第6章 无机材料的电导.ppt

5 1 2载流子的物理特征 1 霍尔效应电子电导的特征是具有霍尔效应 沿试样x轴方向通入电流I 电流效应Jx Z轴方向加一磁场Hz 那么在y轴方向将产生一电场Ey 这一现象称为霍尔效应 利用霍尔效应可检查材料是否存在电子电导 2 电解效应离子电导的特征是存在电解效应 离子的迁移伴随着一定的质量变化 离子在电极附近发生电子得失 产生新的物质 这就是电解现象 可以检验陶瓷材料是否存在离子电导 并且可以判定载流子是正离子还是负离子 以Ag 为例 2 的物理图象为 低温时 晶格由阴阳离子共同组成 当温度升上到相变温度时 所构成的阳离子亚晶格发生熔化 阴离子亚晶格由于阳离子亚晶格的无序而重新排列构成新相的骨架 阳离子在这些骨架的间隙上随机分布 可动阳离子在这一新相中的间隙位置间很容易运动 热缺陷的运动产生和复合 碱金属卤化物晶体的离解能与缺陷的扩散能 E2 设 U F a 2顺电场方向填隙离子单位时间内跃迁的次数为 P2顺 02 6exp E2 U kBT 逆电场方向填隙离子单位时间内跃迁的次数为 P2逆 02 6exp E2 U kBT 单位时间内每一间隙离子沿电场方向的净跃迁次数为 P P2顺 P2逆 02 6exp E2 kBT exp U kBT exp U kBT 每跃迁一次间隙离子移动距离a 间隙离子沿电场放心的迁移速度为 v P a a 02 6exp E2 kBT exp U kBT exp U kBT 当电场强度不太大时 exp U kBT 1 U kBTexp U kBT 1 U kBTv a 02 6 qa kBT E exp E2 kBT 载流子沿电场力的方向的迁移率为 v E a2 02q 6kBT exp E2 kBT 一般离子的迁移率为10 13 10 16m2 sV kB 0 86 10 4 eV K 例 晶格常数a 5 10 8cm 振动频率1012Hz 势垒0 5eV 常温300K 6 19 10 11 cm2 sV 晶体的活化能 本征导电与杂质导电的数据比较 总电流密度 Jt Dq n x V x在热平衡状态下总电流为零根据波尔兹蔓能量分布 n n0exp qV kT 得 n x qn kT V x D nq2 kT 尖晶石区 镜面 镜面 ABCA 密堆基块 松散的钠氧层 松散的钠氧层 Na Al2O3 Na2O 11Al2O3 的结构 Al2O3中不同离子对其导电率的影响 Al2O3中Na 很容易被其他金属离子取代 交换 交换实验 在3000C 3500C的熔盐中进行 取代后的 Al2O3晶胞发生显著变化 3 掺杂离子对其导电性的影响 掺入不同离子对其晶胞参数的影响 固态氧化物的电学性质 ZrO2 CaO系统离子扩散系数 固溶过程CaOCaZr VO OO Y2O32YZr VO 3OO ZrO2 ZrO2 10000C条件下 以K2O Li2O为例说明双碱效应的原因 RK RLi 在外电场的作用下 碱金属离子移动时 Li 离子留下的空位比K 留下的空位小 K 只能通过本身的空位 Li 进入大体积空位 产生应力 不稳定 只能进入同种离子空位较为稳定 大离子不能进入小空位 使通路堵塞 妨碍小离子的运动 相互干扰的结果使电导率大大下降 导电的原因 在其中存在大量的悬空键和区域化的电荷区 从能带结构分析 在价带和导带之间存在很多局部能级 大多数硫属化合物为本征 热激活 电导 难于实现价控 实现价控半导体的举例 采用SiH4的辉光放电法形成非晶态硅 悬空键被H补偿成为 Si H 实现价控 在太阳能电池上获得应用 多数载流子 n型半导体中的电子和p型半导体中的空穴 少数载流子 p型半导体中的电子和n型半导体中的空穴 空间电荷区 电离施主和电离受主所带电荷存在的区域 表面空间电荷层 表面与内层产生电子授受关系 在表面附近形成表面空间电荷层 电子耗尽层 空间电荷层中多数载流子浓度比内部少 电子积累层 空间电荷层少数载流子浓度比内部少 反型层 空间电荷层中少数载流子成为多数载流子 光生伏特效应 1 用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p n结 2 p n区都产生电子 空穴对 产生非平衡载流子 3 非平衡载流子破坏原来的热平衡 4 非平衡载流子在内建电场作用下 n区空穴向p区扩散 p区电子向n区扩散 5 若p n结开路 在结的两边积累电子 空穴对 产生开路电压 3 欧姆接触也称为非整流接触 定义 它不产生明显的附加阻抗 而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变 从电学上讲 理想欧姆接触的接触电阻与半导体样品或器件相比应当很小 当有电流通过时 欧姆接触上的电压降应当远小于样品或器件本身的压降 这种接触不影响器件的电流 电压特性 重要性 在超高频和大功率器件中 欧姆接触时设计和制造中的关键问题之一 实现的办法 对于Si Ge GaAs等重要的半导体材料 一般表面态密度很高 势垒的形成与金属的功函数关系不大 不能通用选择金属材料的办法来获得欧姆接触 目前 在实际生产中 主要利用隧道效应的原理来实现 重掺杂的p n结可以产生显著的隧道电流 金属与半导体接触时 如果半导体掺杂浓度很高 则势垒区宽度变薄 隧道电流甚至超过了热电子发射电流 使接触电阻很小 Mn On p n 表面空间电荷层 在金属中 自由电子密度很高 表面电荷基本上分布在一个原子层厚度范围内 与金属相比 由于半导体载流子密度要低的多 电荷必须分布在一定厚度的表面层内 这个带电的表面层为表面空间电荷层 表面电势 表面空间电荷层两端的电势差 表面电势的正负规定 表面电势比内部高时 其值取正 反之取负 例如 一般具有氧化性的分子 如 氧分子 从n型半导体和p型半