第四讲离子类载流子导电演示文稿

第四讲离子类载流子导电演示文稿当前1页，总共28页。优选第四讲离子类载流子导电当前2页，总共28页。晶体缺陷：图4.1晶体中的各种点缺陷1-大的置换原子；2-肖脱基空位；3-异类间隙原子；4-复合空位；5－弗兰克尔空位；6-小的置换原子当前3页，总共28页。类型:弗仑克尔缺陷（Frenkeldefect）和肖特基缺陷（Schottkydefect）定义:热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。热缺陷—点缺陷Frenkel缺陷Schottky缺陷图4.2弗仑克尔缺陷与肖特基缺陷示意图当前4页，总共28页。

弗仑克尔缺陷的填隙离子和空位的浓度相等。都可表示为：肖特基空位浓度，在离子晶体中可表示为：一般肖特基缺陷形成能比弗仑克尔缺陷形成能低许多。当前5页，总共28页。二.离子迁移率高度为U0的“势垒”

某一间隙离子由于热运动,越过位势垒。根据玻尔兹曼统计规律，单位时间沿某一方向跃迁的次数为：——间隙离子在半稳定位置上振动的频率。无外加电场——无电荷定向运动有外加电场——电荷定向运动当前6页，总共28页。当前7页，总共28页。

则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：当前8页，总共28页。

则单位时间内每一间隙离子沿电场方向的剩余跃迁次数为：δ－相邻半稳定位置间的距离每跃迁一次距离为δ，迁移速度为当前9页，总共28页。当电场强度不大时，同样：当前10页，总共28页。迁移率:

是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢，迁移率小。

同一种半导体材料中，载流子类型不同，迁移率不同，一般是电子的迁移率高于空穴。如室温下，低掺杂硅材料中，电子的迁移率为1350cm2/（VS），而空穴的迁移率仅为480cm2/(VS)。当前11页，总共28页。迁移率主要影响到晶体管的两个性能：一是影响半导体材料的电导率；二是影响器件的工作频率。载流子沿电流方向的迁移率为：当前12页，总共28页。1.离子电导的一般表达式三.离子电导率——电导激活能，它包括缺陷形成能和迁移能。当前13页，总共28页。本征离子电导率的一般表达式为：杂质离子：式中：N2——杂质离子浓度若物质存在多种载流子，其总电导率为：当前14页，总共28页。4.2离子电导与扩散离子导电是离子在电场作用下的扩散现象。离子扩散机构主要有：①空位扩散；②间隙扩散；③亚晶格间隙扩散。一般间隙扩散比空位扩散需更大的能量。间隙-亚晶格扩散相对来讲晶格变形小，比较容易产生。图4.5离子扩散机构示意图(a)空位扩散(b)间隙扩散(c)亚晶格间隙扩散当前15页，总共28页。能斯特-爱因斯坦（Nernst-Einstein）方程电流密度：扩散通量：（用J表示）

n为载流子单位体积浓度；x为扩散方向；q为离子电荷量；D为扩散系数。当前16页，总共28页。

当存在电场E时，其产生的电流密度J2可用欧姆定律微分形式表示，即：浓度梯度热扩散和电场同时存在时，总电流密度应为：玻耳兹曼（Boltzmann）分布，在存在电场时，浓度可表示为：当前17页，总共28页。n0为常数，因此，浓度梯度为：热平衡条件下，Ji=0，因此：当前18页，总共28页。(4.25)式在离子电导率和离子扩散系数之间建立了联系，称为能斯特-爱因斯坦方程。B——离子绝对迁移率当前19页，总共28页。温度↑→离子热振动加剧→电导率(σ)↑B—与材料有关的常数A211—低温区的杂质导电2—高温区的本征导电4.3离子电导的影响因素1.温度当前20页，总共28页。2.离子性质、晶体结构的影响导电激活能：

下标‘ion’代表参与导电的某种离子，A为常数，E为激活能。当前21页，总共28页。2.离子性质、晶体结构的影响材料熔点高→离子间结合力大→离子活性↓→导电激活能↑→σ↓离子半径大→离子间结合力↓→离子活性↑→σ↑离子价数↑→离子键力↑→离子活性↓→σ↓晶体间隙大→离子移动自由程↑→σ↑当前22页，总共28页。离子晶体要具有离子电导的特性，必须具备以下条件：1）电子载流子的浓度小；2）离子晶格缺陷浓度大并参与电导。因此离子型晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键。影响晶格缺陷生成和浓度的主要原因是：1）由于热激励生成晶格缺陷；2）不等价固溶掺杂形成晶格缺陷；3）离子晶体中正负离子计量比随气氛的变化发生偏离，形成非计量比化合物，因而产生晶格缺陷。3.缺陷当前23页，总共28页。空位、间隙原子或掺杂原子（使空位产生）均可参与导电→σ↑

当晶体中离子扩散方向与外电场力方向一致时，离子的浓度梯度愈大，导电性愈好。浓度梯度当前24页，总共28页。固体电解质——具有离子导电的固体物质。快离子导体——电导率较高的固体电解质。4.4快离子导体4.4.1快离子导体的发展历史

1834年M.法拉第首先观察到AgS中的离子传输现象；1914年，Tubandt和Lorenz发现银的化合物在恰低于其熔点时，AgI的电导率要比熔融态的AgI的电导率高约20％；1934年，Strock系统研究了AgI的高温相有异乎寻常的离子导电性，并首次提出了熔融晶格导电模型；当前25页，总共28页。20世纪60年代中期，发现了复合碘化银和Na+离子为载流子的β-Al2O3快离子导体，其电导率可达到10-1S·cm-1;20世纪70年代，美国福特汽车公司已把Na-β

-Al2O3快离子导体制成Na-S电池，锂快离子制成的电池用于计算机、电子表、心脏起搏器等。

目前，快离子导体制作的化学传感器、电池等已广泛的应用于生产、生活各个方面。当前26页，总共28页。4.4.2快离子导体的特征

图4.6各种离子导体电导率与温度的关系E在1~2eVE<0.5eV当前27页，总共28页。快离子导体的晶格特点: