215無機(jī)非金屬的導(dǎo)電機(jī)理

1、無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理2.1.5 無機(jī)非金屬的導(dǎo)電機(jī)理無機(jī)非金屬的導(dǎo)電機(jī)理 eg 價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料半導(dǎo)體：載流子電子、空穴半導(dǎo)體：載流子電子、空穴電子電導(dǎo)電子電導(dǎo)絕緣體：絕緣體： 晶體：nacl agcl mgo非晶體：玻璃絕緣體常溫下是絕緣的，不能導(dǎo)電無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理電導(dǎo)率的基本公式：電導(dǎo)率的基本公式：只有一種載流子時(shí)：只有一種載流子時(shí)：nq電流：電場作用下，載流子的定向移動(dòng)。電流：電場作用下，載流子的定向移動(dòng)。如果無機(jī)非金屬材料能導(dǎo)電，載流子又是如何形成的？如果無機(jī)非金屬材料能導(dǎo)電，載流子又是如何形成的？金屬材料載流子：電子金屬材料載流子：電子半導(dǎo)體的載流子：電子

2、和空穴半導(dǎo)體的載流子：電子和空穴無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理一一 離子電導(dǎo)的導(dǎo)電機(jī)理離子電導(dǎo)的導(dǎo)電機(jī)理離子晶體的離子電導(dǎo)主要有兩類離子晶體的離子電導(dǎo)主要有兩類：第一類，固有離子電導(dǎo)（本征電導(dǎo)），第一類，固有離子電導(dǎo)（本征電導(dǎo)），源于晶體點(diǎn)源于晶體點(diǎn)陣的基本離子的運(yùn)動(dòng)。離子自身隨著熱振動(dòng)離開晶陣的基本離子的運(yùn)動(dòng)。離子自身隨著熱振動(dòng)離開晶格形成熱缺陷格形成熱缺陷。（高溫下顯著）。（高溫下顯著）第二類，雜質(zhì)電導(dǎo)第二類，雜質(zhì)電導(dǎo)，由固定較弱的離子運(yùn)動(dòng)造成的由固定較弱的離子運(yùn)動(dòng)造成的。（較低溫度下雜質(zhì)電導(dǎo)顯著（較低溫度下雜質(zhì)電導(dǎo)顯著） 載流子為離子或離子空位載流子為離子或離子空位離子電導(dǎo)離子電導(dǎo)無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理

3、1.1.載流子濃度載流子濃度（1）固有電導(dǎo)（本征電導(dǎo)）提供載流子由晶體本身熱缺陷弗侖克爾缺陷 肖脫基缺陷n晶體的溫度較高時(shí)，一些能量較高的的離子脫離格點(diǎn)形成“間隙離子”，或跑到晶體表面形成新的結(jié)點(diǎn)，原來的位置形成空位，從而破壞晶格的完整性，這種與溫度有關(guān)的缺陷稱之為晶體的熱缺陷。nq無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理l弗侖克爾缺陷：弗侖克爾缺陷：一定溫度下，一定溫度下，格點(diǎn)原子在平衡位置附近格點(diǎn)原子在平衡位置附近振動(dòng)，其中某些原子能夠獲得較大的熱運(yùn)動(dòng)能量，克服周圍振動(dòng)，其中某些原子能夠獲得較大的熱運(yùn)動(dòng)能量，克服周圍原子化學(xué)鍵束縛而擠入晶體原子間的空隙位置，形成間隙原原子化學(xué)鍵束縛而擠入晶體原子間的空隙位置，形

4、成間隙原子，原先所處的位置相應(yīng)成為空位。這種間隙原子和空位成子，原先所處的位置相應(yīng)成為空位。這種間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)的缺陷稱為弗侖克爾缺陷。對(duì)出現(xiàn)的缺陷稱為弗侖克爾缺陷。無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理l肖特基缺陷：肖特基缺陷：一定溫度下、一定溫度下、表面附近的原子表面附近的原子a a和和b b依靠熱運(yùn)依靠熱運(yùn)動(dòng)能量運(yùn)動(dòng)到外面新的一層格點(diǎn)位置上，而動(dòng)能量運(yùn)動(dòng)到外面新的一層格點(diǎn)位置上，而a a和和b b處的空位由晶處的空位由晶體內(nèi)部原子逐次填充，從而在晶體內(nèi)部形成空位，而表面則產(chǎn)體內(nèi)部原子逐次填充，從而在晶體內(nèi)部形成空位，而表面則產(chǎn)生新原子層，結(jié)果是晶體內(nèi)部產(chǎn)生空位但沒有間隙原子，這種生新原子層，結(jié)果是晶體

5、內(nèi)部產(chǎn)生空位但沒有間隙原子，這種缺陷稱為肖特基缺陷。缺陷稱為肖特基缺陷。無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理 弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷載流子濃度載流子濃度ktennff2exp nf弗侖克爾缺陷提供的載流子濃度弗侖克爾缺陷提供的載流子濃度n單位體積內(nèi)離子結(jié)點(diǎn)數(shù)單位體積內(nèi)離子結(jié)點(diǎn)數(shù) ef形成一個(gè)弗侖克爾缺陷所需能量形成一個(gè)弗侖克爾缺陷所需能量無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理肖脫基缺陷肖脫基缺陷載流子濃度：載流子濃度：ktennss2exp ns肖特級(jí)缺陷提供的載流子濃度肖特級(jí)缺陷提供的載流子濃度n單位體積內(nèi)離子結(jié)點(diǎn)數(shù)單位體積內(nèi)離子結(jié)點(diǎn)數(shù) es形成一個(gè)肖特級(jí)缺陷所需能量形成一個(gè)肖特級(jí)缺陷所需能量無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理（2）雜質(zhì)電導(dǎo)作

6、為載流子的離子由雜質(zhì)缺陷引起雜質(zhì)離子載流子的濃度：決定于雜質(zhì)的數(shù)量和種類。雜質(zhì)離子的存在：雜質(zhì)離子的存在：摻雜可形成載流子，同時(shí)形成摻雜可形成載流子，同時(shí)形成新載流子新載流子。 摻雜使點(diǎn)陣發(fā)生畸變，引起晶格上結(jié)點(diǎn)的摻雜使點(diǎn)陣發(fā)生畸變，引起晶格上結(jié)點(diǎn)的 能量變化，雜質(zhì)離子離解活化能變小。能量變化，雜質(zhì)離子離解活化能變小。oalaloalooaloalovtitioovmgmgo63322 23232 新的載流子新的載流子無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理ktennzzz2exp 雜質(zhì)離子雜質(zhì)離子載流子濃度：載流子濃度：nz雜質(zhì)離子提供的載流子濃度雜質(zhì)離子提供的載流子濃度nz摻雜雜質(zhì)總量摻雜雜質(zhì)總量 ef雜質(zhì)離子

7、的離解能雜質(zhì)離子的離解能無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理本征缺陷和雜質(zhì)缺陷本征缺陷和雜質(zhì)缺陷形成了離子晶體可能出現(xiàn)形成了離子晶體可能出現(xiàn)的各種缺陷的各種缺陷晶體中離子載流子濃度：晶體中離子載流子濃度：sfznnnn實(shí)際應(yīng)用中：實(shí)際應(yīng)用中：外界條件不同。起主導(dǎo)作用的缺陷不一外界條件不同。起主導(dǎo)作用的缺陷不一 樣，材料的電導(dǎo)率性質(zhì)不同。樣，材料的電導(dǎo)率性質(zhì)不同。高溫下高溫下: : 離子晶體的電導(dǎo)主要由熱缺陷濃度決定離子晶體的電導(dǎo)主要由熱缺陷濃度決定低溫下低溫下: : 離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理離子電導(dǎo)的微觀機(jī)構(gòu)離子電導(dǎo)的微觀機(jī)構(gòu): :載流子載流

8、子( (離子離子) )的擴(kuò)散的擴(kuò)散 。離子的擴(kuò)散過程就構(gòu)成了宏觀的離子離子的擴(kuò)散過程就構(gòu)成了宏觀的離子“遷移遷移”。2.離子遷移率離子遷移率nqev離子導(dǎo)電性：離子導(dǎo)電性：離子類載流子電場作用下，離子類載流子電場作用下， 通過材料的長距離遷移通過材料的長距離遷移。無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理 間隙離子間隙離子1 1受周圍離子的作用，處于半穩(wěn)定狀態(tài)。受周圍離子的作用，處于半穩(wěn)定狀態(tài)。 間隙離子從位置間隙離子從位置1 1躍入相鄰原子的間隙位置躍入相鄰原子的間隙位置2 2，需，需克服一個(gè)高度克服一個(gè)高度為為u0 的的“勢(shì)壘勢(shì)壘”, ,完成一次離子遷移，完成一次離子遷移，假定一維材料中存假定一維材料中存在間隙離

9、子缺陷在間隙離子缺陷（位置（位置1）無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理 間隙離子由于熱運(yùn)動(dòng)間隙離子由于熱運(yùn)動(dòng), 越過勢(shì)壘越過勢(shì)壘u0。單位時(shí)間沿。單位時(shí)間沿某一方向躍遷的次數(shù)為：某一方向躍遷的次數(shù)為：ktuvp00exp6間隙離子在半穩(wěn)定位置上振動(dòng)的頻率。間隙離子在半穩(wěn)定位置上振動(dòng)的頻率。0v無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理間隙離子在晶體中各方向的遷移次數(shù)都相同，沒間隙離子在晶體中各方向的遷移次數(shù)都相同，沒 有方向性。有方向性。間隙離子帶有電荷作為載流子，他們的遷移引起間隙離子帶有電荷作為載流子，他們的遷移引起 微觀電流，因?yàn)檫w移在各方向幾率相等，所以相微觀電流，因?yàn)檫w移在各方向幾率相等，所以相 互抵消，宏觀上無電荷定向運(yùn)

10、動(dòng)，故互抵消，宏觀上無電荷定向運(yùn)動(dòng)，故介質(zhì)中無電介質(zhì)中無電 導(dǎo)現(xiàn)象。導(dǎo)現(xiàn)象。 e=0，無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理 e0外電場作用下，間隙離子的勢(shì)壘發(fā)生變化外電場作用下，間隙離子的勢(shì)壘發(fā)生變化無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理則順電場方向和逆電場方向填隙離子單位時(shí)則順電場方向和逆電場方向填隙離子單位時(shí)間內(nèi)間內(nèi) 躍遷次數(shù)分別為躍遷次數(shù)分別為：ktuuvpktuuvp0000exp6exp6逆順設(shè)電場設(shè)電場 在在 距離上造成的位勢(shì)差距離上造成的位勢(shì)差2e22qefu每躍遷一次的距離每躍遷一次的距離無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理單位時(shí)間內(nèi)每一間隙離子沿電場方向的平均遷移次數(shù)：單位時(shí)間內(nèi)每一間隙離子沿電場方向的平均遷移次數(shù)：ktuktuk

11、tuvktuuktuuvpppexpexpexp6expexp600000逆順載流子沿電場方向的遷移速度為載流子沿電場方向的遷移速度為 v，每躍遷一次的距離為每躍遷一次的距離為ktuktuktuvpvexpexpexp600無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理當(dāng)電場強(qiáng)度不大時(shí)當(dāng)電場強(qiáng)度不大時(shí)，ktu ktuktuktuktuektu1! 3! 2! 1132同樣同樣：ktuektu1ektuktqvv00exp6所以所以：無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理載流子沿電流方向的遷移率為：載流子沿電流方向的遷移率為：ktuktqvev002exp6 晶格距離，越大（晶格結(jié)構(gòu)越松散），越大。 間隙離子的振動(dòng)頻率， 間隙離子的電荷數(shù)，

12、0.8610-4ev/k， 無外電場時(shí)間隙離子的勢(shì)壘。0vqk0u無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理1.離子電導(dǎo)的一般表達(dá)式離子電導(dǎo)的一般表達(dá)式3.離子電導(dǎo)率離子電導(dǎo)率nqktwakteuktqnqnsssssssexp21exp60221肖脫基缺陷一起固有電導(dǎo)：無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理ktwasssexpws電導(dǎo)活化能電導(dǎo)活化能缺陷形成能 e遷移能 uas比例常數(shù)，溫度不高時(shí)，為常數(shù)比例常數(shù)，溫度不高時(shí)，為常數(shù)無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理本征離子電導(dǎo)率的一般表達(dá)式為：本征離子電導(dǎo)率的一般表達(dá)式為：tbaktwa1111expexp b1w/kw1本征電導(dǎo)活化能本征電導(dǎo)活化能缺陷形成能 e遷移能 uktqna602211n1

13、單位體積內(nèi)離子結(jié)點(diǎn)數(shù)單位體積內(nèi)離子結(jié)點(diǎn)數(shù)無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理tbaktwa2222expexpktqna62222n2雜質(zhì)離子濃度雜質(zhì)離子濃度雜質(zhì)離子電導(dǎo)率的一般表達(dá)式為：雜質(zhì)離子電導(dǎo)率的一般表達(dá)式為： b2w/kw2電導(dǎo)活化能電導(dǎo)活化能無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理iiitba)/exp(若物質(zhì)存在多種載流子，其總電導(dǎo)率為：若物質(zhì)存在多種載流子，其總電導(dǎo)率為：一般情況：一般情況： n2w2所以：雜質(zhì)電導(dǎo)率所以：雜質(zhì)電導(dǎo)率本征電導(dǎo)率本征電導(dǎo)率ktwa22exp ktwa22exp 本征電導(dǎo)率本征電導(dǎo)率雜質(zhì)電導(dǎo)率雜質(zhì)電導(dǎo)率無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理只有一種載流電導(dǎo)率可表示為只有一種載流電導(dǎo)率可表示為：寫成對(duì)數(shù)形式寫成

14、對(duì)數(shù)形式: :活化能活化能: :nqtbexp0tb0lnlnbkw t1ln無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理有兩種載流子時(shí)總電導(dǎo)可表示為有兩種載流子時(shí)總電導(dǎo)可表示為: :有多種載流子時(shí)總電導(dǎo)可表示為有多種載流子時(shí)總電導(dǎo)可表示為: :nqtbatba2211expexptbaiiexp無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理t111t21t31t41tln31242 兩種導(dǎo)電機(jī)理（斜率先小后大）（斜率先小后大）4211tt雜質(zhì)電導(dǎo)（低溫）雜質(zhì)電導(dǎo)（低溫）2111tt本征電導(dǎo)（高溫）本征電導(dǎo)（高溫）1 唯一的導(dǎo)電機(jī)理這是由于雜質(zhì)活化能比基本點(diǎn)陣離子的活化能小許多的緣故。aktwktwalnlnexp4.影響離子電導(dǎo)率的因素影響離子

15、電導(dǎo)率的因素1.溫度溫度無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理4 導(dǎo)電機(jī)理復(fù)雜3 兩種導(dǎo)電機(jī)理（斜率先大后?。ㄐ甭氏却蠛笮。?兩種雜質(zhì)離子的電導(dǎo)兩種雜質(zhì)離子的電導(dǎo)t111t21t31t41tln3124無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理電導(dǎo)率隨活化能按指數(shù)規(guī)律變化，而活化能反映離電導(dǎo)率隨活化能按指數(shù)規(guī)律變化，而活化能反映離子的固定程度，它與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。子的固定程度，它與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。2.晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)（1）熔點(diǎn)）熔點(diǎn)熔點(diǎn)高，晶體結(jié)合力大，相應(yīng)活化能也高，電導(dǎo)率就低。熔點(diǎn)高，晶體結(jié)合力大，相應(yīng)活化能也高，電導(dǎo)率就低。（2）離子電荷）離子電荷低價(jià)離子，價(jià)鍵弱，活化能??；電導(dǎo)率大低價(jià)離子，價(jià)鍵弱，活化能小；電導(dǎo)率大高價(jià)離子，價(jià)鍵強(qiáng)，活化能大，電導(dǎo)率小高價(jià)離子，價(jià)鍵強(qiáng)，活化能大，電導(dǎo)率小（3）離子半徑：）離子半徑：一般離子半徑小，結(jié)合力大，因而活化能也大，電導(dǎo)率小一般離子半徑小，結(jié)合力大，因而活化能也大，電導(dǎo)率小無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理離子晶體要具有離子電導(dǎo)的特性，必須具備的條件：離子晶體要具有離子電導(dǎo)的特性，必須具備的條件：（1 1）電子載流子的濃度??；）電子載流子的濃度小；（2 2）離子晶格缺陷濃度大并參與電導(dǎo)）離子晶格缺陷濃度大并參與電導(dǎo)。因此因此離子型晶格缺陷的生成離子型晶格缺陷的生成及其及其濃度大小濃度大小是決定離是決定離子