無機(jī)材料電導(dǎo)

1、關(guān)于無機(jī)材料的電導(dǎo)第一張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月由于電導(dǎo)性能的差異，無機(jī)材料被廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域：半導(dǎo)體材料：電子元件；電阻發(fā)熱元件；各種半導(dǎo)體敏感材料：壓敏材料、光敏材料、熱敏材料、氣敏材料等等；超導(dǎo)材料。第二張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1 電導(dǎo)的基本性能一、歐姆定律1. 電導(dǎo)率（1）長為L、橫截面S的導(dǎo)電體兩端加上電壓U，導(dǎo)體內(nèi)形成電流，根據(jù)歐姆定律：第三張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）導(dǎo)體的電阻R與長度L成正比，與橫截面積S成反比，即 為電阻率，單位：歐姆米（ ）（3）電導(dǎo)率 ：電阻率的倒數(shù)，單位：西門子/米（S/m）第四張

2、，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（4）不同材料的電導(dǎo)率，差異巨大，橫跨27個數(shù)量級導(dǎo)體：107-1m-1半導(dǎo)體：10-6104-1m-1絕緣體：10-110-20-1m-1第五張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 歐姆定律的微分形式電流密度：通過垂直于電流方向單位面積的電流： （單位：A/m2或A/cm2）電場強(qiáng)度：則，電流密度：外電場與電流密度為線性關(guān)系，比例系數(shù)為電導(dǎo)率，此即歐姆定律的微分形式。電導(dǎo)率只決定于材料的性質(zhì)。第六張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、體積電阻和表面電阻1. 總電流對于無機(jī)材料，包括體積電流和表面電流兩部分，即：第七張，PPT

3、共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 總電阻：表面電阻Rs：施加在試樣上的直流電壓U與電極間表面?zhèn)鲗?dǎo)電流之比：體積電阻Rv：施加在試樣上的直流電壓U與電極間的體積傳導(dǎo)電流之比：第八張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月則總電阻為：表面電阻與樣品的表面環(huán)境有關(guān)，而體積電阻只與材料有關(guān)。第九張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 體積電阻Rv反映材料的導(dǎo)電能力，與材料性質(zhì)及樣品幾何尺寸相關(guān)。（1）板狀試樣： h板狀樣品的厚度(cm)，S板狀樣品的電極面積(cm2)，v體積電阻率，為描寫材料電阻性能的參數(shù)。 第十張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）管狀試樣體積

4、電阻用下列微分形式表示：第十一張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）圓片試樣g第十二張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月更精確結(jié)果，采用下面的經(jīng)驗(yàn)公式：第十三張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 表面電阻（1）板狀試樣如圖，兩電極間的表面電阻Rs為：表面電阻率 ：表示在材料的表面上，電流從任意大小的正方形相對兩邊通過時，正方形電阻的大小。習(xí)慣上把表面電阻率稱為方阻。第十四張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）圓片試樣VIabgr1r2第十五張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三、遷移率和電導(dǎo)率導(dǎo)電現(xiàn)象的微觀本質(zhì)是載流子在電場作用下的

5、定向遷移。載流子：具有電荷的自由粒子，在電場作用下可產(chǎn)生電流。第十六張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 遷移率單位截面積為S（1cm2），載流子濃度為n（cm-3），每一載流子的荷電量為q。則參加導(dǎo)電的自由電荷的濃度為nq，電場為E，每個載流子的電場力為qE，平均速度為v（cm/s），則電流密度： 電導(dǎo)率：第十七張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月令 為載流子的遷移率，表示單位電場下載流子的平均漂移速度，單位m2/(Vs)或cm2 /(Vs)。因此電導(dǎo)率是載流子濃度和遷移率的乘積：第十八張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 載流子為離子，則考慮原子價態(tài)z

6、：存在多種載流子時，第i種粒子的電導(dǎo)率 ，則每種載流子對總電導(dǎo)的貢獻(xiàn)： ， ti稱為遷移數(shù)第十九張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 無機(jī)載流子可以是電子（負(fù)電子、空穴）、離子（正、負(fù)離子，空位）。離子電導(dǎo)：載流子為離子的電導(dǎo)；電子電導(dǎo)：載流子為電子或空穴的電導(dǎo)。第二十張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 電導(dǎo)類型的判斷（1）電子電導(dǎo)特征霍爾效應(yīng)現(xiàn)象：沿x軸通入電流，z方向上加磁場，電子在磁場作用下產(chǎn)生橫向位移，在y方向上將產(chǎn)生電場。實(shí)質(zhì)：運(yùn)動電荷在磁場中受力所致，但此處的運(yùn)動電荷只能是電子，因其質(zhì)量小、運(yùn)動容易；故此現(xiàn)象只出現(xiàn)于電子電導(dǎo)時，即可用霍爾效應(yīng)的存在與否

7、檢驗(yàn)材料是否存在電子電導(dǎo)。第二十一張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）離子電導(dǎo)的特征電解效應(yīng)運(yùn)動的離子在電極附近發(fā)生電子得失而形成新的物質(zhì)，稱為電解效應(yīng)。用此可檢驗(yàn)材料中是否存在離子電導(dǎo)。 第二十二張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月5.2 離子電導(dǎo)晶體的離子電導(dǎo)分為兩類：本征電導(dǎo)：源于材料本身離子的熱運(yùn)動而形成的兩種熱缺陷，一種是弗倫克爾缺陷，另一種是肖特基缺陷。雜質(zhì)電導(dǎo)：由固定較弱的雜質(zhì)離子的運(yùn)動造成。高溫下：離子晶體的電導(dǎo)主要由熱缺陷濃度決定；低溫下：離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定。第二十三張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、載流子濃度1.

8、 本征電導(dǎo)本征電導(dǎo)中，載流子由晶體本身的熱缺陷提供。（1）對于弗倫克爾缺陷，同時形成了填隙離子和空位，其濃度可表示為： N：單位體積內(nèi)離子的格點(diǎn)數(shù)或結(jié)點(diǎn)數(shù)，Ef：缺陷形成能。第二十四張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）對于肖特基缺陷，空位濃度： N為單位體積內(nèi)離子對的數(shù)目，Es為離解一個陰離子和一個陽離子并到達(dá)表面所需要的能量。第二十五張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、離子遷移率離子電導(dǎo)的微觀機(jī)構(gòu)：載流子在電場的驅(qū)動下，穿過晶格而移動，即離子在晶體中擴(kuò)散或遷移。間隙離子的勢壘第二十六張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 離子的躍遷：根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)

9、分布，在溫度為T時，一個粒子具有能量U0的概率與exp-U0/(kT)成正比。間隙原子在間隙位置的熱振動頻率為 ，即原子單位時間內(nèi)試圖越過勢壘的次數(shù)。第二十七張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月填隙原子在單位時間內(nèi)從一個間隙位置跳到相鄰間隙位置的概率或單位時間內(nèi)越過勢壘的次數(shù)為：由于間隙離子向6個方向躍遷的概率相同，則單位時間沿某一方向躍遷的次數(shù)為：第二十八張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 在外加電場下的躍遷當(dāng)有外電場存在時，電荷數(shù)為q的正離子，受電場力F=qE的作用，F(xiàn)與E同方向，電場在a/2距離上造成的勢位差為：間隙離子的勢壘變化第二十九張，PPT共一百二十一頁

10、，創(chuàng)作于2022年6月順電場方向：填隙離子單位時間內(nèi)躍遷的次數(shù)為：逆電場方向：填隙離子單位時間內(nèi)躍遷的次數(shù)為：凈躍遷次數(shù)：第三十張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 遷移率每躍遷一次的距離為a，則間隙離子沿電場方向的遷移速率為：當(dāng)電場強(qiáng)度不太大時，載流子沿電場力方向的遷移率為：第三十一張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三、離子電導(dǎo)率1. 電導(dǎo)率的表達(dá)式（1）根據(jù)公式 ，間隙離子的電導(dǎo)率：第三十二張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）本征離子電導(dǎo)率的一般式為： 雜質(zhì)離子電導(dǎo)率的一般式為：雜質(zhì)離子的活化能小于熱缺陷的活化能，所以雜質(zhì)電導(dǎo)率比本征電導(dǎo)率大得多。

11、在低溫下，離子晶體的電導(dǎo)主要為雜質(zhì)電導(dǎo)。第三十三張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月只有一種載流電導(dǎo)率可表示為：寫成對數(shù)形式：第三十四張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）非堿鹵晶體的離子電導(dǎo)主要來源于雜質(zhì)離子。 對于堿鹵晶體，電導(dǎo)率大多滿足二項(xiàng)式：如果晶體中存在多種載流子，則總電導(dǎo)率為：第三十五張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 擴(kuò)散與離子電導(dǎo)第三十六張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）在材料內(nèi)部存在載流子濃度梯度 ，引起載流子的定向運(yùn)動，形成電流密度： n：單位體積濃度，x：擴(kuò)散方向，q：離子電荷量，D：擴(kuò)散系數(shù)。第三十七張，PPT共

12、一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月外電場引起的電流密度：總電流密度為：第三十八張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）能斯特-愛因斯坦方程在熱平衡狀態(tài)下，認(rèn)為總電流為零。根據(jù)玻爾茲曼能量分布，載流子濃度與電勢能間關(guān)系： 則 ，代入上式 得 ：能斯特-愛因斯坦方程第三十九張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）由 ，得到擴(kuò)散系數(shù)與離子遷移率的關(guān)系： ，B為絕對遷移率 由 ，代入上式，得：第四十張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月四、影響離子電導(dǎo)率的因素1、溫度呈指數(shù)關(guān)系，隨溫度升高，電導(dǎo)率迅速增大。低溫下，雜質(zhì)電導(dǎo)占主要地位(曲線1)；高溫下，本征電導(dǎo)起主要作用

13、。雜質(zhì)離子電導(dǎo)與溫度的關(guān)系第四十一張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2、晶體結(jié)構(gòu)活化能大小取決于晶體間各粒子的結(jié)合力，而晶體結(jié)合力受如下因素影響：離子半徑：離子半徑小，結(jié)合力大；離子電荷：電價高，結(jié)合力大；堆積程度：結(jié)合愈緊密，可供移動的離子數(shù)目就少，且移動也要困難些，可導(dǎo)致較低的電導(dǎo)率。第四十二張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3、晶格缺陷離子性晶格缺陷的生成及其濃度大小是決定離子電導(dǎo)的關(guān)鍵所在。而影響晶格缺陷生成和濃度的主要有如下因素：熱激勵生成晶格缺陷(肖特基與弗侖克爾缺陷)；不等價固溶摻雜；離子晶體中正負(fù)離子計(jì)量比隨氣氛的變化發(fā)生偏離。第四十三張，PPT共一百二

14、十一頁，創(chuàng)作于2022年6月五、固體電解質(zhì)定義：具有離子電導(dǎo)的固體物質(zhì)稱為固體電解質(zhì)。離子導(dǎo)體一般有如下特征數(shù)據(jù)：離子電導(dǎo)率在10-2102 S/m；傳導(dǎo)離子在晶格中的活化能很低，約在0.010.1eV之間。固體電解質(zhì)的分類：根據(jù)傳導(dǎo)離子、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用等。第四十四張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月氧離子結(jié)構(gòu)：多為螢石型結(jié)構(gòu)，存在立方體空位，敞型結(jié)構(gòu)。第四十五張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月?lián)诫s對電導(dǎo)的影響具有螢石型結(jié)構(gòu)的離子型導(dǎo)體：ZrO2、ThO2、HfO2和CeO2基固溶體；純態(tài)時，由于穩(wěn)定性或結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的原因，并不表現(xiàn)電導(dǎo)性；摻入二價或三價金屬元素的氧化物，如Y2O

15、3、CaO、Sc2O3、La2O3等，形成氧空位。第四十六張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3 電子電導(dǎo)能帶結(jié)構(gòu)圖第四十七張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月電子電導(dǎo)的載流子是：電子和空穴。根據(jù)能帶理論，只有導(dǎo)帶中的電子或價帶之間的空穴才能參與導(dǎo)電。金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)第四十八張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、載流子濃度1. 導(dǎo)帶中的電子濃度和價帶中的空穴濃度（1）狀態(tài)密度g(E)能帶中能量E到E+dE之間有dz個量子態(tài)，則狀態(tài)密度：狀態(tài)密度：能量E附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)。導(dǎo)帶底附近能量為E的狀態(tài)密度gc(E)為：第四十九張，PPT共

16、一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）根據(jù)費(fèi)米分布函數(shù)，電子在量子態(tài)上存在的概率fe(E)室溫時，E-ETkT，則： 滿足玻爾茲曼分布函數(shù)，為非簡并系統(tǒng)。第五十張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）在非簡并情況下，導(dǎo)帶中電子在能量E到E+dE間的電子數(shù)dN：導(dǎo)帶中的電子濃度為： 令 則第五十一張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（4）價帶中空穴濃度： 令 ：價帶的有效狀態(tài)密度 則第五十二張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（5）載流子濃度乘積只決定于溫度，與所含雜質(zhì)無關(guān)；溫度一定時，nenh保持恒定。第五十三張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2.

17、 本征半導(dǎo)體中的載流子濃度本征激發(fā)過程第五十四張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）本征半導(dǎo)體概念：載流子只由半導(dǎo)體晶格本身提供，是由熱激發(fā)產(chǎn)生的，其濃度與溫度呈指數(shù)關(guān)系。本征電導(dǎo)：空帶中的電子導(dǎo)電和價帶中的空穴導(dǎo)電同時存在，載流子電子和空穴和濃度是相等的。第五十五張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）本征半導(dǎo)體中，ne=nh，則費(fèi)米能級EF： 則本征載流子濃度為：第五十六張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)第五十七張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度雜質(zhì)能級：由于雜質(zhì)的存在，有可能在禁帶中引入允

18、許電子存在的狀態(tài)，由此改變半導(dǎo)體中的載流子濃度。第五十八張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）施主雜質(zhì)、施主能級P原子取代Si原子位置，形成一個正電子中心P+和一個多余的價電子。雜質(zhì)電離：電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過程。n型半導(dǎo)體或電子型：晶體中摻入雜質(zhì)，依靠導(dǎo)帶中電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體。施主電離過程如右圖。第五十九張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 n型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) n型半導(dǎo)體能帶圖第六十張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）受主雜質(zhì)、受主能級B原子取代Si原子位置，形成一個帶負(fù)電的B-和空穴。受主雜質(zhì)或p型雜質(zhì)：晶體中摻入雜質(zhì)，能夠在晶體中接受電子

19、而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中心。受主電離：空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛的過程，見下圖。第六十一張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月p型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) p型半導(dǎo)體能帶圖第六十二張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）載流子濃度雜質(zhì)電子占據(jù)施主能級的概率： 空穴占據(jù)受主能級的概率：第六十三張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月雜質(zhì)的量子態(tài)密度：施主濃度Nd和受主濃度Na施主能級上的電子濃度為： 則電離施主濃度為：第六十四張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月受主能級上的空穴濃度為： 則電離受主濃度為：第六十五張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月對于n型半導(dǎo)體，溫

20、度不很高時，雜質(zhì)半導(dǎo)體中導(dǎo)帶電子幾乎全部由施主能級提供。 則 因 ，則 ，得費(fèi)米能級為： 第六十六張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月代入式(5-64)，得n型半導(dǎo)體導(dǎo)帶中電子濃度為：第六十七張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月對于p型半導(dǎo)體，溫度不很高時：第六十八張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、電子的遷移率1. 載流子的散射（1）散射的概念散射作用：載流子在材料中運(yùn)動時，不斷與熱振動的晶格原子或電離的雜質(zhì)離子發(fā)生作用，或者說發(fā)生碰撞，碰撞后載流子速度的大小和方向發(fā)生改變，如圖5-17。第六十九張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月自由載流子：兩次

21、散射之間自由運(yùn)動的粒子。平均自由程：連續(xù)兩次散射間自由運(yùn)動的平均路程。平均自由時間：自由運(yùn)動的平均時間。第七十張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月在外加電場作用時，載流子存在兩種運(yùn)動：載流子受到電場力的作用，沿電場方向（空穴）或反電場（電子）定向運(yùn)動；載流子不斷受到散射，使載流子的運(yùn)動方向不斷改變。載流子在外電場作用下的運(yùn)動軌跡實(shí)際上是熱運(yùn)動和漂移運(yùn)動的疊加，見圖5-18。第七十一張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）主要散射機(jī)構(gòu)散射的原因：周期性勢場被破壞，產(chǎn)生一個附加勢場主要散射機(jī)構(gòu)： a、中性雜質(zhì)的散射 b、電離雜質(zhì)的散射+第七十二張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于

22、2022年6月 c、位錯散射 d、晶格振動的散射+第七十三張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 平均自由時間和散射概率（1）自由時間：連續(xù)兩次散射之間的時間。 平均自由時間：取多次求其平均值，用 表示。（2）散射概率P：描述散射的強(qiáng)弱，代表單位時間內(nèi)一個載流子受到散射的次數(shù)。第七十四張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）散射電子數(shù)N(t)表示在t時刻尚未遭到散射的電子數(shù)，N(t)比N(t+dt)多N(t)Pdt，則 解得： 即在t到t+dt時間內(nèi)被散射的電子數(shù)為：第七十五張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 遷移率與平均自由時間（1）沿x方向，電場強(qiáng)度

23、為 ，電子有效質(zhì)量 ，散射后沿x方向的速度為vx0，經(jīng)過時間t后又遭到散射，則散射前速度vx：第七十六張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）因散射后電子向各個方向運(yùn)動的概率相同，則v0在x方向分量的平均值 為0，則：第七十七張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月電子遷移率：空穴遷移率：第七十八張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三、電子電導(dǎo)率電導(dǎo)率的一般表達(dá)式（1）對于本征半導(dǎo)體，其電導(dǎo)率為：（2）n型半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為：第七十九張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）p型半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為：（4）電子電導(dǎo)率與溫度關(guān)系的典型曲線：見圖5-24第八十張，P

24、PT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月四、影響電子電導(dǎo)的因素1. 溫度（1）溫度對遷移率的影響在低溫下，雜質(zhì)離子對電子的散射起主要作用；高溫下，聲子（晶格振動）對電子的散射起主要作用?？傔w移率計(jì)算公式：第八十一張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）溫度對載流子濃度的影響本征區(qū)飽和區(qū)雜質(zhì)區(qū)T-1lnne,lnnh雜質(zhì)全部電離完全與溫度無關(guān)本征電導(dǎo)第八十二張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）綜合遷移率、濃度與溫度的關(guān)系，實(shí)際材料 與1/T的關(guān)系如圖：第八十三張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 雜質(zhì)的影響雜質(zhì)能級：p型半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)體第八十四張，PP

25、T共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、非晶態(tài)玻璃的電導(dǎo)1. 離子電導(dǎo)在含有堿金屬離子的玻璃中，基本上表現(xiàn)為離子電導(dǎo)。玻璃體的結(jié)構(gòu)比晶體疏松，堿金屬離子能夠穿過大于其原子大小的距離而遷移，同時克服一些位壘。5.4 無機(jī)材料的電導(dǎo)第八十五張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月位置一價正離子在玻璃中的位壘 玻璃與晶體不同，玻璃中堿金屬離子的能阱不是單一的數(shù)值，有高有低； 一些相鄰的低能位置，其間只有小的勢壘，而大的勢壘則發(fā)生于偶然出現(xiàn)的相鄰位置； 這些位壘的體積平均值就是載流子的活化能。第八十六張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月純凈玻璃的電導(dǎo)率一般較小，但含有少量的堿金屬離子

26、可使電導(dǎo)大大地增加。在玻璃體中，電導(dǎo)率與堿金屬含量間的關(guān)系，到一定限度時，電導(dǎo)率指數(shù)增長。實(shí)際中生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)：利用雙堿效應(yīng)和壓堿效應(yīng)，可以減少玻璃的電導(dǎo)率，甚至可以使玻璃電導(dǎo)率降低4-5個數(shù)量級。第八十七張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）雙堿效應(yīng)當(dāng)玻璃中堿金屬離子總濃度較大時(占玻璃組成25-30%)，在堿金屬離子總濃度相同情況下，含兩種堿金屬離子比含一種堿金屬離子的玻璃電導(dǎo)率要小；當(dāng)兩種堿金屬濃度比例適當(dāng)時，電導(dǎo)可降到最低。硼鉀鋰玻璃電導(dǎo)率與鋰、鉀含量的關(guān)系第八十八張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2） 壓堿效應(yīng)含堿玻璃中加入二價金屬氧化物，可使玻璃電導(dǎo)率降低。

27、相應(yīng)的陽離子半徑越大，這種效應(yīng)越強(qiáng)。二價離子與玻璃體中氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以致堵住了離子的遷移通道，使堿金屬離子移動困難，因而玻璃的電導(dǎo)率降低。第八十九張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 電子電導(dǎo)某些含有多價過渡金屬離子的氧化物玻璃中表現(xiàn)出電子電導(dǎo)特性，如磷酸釩和磷酸鐵玻璃。在磷酸鹽、硼酸鹽或硅酸鹽基中加入釩、鐵、鈷或錳都可以制備出電子電導(dǎo)玻璃。半導(dǎo)體玻璃：金屬氧化物玻璃，硫?qū)倩锊ＡВ珿e、Si、Se等元素非晶態(tài)半導(dǎo)體。第九十張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、多晶多相固體材料的電導(dǎo)微晶相、玻璃相電導(dǎo)較高玻璃相結(jié)構(gòu)松馳，微晶相缺陷較多，活化能

28、較低。含玻璃相的陶瓷的電導(dǎo)很大程度上決定于玻璃相，含有大量堿性氧化物的無定形相的陶瓷材料的電導(dǎo)率較高。陶瓷材料的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)有電子電導(dǎo)又有離子電導(dǎo)。第九十一張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月晶界對多晶材料的電導(dǎo)影響與離子運(yùn)動和電子運(yùn)動的自由程有關(guān)。對于少量氣孔分散相，氣孔率增加，陶瓷材料的電導(dǎo)率減少無機(jī)材料的電導(dǎo)，在很大程度上取決于電子電導(dǎo)。第九十二張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 次級現(xiàn)象吸收電流是指隨時間變化的這部分電流。漏電流是指最后恒定的電流。吸收現(xiàn)象的原因，外電場作用下，電介質(zhì)(如瓷體)內(nèi)自由電荷重新分布的結(jié)果。電流吸收現(xiàn)象第九十三張，PPT共一百二十一頁，

29、創(chuàng)作于2022年6月空間電荷的形成主要是因?yàn)樘沾蓛?nèi)部具有微觀不均勻結(jié)構(gòu)，因而各部分的電導(dǎo)率不一樣。電流吸收現(xiàn)象主要發(fā)生在離子電導(dǎo)為主的陶瓷材料中。第九十四張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 電化學(xué)老化現(xiàn)象電化學(xué)老化：在電場作用下，由化學(xué)變化引起材料電性能不可逆的惡化。其主要原因是離子在電極附近發(fā)生的氧化還原過程。有如下幾種情況： 陽離子-陽離子電導(dǎo) 陰離子-陽離子電導(dǎo) 電子-陽離子電導(dǎo) 電子-陰離子電導(dǎo)第九十五張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 無機(jī)材料電導(dǎo)的混合法則陶瓷材料則由晶粒、晶界、氣孔等所組成的復(fù)雜的顯微結(jié)構(gòu),總電導(dǎo)率為：第九十六張，PPT共一百二十一

30、頁，創(chuàng)作于2022年6月n=-1相當(dāng)于串聯(lián)狀態(tài)；n=1相當(dāng)于并聯(lián)狀態(tài)；n0相當(dāng)于混合狀態(tài)。層狀與復(fù)合材料第九十七張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月陶瓷電導(dǎo)的對數(shù)混合法則各種模式的t/G和VB的關(guān)系第九十八張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月5.5 多晶半導(dǎo)體材料多晶半導(dǎo)體材料是繼單晶半導(dǎo)體材料之后，又一類新型的半導(dǎo)體電子材料，是某些傳感器中的關(guān)鍵材料之一，用于制作敏感元件。第九十九張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、材料的半導(dǎo)化多晶半導(dǎo)體材料是由晶粒、晶界、氣孔組成的多相系統(tǒng)，通過微量雜質(zhì)的摻入、控制燒結(jié)氣氛及微觀結(jié)構(gòu)，可以使傳統(tǒng)的絕緣材料半導(dǎo)化，并使其具備

31、一定的性能。極微量的雜質(zhì)和缺陷，對材料的物理性能、化學(xué)性能產(chǎn)生決定性的影響。由于雜質(zhì)或缺陷的存在，在禁帶中引入附加能級，即缺陷能級。 第一百張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 摻雜用不同于晶格離子價態(tài)的雜質(zhì)取代晶格離子，形成局部能級，使絕緣體實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化而成為導(dǎo)電體。第一百零一張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月例如：BaTiO3的半導(dǎo)化通過添加微量的稀土元素，在其禁帶間形成雜質(zhì)能級，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化。添加 La的BaTiO3原料在空氣中燒成，反應(yīng)式如下： Ba2+Ti4+O2-3+xLa3+=Ba2+1-xLa3+x(Ti4+1-xTi3+x)O2-3+xBa2+ 缺陷反應(yīng)

32、： La2O3 =LaBa +2e+2Oo +1/2O2 (g)第一百零二張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月添加 Nb實(shí)現(xiàn)BaTiO3的半導(dǎo)化，反應(yīng)式如下： Ba2+Ti4+O2-3+yNb5+=Ba2+Nb5+y(Ti4+1-2yTi3+y)O2-3+yBa2+ 缺陷反應(yīng)： Nb2O5 =2LaTi +2e +4Oo +1/2O2 (g)第一百零三張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月氧化鎳中加入氧化鋰，空氣中燒結(jié)，反應(yīng)式如下： x/2Li2O+(1-x)NiO+x/4O2=(Li+xNi2+1-2xNi3+x)O2- 缺陷反應(yīng)： Li2O +1/2O2 (g)=2LiN

33、i +2h +2Oo 第一百零四張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 組分缺陷非化學(xué)計(jì)量配比的化合物中，由于化學(xué)組成的偏離，形成了離子空位或間隙離子等晶格缺陷，即組分缺陷。第一百零五張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）陽離子空位化學(xué)計(jì)量配比的化合物分子式：MO，有陽離子空位的氧化物分子式：M1-xO。平衡狀態(tài)，缺陷反應(yīng)如下： 1/2O2 (g)=VM+Oo VM = VM + h VM = VM + h出現(xiàn)此類缺陷的陽離子往往具有正二價和正三價。第一百零六張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月陽離子空位形成的缺陷能級受主能級 VM VMVM 第一百零七張，

34、PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）陰離子空位化學(xué)計(jì)量配比的化合物分子式：MO2，有氧空位的氧化物的分子式：MO2-x。平衡狀態(tài)，反應(yīng)如下： Ti4+O2 = x/2O2 (g)+ Ti4+1-2xTi3+2xO2-2-x 缺陷反應(yīng)：O2- = Vo +2e+1/2O2 (g)出現(xiàn)此類缺陷的陽離子往往具有較高的化學(xué)價。第一百零八張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月氧離子空位形成的缺陷能級 Vo Vo _ _ _ Vo 施主能級第一百零九張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）間隙離子缺陷 化學(xué)計(jì)量配比的化合物分子式：MO，有間隙離子的分子式：M1+xO。平衡狀態(tài)，缺陷反應(yīng)： ZnO = Zni + 1/2 O2 (g) Zni= Zni + e Zni = Zni + e出現(xiàn)此類缺陷的陽離子往往具有較低的化學(xué)價。第一百一十張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月形成氧離子空位的缺陷能級施主能級 Mi Mi _ _ _ Mi 第一百一十一張，PPT共一百二十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、p-n結(jié)1. 空間電荷區(qū)（勢壘區(qū)）、空間電荷層p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體形成p-n結(jié)時，n型半導(dǎo)體的多數(shù)載流