無機(jī)材料的電導(dǎo)

1、無機(jī)材料物理性能電學(xué)部分1上節(jié)知識(shí)點(diǎn)回顧半導(dǎo)體概念，能帶結(jié)構(gòu)；本征半導(dǎo)體的電子電導(dǎo)率及影響因素；組份缺陷對(duì)電子電導(dǎo)率的影響；25.4 多晶多相材料的電導(dǎo)相組成：晶粒、晶界、玻璃相、氣孔、相組成的導(dǎo)電性：玻璃相、微晶相（缺陷多）電導(dǎo)率較高。氣孔電導(dǎo)率小，但如果氣孔形成通道，環(huán)境中的水份、雜質(zhì)易進(jìn)入，對(duì)電導(dǎo)有影響。作為絕緣子使用，必須提高其致密度。35.5 半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng)接觸效應(yīng) 半導(dǎo)體間；金屬與半導(dǎo)體間；金屬與金屬間；2.晶界效應(yīng)壓敏，PTC3. 表面效應(yīng)gas sensor4. 西貝克(Seeback)效應(yīng)-thermalelectric45.5.1 晶界效應(yīng)（1）壓敏效應(yīng)微觀結(jié)構(gòu)中包括

2、氧化鋅晶粒以及晶粒周圍的晶界層。氧化鋅晶粒的電阻率很低，而晶界層的電阻率卻很高，相接觸的兩個(gè)晶粒之間形成了一個(gè)勢壘。 56 對(duì)電壓變化敏感的非線性電阻效應(yīng)。即在某一臨界電壓以下，電阻值非常高，可以認(rèn)為是絕緣體，當(dāng)超過臨界電壓（敏感電壓），電阻迅速降低，讓電流通過。電壓與電流是非線性關(guān)系。1隧道效應(yīng)熱激發(fā)雙肖特基勢壘圖無電場Ed表面能級(jí)高電場ZnO晶粒 晶界 ZnO晶粒7應(yīng)用領(lǐng)域穩(wěn)壓，過壓保護(hù)避雷針等8（2） PTC效應(yīng)PTC效應(yīng)：電阻率隨溫度升上發(fā)生突變，增大了34個(gè)數(shù)量級(jí)。是價(jià)控型鈦酸鋇半導(dǎo)體特有。電阻率突變溫度在相變（四方相與立方相轉(zhuǎn)變）溫度或居里點(diǎn)。 PTC機(jī)理（Heywang晶界模型)

3、：1）n型半導(dǎo)體陶瓷晶界具有表面能級(jí)；2）表面能級(jí) 可以捕獲載流子，產(chǎn)生電子耗損層，形成肖特基勢壘。在燒結(jié)時(shí)，需采用氧化氣氛，緩慢冷卻，使晶界充分氧化，因此所得燒結(jié)體表面覆蓋著高阻氧化層，在被電極前將氧化層去除。3）肖特基勢壘高度與介電常數(shù)有關(guān)，介電常數(shù)越大，勢壘越低；4）溫度超過居里點(diǎn)，材料的介電常數(shù)急劇減小，勢壘增高，電阻率急劇增加。9應(yīng)用領(lǐng)域溫度敏感元件，過熱報(bào)警器，過熱保護(hù)；PTC的溫度變化，用于液位計(jì)；限電流元件；P27110表面效應(yīng)：半導(dǎo)體表面吸附氣體時(shí)電導(dǎo)率發(fā)生變化。吸附氣體的種類：H2、O2、CO、CH4、H2O等。半導(dǎo)體表面吸附氣體對(duì)電導(dǎo)率的影響：如果吸附氣體的電子親和力大于

4、半導(dǎo)體的功函數(shù)，吸附分子從半導(dǎo)體中捕獲電子而帶負(fù)電；相反吸附分子帶正電。n型半導(dǎo)體負(fù)電吸附，p型半導(dǎo)體正電吸附時(shí)，表面均形成耗盡層，表面電導(dǎo)率減小。p型半導(dǎo)體負(fù)電吸附，n型半導(dǎo)體正電吸附時(shí)，表面均形成積累層，表面電導(dǎo)率增加。5.5.3 表面效應(yīng)（吸附其他分子或原子）11例如：一般具有氧化性的分子（如：氧分子）從n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體中捕獲電子而帶負(fù)電，引起半導(dǎo)體表面的負(fù)電吸附。還原型氣體引起半導(dǎo)體表面的正電吸附。 1/2O2(g)+ne Oad n-Oad : 吸附分子溫度對(duì)吸附離子形態(tài)的影響： 低溫高溫 O2 1/2O4- O2- 2 O- 2O2 -O:O O:O:O:O: O:O O:

5、:O:125.5.4 氣敏理論模型 SnO2是n型半導(dǎo)體在空氣中吸附氧，氧的電子親和力比半導(dǎo)體材料大，從半導(dǎo)體表面奪取電子，產(chǎn)生空間電荷層，使能帶向上彎曲，電導(dǎo)率下降，電阻上升。吸附還原型氣體，還原型氣體與氧結(jié)合，氧放出電子并回至導(dǎo)帶，使勢壘下降，元件電導(dǎo)率上升，電阻下降。135.5.5 西貝克(Seeback)效應(yīng)這是熱電材料的基礎(chǔ)，已經(jīng)形成一個(gè)非常大的學(xué)科和材料科學(xué)界的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域溫差電動(dòng)勢效應(yīng)-廣義地，在半導(dǎo)體材料中，溫度和電動(dòng)勢可以互相產(chǎn)生其理論公式在教材上有部分介紹，有關(guān)進(jìn)一步研究和應(yīng)用見相關(guān)研究論文教材第277頁表5.11只是一些傳統(tǒng)材料，現(xiàn)在有非常多新材料 14Thermalel

6、ectric generator15S是材料的Seeback系數(shù)，也稱為熱電勢，是電導(dǎo)率，T是絕對(duì)溫度，ke是載流子熱導(dǎo)率，kL是晶格熱導(dǎo)率商用熱電材料的值在1.0左右，相應(yīng)器件的能量轉(zhuǎn)換效率小于10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通熱機(jī)約35%的發(fā)電效率熱電材料性能優(yōu)值（）是表示熱電材料轉(zhuǎn)換效率高低的唯一指標(biāo)161718應(yīng)用領(lǐng)域溫差發(fā)電制冷195.5.6 P-n結(jié)P型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體接合時(shí)，截流子存在濃度差，導(dǎo)致空穴從p區(qū)擴(kuò)散到n區(qū)、電子從n區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)；對(duì)于p區(qū)，空穴離開后，留下不可動(dòng)的帶負(fù)電荷的電離受主，出現(xiàn)負(fù)電荷區(qū)；同理n區(qū)出現(xiàn)帶正電荷的電離施主，出現(xiàn)正電荷區(qū)；把pn結(jié)附近的電離受主和施主區(qū)所帶電荷稱

7、為空間電荷，這個(gè)區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。p n+ - - - - - - - - 20NANdNdNAPEFEcEveVdNvNd空穴從P向N流動(dòng)，在N區(qū)形成正空間電荷；電子從N向P流動(dòng)，在P區(qū)形成負(fù)空間電荷；空間電荷在接觸附近形成自建電場P，它阻止空穴和電子進(jìn)一步的擴(kuò)散，達(dá)到平衡，接觸電勢差為Vd；此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的費(fèi)米能級(jí)相同，PN結(jié)處能帶發(fā)生彎曲。（一） 能帶結(jié)構(gòu)eVd21NDNA (x)N(x)xp n緩變結(jié)：雜質(zhì)濃度從p 區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的p-n結(jié)為緩變結(jié)。22（二） p-n結(jié)載流子的分布空間電荷區(qū)內(nèi)某一點(diǎn)x處的電子的電勢能：-qV(x)電子的濃度分布服從波爾茲曼分布： n(x)=nnoe

8、xpqV(x)-qVD/k0T同理空穴的濃度分布： p(x)=pnoexpqVD - qV(x)/k0T P n xnponnoPnoppon(x)P(x)平衡p-n結(jié)中載流子的分布P區(qū)濃度：多子Pp, 少子npN區(qū)濃度：多子nN, 少子pN23首先考慮電子電流，流過p-n結(jié)的總電子電流密度Jn，應(yīng)等于電子的漂移電流密度和擴(kuò)散電流密度之和。平衡狀態(tài)下，p區(qū)極少量電子由于勢壘的降低而產(chǎn)生一定的電流，與n區(qū)電子由于勢壘增設(shè)eVd，而產(chǎn)生的電流相互抵消，擴(kuò)散電流Id為：24正偏壓np+E內(nèi)電場（三） 外加電壓負(fù)偏壓np+E內(nèi)電場高負(fù)偏壓np+E隧道效應(yīng)內(nèi)電場253）負(fù)壓過大，勢壘很大，能帶彎曲變大，

9、空間電荷區(qū)變薄，p-n結(jié)產(chǎn)生隧道效應(yīng)，即n區(qū)的導(dǎo)帶和p區(qū)的價(jià)帶具有相同的能量量子態(tài)。2）加入負(fù)偏壓V，n區(qū)的電勢比p區(qū)的電勢高VD +V，勢壘上高，空間電荷區(qū)變厚，載流子擴(kuò)散減弱，少數(shù)載流子產(chǎn)生的凈電流，電流極小。1）加入正偏壓V，n區(qū)的電勢比p區(qū)的電勢高VD V，勢壘下降，空間電荷區(qū)變薄，載流子擴(kuò)散增強(qiáng)，載流子產(chǎn)生的凈電流。26正壓下正向偏壓在勢壘區(qū)中產(chǎn)生了與內(nèi)建電場方向相反的電場因而減弱了勢壘區(qū)中的電場強(qiáng)度，這就表明空間電荷相應(yīng)減少。故勢壘區(qū)的寬度也減小，同時(shí)勢壘高度從qVd下降為q(VdV)27勢壘不再完全抵消電子和空穴的擴(kuò)散作用，其凈電流為：28加入負(fù)偏壓V，n區(qū)的電勢比p區(qū)的電勢高VD +V，勢壘上高，空間電荷區(qū)變厚，載流子擴(kuò)散減弱，少數(shù)載流子產(chǎn)生的凈電流，電流極小。29負(fù)壓過大，勢壘很大，能帶彎曲變大，空間電荷區(qū)變薄，p-n結(jié)產(chǎn)生隧道效應(yīng)，即n區(qū)的導(dǎo)帶和p區(qū)的價(jià)帶具有相同的能量量子態(tài)。高負(fù)偏壓np+E隧道效應(yīng)內(nèi)電場30P-n結(jié)的伏安特性31（四） 光伏效應(yīng)npnp+_En區(qū)空穴P區(qū)電子32光生伏特效應(yīng)：1）用能量等于或大于禁帶寬度的光子照射p-n結(jié)；2）p、n區(qū)都產(chǎn)生電子空穴對(duì)，產(chǎn)生非平衡載流子；3）非平衡載流子破壞原來的熱平衡；4）非平衡載流子在