity in NTC polycrystalline oxide semiconductor was discussed. Research indicates that the conductivity in NTC polycrystalline oxide semiconductor results from activated carrier in grain and passing though boundary. ;Resistance-Temperature characteristic is not a strictly exponential curve and material constant B is the function of temperature, B=B0+Tn. Thus the study of grain boundary behaviours in polycrystalline oxide semiconductor is importance for preparation of good NTC material.Key words: polycrystalline oxide semiconductor,；grain boundary；conductivity； material constant.关于多晶氧化物半导体的结构，性能及应用曾有不少研究1、2、3 。但对其导电机制，载流子的行为，尤其是晶界性质及其对电导的影响研究甚少。近年来我们在研究多晶NTC材料的热处理效应、材料的老化特性和材料的稳定性时发现晶界对材料的电导有重要影响。实验表明，NTC多晶氧化物半导体的压降具有阶跃形式；材料的R-T特性严重偏离指数关系；材料常数（B值）随温度升高而增大；材料的迁移率具图1.NTC多晶体材料和掺金硅单晶材料的压降曲线Fig1.voltage drop ofNTC Polycrstal and doped Au-si crytal有热激活性质。这些现象说明多晶氧化物半导体中载流子的行为与晶界的存在密切相关。本文将通过实验结果的分析，讨论NTC多晶氧化物半导体中晶界对电导的影响。图2 多晶体氧化物的电镜照片Fig2.SEM photograph of polycrystal Oxide一、多晶氧化物半导体的压降多晶氧化物半导体是由晶粒、晶界和气孔组成的体系。材料中晶界密度与晶粒的密度有相同的数量级，晶界具有不同的类型，并呈现出不同的电学特性4。图1是CO2.0，Mn1.7，Ni1.3，1250绕结样品的压降曲线。测量方法如图1所示的，在抛光样品的表面安放一滑动的微型探针S，随探针的连续滑动，测量电极A和探针S之间的压降V，绘出V与电极A和探针S之间的距离X的曲线（如图1中的曲线I），曲线II是同样方法测得的掺金硅单晶热敏材料的压降曲线。由曲线I测得电压的平均跳跃幅度为0.05V，跳跃跨度的距离为3-5nm。两次跳跃之间的平均距离为3-5m。通过扫描电镜测得样品的晶粒尺寸为3-5m（如图2）。这一测量在不同配方的样品上得到相同的结果。曲线I和曲线II比较，可以看出，不含有晶界的硅晶的压降并不发生跳跃。因此，我们有理由认为多晶氧化物半导体的压降跳跃发生在晶界处，电压跳跃的幅度与势垒的高度有关。根据图1得到样品的压降：式中VGi为第i个晶粒的压降，VBj为第j个晶界的压降。若样品中晶粒的数目与晶界的数目相等（实际上是不相等），即N=M，则有: (1)可见多晶氧化物半导体的压降等于晶粒压降与晶界压降之和。实践表明，晶粒越小，即晶粒数目越大，晶界的密度越高，压降越大，材料的电阻率越高。 图3 多晶氧化物和掺晶硅B值与温度的关系Fig3.Temperature Dependence of B value of polycrystalline Oxide and doped Au-Si二、多晶氧化物半导体的材料常数（B值）与温度的关系图3示出了CoMnNiO多晶氧化物半导体和掺金硅单晶材料常数与温度的关系。可以看出，氧化物半导体的B值随温度的升高而增大，它们之间的关系可表示为：B=Bo+Tn （2）n为一小的正数，随材料配方不同而异，是B值的温度系数与材料结构有关。与之相比，掺金硅单晶的B值随温度升高而下降，这主要是由于迁移率随温度升高而下降所致5。大量研究表明多晶中的晶界是由两个背靠背的肖特基二极管组成。晶界与晶粒的界面是原子无序排列的非晶结构。随温度的升高，非晶层中局域态的电子会热激发,改变界面层的电荷分布，使晶界势垒高度发生变化，导致材料B值随温度升高而增大6。三、多晶氧化物半导体迁移率的温度特性图4示出了CoMnNiO氧化物半导体和掺金硅单晶迁移率的温度特性。可以看到多晶氧化化物半导体的迁移率随温度升高而增大，具有热激活性质，它表示为： （3）迁移率的热激活性质是非晶材料和纳米材料的基本特征。显然多晶氧化物半导体迁移的热激活效应来自于晶界层的非晶结构。对于单晶材料，随着温度的升高，原子热振动增强，原子对载流子的散射加剧，迁移率下降。在晶格振动占优势的情况下，迁移率与温度的关系为=0T-3/28 。图4的结果。说明多晶氧化物半导体中晶界对材料的电导有重要影响。图4 多晶氧化物半导体和掺金硅的迁移率的温度特性Fig 4.Temperature-dependence of mobility in polycrystalline Oxide and doped Au-Si四、晶界对电导的贡献根据上面提供的依据，可以对NTC多晶氧化物半导体的电导作一分析。多晶氧化物半导体的电导是这样形成的,晶粒中处于价态的电子受温度的热激发由价带跃迁到导带,这些载流子在电场作用下以一定的机率穿过晶界势垒而形成电流。因此，多晶氧化物中产生电导的载流子浓度应等于晶粒中的载流子浓度乘以载流子穿越晶界的机率。在玻尔兹曼分布中这个机率为p=e-（e）/kT。式中（e） 是晶界势垒高度。于是在载流子浓度为n，载流子的激活能E0，在温度T时的有效载流子浓度为：材料的电导：式中Eu为迁移率的激活能，于是材料的电阻率：(5) 式中0=1/n0e0 ，B=(E0+Eu+e)/k称为材料常数。如前面分析，晶界势垒是温度的函数。温度升高，界面层两边载流子浓度差要增大，从而势垒的高度要增加。根据半导体理论7，势垒 .对于非晶材料，由于带尾的存在，是温度的函数，所以势垒高度（e）与温度的关系表示为:e=e0+Tne0为绝对零度时势垒的高度，为势垒的温度系数与材料的成份、结构有关.将B=(E0+Eu+e0+Tn)/k(6)e代入B值的表示式中，有B0=(E0+Eu+e0)/k,将（6）式与（2）式比较，显然=/k。（6）式与各种配方的氧化物NTC材料的测量结果吻合。结论 根据实验结果的分析和理论上讨论，我们得到如下结论：1、 多晶氧化物半导体的晶界对材料的电导有重要影响，细化晶粒、增大晶界密度可以提高材料的电阻率；2、 NTC热敏材料的B值随温度的变化主要是晶界势垒的温度效应引起的，通过对晶界非晶层的晶化处理可以削弱这种效应；3、 在改进NTC材料的均匀性时应考虑到晶界的密度极其分布，只有在晶粒和晶界分布均匀的情况下才能获得一致性好的材料。参考文献：1F.J.Hyde,Dsc. Msc.Bsc.Thermitors,P10-33(1969)2Hiroshi okuda NTC Thermistor kffer accuray,reliability,satisf