无机材料的电导

1、无机材料物理性能,电学部分,2,上节知识点回顾,半导体概念，能带结构； 本征半导体的电子电导率及影响因素； 组份缺陷对电子电导率的影响；,3,4,5.5 半导体陶瓷的物理效应,接触效应 半导体间；金属与半导体间；金属与金属间； 2.晶界效应 压敏，PTC 3. 表面效应gas sensor 4. 西贝克(Seeback)效应-thermalelectric,5,5.5.1 晶界效应,（1）压敏效应 微观结构中包括氧化锌晶粒以及晶粒周围的晶界层。氧化锌晶粒的电阻率很低，而晶界层的电阻率却很高，相接触的两个晶粒之间形成了一个势垒。,6,7,无电场,Ed,表面能级,高电场,ZnO晶粒 晶界 ZnO晶

2、粒,8,应用领域,稳压，过压保护 避雷针等,9,10,应用领域,温度敏感元件，过热报警器，过热保护； PTC的温度变化，用于液位计； 限电流元件； P271,11,12,例如： 一般具有氧化性的分子（如：氧分子）从n型半导体和p型半导体中捕获电子而带负电，引起半导体表面的负电吸附。还原型气体引起半导体表面的正电吸附。 1/2O2(g)+ne Oad n- Oad : 吸附分子 温度对吸附离子形态的影响： 低温高温 O2 1/2O4- O2- 2 O- 2O2 - O:O O:O:O:O: O:O O: :O:,13,14,5.5.5 西贝克(Seeback)效应,这是热电材料的基础，已经形成一

3、个非常大的学科和材料科学界的热点研究领域 温差电动势效应-广义地，在半导体材料中，温度和电动势可以互相产生 其理论公式在教材上有部分介绍，有关进一步研究和应用见相关研究论文 教材第277页表5.11只是一些传统材料，现在有非常多新材料,15,Thermalelectric generator,16,S是材料的Seeback系数，也称为热电势，是电导 率，T是绝对温度，ke是载流子热导率，kL是晶格热导 率,商用热电材料的值在1.0左右，相应器 件的能量转换效率小于10%，远远低于普通热机约 35%的发电效率,热电材料性能优值（）是表示热电材料转换效率高低的唯一指标,17,18,19,应用领域,

4、温差发电 制冷,20,5.5.6 P-n结,P型半导体和n型半导体接合时，截流子存在浓度差，导致空穴从p区扩散到n区、电子从n区扩散到p区； 对于p区，空穴离开后，留下不可动的带负电荷的电离受主，出现负电荷区；同理n区出现带正电荷的电离施主，出现正电荷区； 把pn结附近的电离受主和施主区所带电荷称为空间电荷，这个区域称为空间电荷区。,21,NA,Nd,Nd,NA,P,EF,Ec,Ev,eVd,NvNd 空穴从P向N流动，在N区形成正空间电荷；电子从N向P流动，在P区形成负空间电荷； 空间电荷在接触附近形成自建电场P，它阻止空穴和电子进一步的扩散，达到平衡，接触电势差为Vd； 此时整个系统的费米

5、能级相同，PN结处能带发生弯曲。,（一） 能带结构,eVd,22,缓变结： 杂质浓度从p 区到n区是逐渐变化的p-n结为缓变结。,23,（二） p-n结载流子的分布,空间电荷区内某一点x处的电子的电势能：-qV(x) 电子的浓度分布服从波尔兹曼分布： n(x)=nnoexpqV(x)-qVD/k0T 同理空穴的浓度分布： p(x)=pnoexpqVD - qV(x)/k0T,24,首先考虑电子电流，流过p-n结的总电子电流密度Jn，应等于电子的漂移电流密度和扩散电流密度之和。,平衡状态下，p区极少量电子由于势垒的降低而产生一定的电流，与n区电子由于势垒增设eVd，而产生的电流相互抵消，扩散电流

6、Id为：,25,26,27,正压下,正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场因而减弱了势垒区中的电场强度，这就表明空间电荷相应减少。故势垒区的宽度也减小，同时势垒高度从qVd下降为q(VdV),28,势垒不再完全抵消电子和空穴的扩散作用，其净电流为：,29,加入负偏压V，n区的电势比p区的电势高VD +V，势垒上高，空间电荷区变厚，载流子扩散减弱，少数载流子产生的净电流，电流极小。,30,负压过大，势垒很大，能带弯曲变大，空间电荷区变薄，p-n结产生隧道效应，即n区的导带和p区的价带具有相同的能量量子态。,31,P-n结的伏安特性,32,（四） 光伏效应,33,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。,