第五章 无机材料的电导.ppt

1、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

2、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=Fa/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

3、电场放心的迁移速度为： v= Pa =a02 /6exp(E2/kBT)exp( U/ kBT)+exp(U/ kBT),当电场强度不太大时， exp( U/ kBT)1+ U/ kBT exp(U/ kBT)1 U/ kBT v=( a02 /6)(qa/ kBT) E exp(E2/ kBT) 载流子沿电场力的方向的迁移率为： =v/E=(a202q /6kBT) exp(E2/ kBT) 一般离子的迁移率为10-1310-16 m2/sV, kB= 0.8610-4(eV/K) 例：晶格常数a=510-8 cm，振动频率1012Hz， 势垒0.5eV， 常温300K，=6.1910-11

4、(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=Dqn/ xV/ 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/kTV/ x =Dnq2/kT,尖晶 石 区,镜面,镜面,A B C A,密堆基块,松散的钠氧层,松散的钠氧层,Na Al2O3 (Na2O11 Al2O3)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3000C3500C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

5、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 CaO CaZr+VO+OO Y2O3 2YZr+VO+3OO,ZrO2,ZrO2,10000C 条件下,以K2O、Li2O为例说明双碱效应的原因： R K+R Li+，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

6、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

7、）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

8、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型半导体中捕获电子而带负电