電介質(zhì)及其介電特性電導(dǎo)

關(guān)于電介質(zhì)及其介電特性電導(dǎo)1第1頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五2現(xiàn)象：在外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中載流子沿電場(chǎng)方向遷移形成泄漏電流的物理現(xiàn)象——電介質(zhì)的電導(dǎo)。表征：用電阻率或電導(dǎo)率分別表示單位長(zhǎng)度和單位截面積材料的電阻和電導(dǎo)。是表征材料導(dǎo)電性的宏觀參數(shù)，與材料的幾何尺寸無關(guān)。單位：Ω.m或S/m1.概述——共性問題電導(dǎo)率：通過材料的電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度之比。在線性電介質(zhì)中為常數(shù)。第2頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五31.1一般關(guān)系式

如果介質(zhì)中的載流子(自由電荷)密度n0、載流子在電場(chǎng)作用下平均遷移速度、和載流子的電荷q設(shè)電介質(zhì)在均勻電場(chǎng)E作用下，在t時(shí)間之內(nèi)通過截面積S的總電荷量l=t為載流子在t時(shí)間之內(nèi)沿電場(chǎng)方向遷移的距離則電流密度：概述——共性問題第3頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五4

在外電場(chǎng)作用下，載流子的宏觀平均遷移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度之間成比例關(guān)系：

此式是表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的宏觀參數(shù)與其微觀參數(shù)n0、、q

的一般關(guān)系式，也是研究各種物質(zhì)電導(dǎo)性質(zhì)最基本的普適關(guān)系式。概述——共性問題式中為載流子的遷移率，表示載流子在單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下所獲得的宏觀平均速度，單位為（m2/V·s）代入上式可得介質(zhì)電導(dǎo)率第4頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五51.2電導(dǎo)的分類概述——共性問題電介質(zhì)電導(dǎo)電子電導(dǎo)離子電導(dǎo)膠粒電導(dǎo)按導(dǎo)電載流子種類分：電導(dǎo)率范圍/（S/m）材料絕緣體10-16~10-8聚乙烯、各種高分子聚合物、聚氯乙烯、云母、變壓器油、堿玻璃半導(dǎo)體10-8~10-2有機(jī)半導(dǎo)體、蒽、CuO、Si、Ge導(dǎo)體10-2~108Ni、Cu、Ag根據(jù)常溫常壓下電導(dǎo)率的大小分：第5頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五6概述——共性問題氣態(tài)液態(tài)固態(tài)金屬絕緣體導(dǎo)體導(dǎo)體鍺絕緣體導(dǎo)體導(dǎo)體（常溫）絕緣體（0K）碳導(dǎo)體(非晶和片狀晶態(tài))絕緣體(正四面體)NaCl絕緣（常壓）導(dǎo)體（極高壓力）物質(zhì)的導(dǎo)電性與其凝聚狀態(tài)及組成結(jié)構(gòu)有關(guān)：電介質(zhì)電導(dǎo)固體電導(dǎo)液體電導(dǎo)氣體電導(dǎo)第6頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五7

電子（空穴）載流子是通過熱激發(fā)、光激發(fā)、電極注入等方式產(chǎn)生。從能帶理論來看，電介質(zhì)的禁帶寬度較大，常溫下熱激發(fā)載流子很少，在光照或強(qiáng)場(chǎng)電極注入的情況下才有明顯的電子電導(dǎo)。弱電場(chǎng)作用下，固體和液體電介質(zhì)中的載流子主要是離子，離子的來源可能是組成介質(zhì)的分子離解或是雜質(zhì)的離解，前者為本征離子后者為雜質(zhì)離子。參與介質(zhì)導(dǎo)電的載流子并非介質(zhì)中的全部離子，而是與主體結(jié)構(gòu)聯(lián)系較弱或易于遷移的部分活化離子。這些活化離子的產(chǎn)生和在電場(chǎng)作用下的定向遷移都與質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，所以也有“熱離子電導(dǎo)”之稱。概述——共性問題第7頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五8離子晶體的離子電導(dǎo)離子晶體是正負(fù)離子以離子鍵相結(jié)合，并有周期性。離子晶體中絕大部分離子都處于晶格點(diǎn)陣的格點(diǎn)上作熱運(yùn)動(dòng)，并不直接參與導(dǎo)電。參與導(dǎo)電的載流子，是由于熱激發(fā)從格點(diǎn)上躍遷到點(diǎn)陣間的填隙離子和點(diǎn)陣上失去了離子的點(diǎn)陣空位，從而構(gòu)成離子電導(dǎo)和離子空位電導(dǎo)。討論介質(zhì)電導(dǎo)主要是研究載流子的產(chǎn)生、濃度和遷移。2.離子晶體的離子電導(dǎo)

第8頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五92.1晶體中缺陷的產(chǎn)生

離子晶體中載流子的形成與晶體中缺陷的產(chǎn)生有關(guān)，晶體中的缺陷主要有兩類：弗蘭凱爾（Frenkel）缺陷：

離子晶體中如含有半徑較小的離子，由于熱激發(fā)這些離子有可能從晶格點(diǎn)位置躍遷到點(diǎn)陣間形成填隙離子，同時(shí)在點(diǎn)陣上產(chǎn)生一個(gè)空位。這種填隙離子和離子空位，同時(shí)成對(duì)產(chǎn)生的缺陷。離子晶體的離子電導(dǎo)第9頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五10肖特基（Shottky）缺陷：

離子半徑較大，難以進(jìn)入點(diǎn)陣間形成穩(wěn)定的填隙離子；離子將達(dá)到晶體的表面構(gòu)成新的晶格點(diǎn)陣，晶格內(nèi)只留下空位而無填隙離子，形成單一的離子空位缺陷。

由于熱運(yùn)動(dòng)，離子晶體中的缺陷不斷的產(chǎn)生又不斷地復(fù)合消失。在一定溫度下，缺陷的產(chǎn)生和復(fù)合處于動(dòng)態(tài)平衡，缺陷的濃度保持一恒定值。根據(jù)熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)，可以計(jì)算出在一定溫度下平衡狀態(tài)離子缺陷的濃度值——離子晶體中的載流子濃度。離子晶體的離子電導(dǎo)第10頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五11

根據(jù)熱力學(xué)定律，體系自由能F與體系內(nèi)能U和熵S有：2.2晶體中的缺陷濃度離子晶體的離子電導(dǎo)

系統(tǒng)的熵S與系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)W遵從：式中k為玻爾茲曼常數(shù)。

系統(tǒng)的內(nèi)能U及微觀狀態(tài)數(shù)W均與缺陷濃度n有關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下應(yīng)有

由此就可確定離子晶體中的缺陷濃度。第11頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五12此時(shí)微觀狀態(tài)數(shù)：設(shè)：晶體點(diǎn)陣上格點(diǎn)濃度為N；晶體點(diǎn)陣間位置的濃度為N’；晶體點(diǎn)陣上的離子空位濃度為nf；晶體點(diǎn)陣間的填隙離子濃度nf’

；

uf

為晶體點(diǎn)陣上離子到達(dá)點(diǎn)陣間形成填隙離子和空位所需的能量。離子晶體的離子電導(dǎo)弗蘭凱爾缺陷濃度：第12頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五13如離開點(diǎn)陣上格點(diǎn)的離子都躍遷到點(diǎn)陣間成為填隙離子，則nf=nf’，有

根據(jù)平衡態(tài)條件可求得弗蘭凱爾缺陷濃度離子晶體的離子電導(dǎo)

通常第13頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五14離子晶體的離子電導(dǎo)肖特基缺陷濃度：設(shè)：晶體點(diǎn)陣上的離子空位濃度為ns；晶體點(diǎn)陣上的離子濃度N

；

us

為點(diǎn)陣上離子離開格點(diǎn)到達(dá)晶體表面所需的能量。此時(shí)晶體的微觀狀態(tài)數(shù)：

則

根據(jù)平衡態(tài)條件可求得肖特基缺陷濃度：

通常N>>ns，則有第14頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五15本征載流子濃度，由晶體結(jié)構(gòu)的緊密程度和離子半徑的大小決定。導(dǎo)電離子半徑大，晶體結(jié)構(gòu)緊密，則形成肖特基缺陷，由離子空位產(chǎn)生電導(dǎo)；反之則形成弗蘭凱爾缺陷，由點(diǎn)陣空間的填隙離子及點(diǎn)陣上的離子空位形成離子電導(dǎo)和空位電導(dǎo)。載流子在電場(chǎng)作用下的遷移具有熱躍遷的性質(zhì)。如由于熱運(yùn)動(dòng)離開格點(diǎn)進(jìn)入點(diǎn)陣間的填隙離子，可以稱為活化離子?；罨x子也非完全自由，仍被周圍鄰近離子所束縛，而處在一最低勢(shì)能位置作熱運(yùn)動(dòng)。當(dāng)離子的熱振動(dòng)能超過周圍臨近分子對(duì)它的束縛勢(shì)壘時(shí)，離子才能離開其原先的位置而遷移。由于熱振動(dòng)而引起的離子遷移，在無外電場(chǎng)作用時(shí)也存在。電場(chǎng)則改變了離子在不同方向的遷移數(shù)，從而產(chǎn)生了宏觀的定向遷移。離子晶體的離子電導(dǎo)第15頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五16

假設(shè)離子沿三個(gè)軸線互相垂直的六個(gè)方向躍遷的幾率相等。因此活化離子的濃度為n0時(shí)，在每一個(gè)方向可躍遷的活化離子濃度應(yīng)為n0/6。離子熱振動(dòng)的能量服從玻爾茲曼分布，熱振動(dòng)的頻率為，因此可以得到，沿某一規(guī)定方向，每秒鐘內(nèi)克服躍遷勢(shì)壘u0，躍遷到新的平衡位置的活化離子濃度n為：2.3離子的遷移離子晶體的離子電導(dǎo)第16頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五17

設(shè)活化的填隙離子帶正電q，電場(chǎng)沿x正方向。由于電場(chǎng)的作用，離子沿x方向由A向B遷移所需克服的勢(shì)壘將降低u，而由B向A遷移所需克服的勢(shì)壘則上升u。每秒沿X方向產(chǎn)生的過剩遷移離子數(shù)：離子晶體的離子電導(dǎo)第17頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五18弱電場(chǎng)下，則有：若離子每次躍遷的距離為，則弱電場(chǎng)下活化離子沿電場(chǎng)方向的平均漂移速度和遷移率μ離子晶體的離子電導(dǎo)第18頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五19離子晶體的離子電導(dǎo)弱電場(chǎng)作用下，填隙離子所引起的離子電導(dǎo)率：

強(qiáng)電場(chǎng)下，弱電場(chǎng)作用下，離子空位所引起的離子電導(dǎo)率：

第19頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五20離子晶體的離子電導(dǎo)電導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律可寫成簡(jiǎn)化形式：介質(zhì)中同時(shí)具有兩種導(dǎo)電機(jī)制時(shí)，如本征離子電導(dǎo)和雜質(zhì)離子電導(dǎo)，則電導(dǎo)率隨溫度的變化：

如式中1表示本征離子電導(dǎo)，2表示雜質(zhì)離子（或弱束縛離子）電導(dǎo)，則A1>A2,B1>B2,u1>u2

。，

雜質(zhì)對(duì)KCl晶體導(dǎo)電率的影響

1、2、3、4，分別含SrCl2（19、6.1、1.9、0）×10-4第20頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五21離子晶體的離子電導(dǎo)

根據(jù)多種堿鹵晶體的電導(dǎo)率與溫度關(guān)系，求得離子電導(dǎo)總勢(shì)壘u表明：堿鹵晶體中的負(fù)離子半徑按F、Cl、Br、I次序增大，離子電導(dǎo)勢(shì)壘顯著下降（右圖）。熔點(diǎn)亦降低，這說明晶體結(jié)構(gòu)的松弛，引起離子活化能及躍遷勢(shì)壘的降低，故電導(dǎo)總勢(shì)壘下降。第21頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五22

石英、高分子有機(jī)介質(zhì)、液體介質(zhì)等非離子性介質(zhì)，它們主要由共價(jià)鍵分子組成。這類介質(zhì)在弱電場(chǎng)下的電導(dǎo)主要是由雜質(zhì)離子引起，但也會(huì)存在電子及膠體產(chǎn)生的電導(dǎo)。一般電導(dǎo)率很低。其電阻率隨溫度的變化也都遵從熱離子電導(dǎo)相似的規(guī)律：非離子性介質(zhì)的離子電導(dǎo)3.非離子性介質(zhì)的離子電導(dǎo)

1-電工瓷2-高頻瓷

3-超高頻瓷4-剛玉瓷第22頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五23

根據(jù)液體介質(zhì)中的離子來源，液體介質(zhì)離子電導(dǎo)可分為本征離子電導(dǎo)和雜質(zhì)離子電導(dǎo)。本征離子電導(dǎo)是介質(zhì)本身的基本分子熱離解而產(chǎn)生的離子所形成，在強(qiáng)極性液體介質(zhì)中（如有機(jī)酸、醇、酯類等）才明顯存在。雜質(zhì)離子是外來雜質(zhì)分子（如水、酸、有機(jī)鹽等）或液體的基本分子老化的產(chǎn)物（如有機(jī)酸、醇、酯、酚等）離解而產(chǎn)生的離子，往往是液體介質(zhì)中離子的主要來源。液體介質(zhì)的離子電導(dǎo)非離子性介質(zhì)的離子電導(dǎo)（1）離子的來源第23頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五24

極性液體分子和雜質(zhì)分子在液體中，僅有極少的一部分離解成為離子參與導(dǎo)電。非離子性介質(zhì)的離子電導(dǎo)分子（AB）離解形成正負(fù)離子（A+、B-）：分子離解形成正負(fù)離子，必須越過勢(shì)壘ua，即分子離解的活化能。如果分子的濃度為N0，AB原子團(tuán)之間的相對(duì)熱振動(dòng)頻率為0，且分子熱振動(dòng)能量分布服從波爾茲曼分布，則單位體積內(nèi)，每秒鐘離解的分子數(shù)N為：uuar0r1u0其中K0

表示每秒鐘能發(fā)生離解的有效熱振動(dòng)次數(shù)：分子的離解速率N與分子濃度成正比，并與溫度呈指數(shù)關(guān)系增加。第24頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五25復(fù)合速率Z為：非離子性介質(zhì)的離子電導(dǎo)正負(fù)離子（A+、B-）碰撞復(fù)合成分子（AB）：——離子的復(fù)合系數(shù)在動(dòng)態(tài)平衡條件下，N=Z，由此可得離子濃度：分子的離解度：n0和均隨溫度的增高呈指數(shù)關(guān)系而增加。第25頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五26離子的遷移率與固體中離子熱躍遷相似，在弱電場(chǎng)下：非離子性介質(zhì)的離子電導(dǎo)（2）離子的遷移及電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系得到離子電導(dǎo)率與溫度及物質(zhì)特性參數(shù)的關(guān)系：

當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，液體介質(zhì)的離子電導(dǎo)率為一與電場(chǎng)強(qiáng)度無關(guān)的常數(shù)，其導(dǎo)電規(guī)律遵從歐姆定律。在考慮溫度變化時(shí)，可忽略系數(shù)項(xiàng)隨溫度的變化，則：第26頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五27液體介質(zhì)的電泳電導(dǎo)與華爾屯定律

在液體介質(zhì)中，往往存在一些不同組成的膠粒，如變壓器油中的雜質(zhì)，水分進(jìn)入某些液體介質(zhì)也可能形成乳化狀態(tài)的膠體溶液。這些膠粒均帶有一定的電荷。當(dāng)膠粒的介電常數(shù)大于液體的介電常數(shù)時(shí)，膠粒往往帶正電；反之，膠粒帶負(fù)電。4.液體介質(zhì)的電泳電導(dǎo)與華爾屯定律

——華爾屯定律定律表明：液體介質(zhì)的電泳電導(dǎo)率和粘度雖然都與溫度有關(guān)，但電泳電導(dǎo)率與粘度的乘積為一與溫度無關(guān)的常數(shù)。華爾屯定律對(duì)本征離子電導(dǎo)近似符合，不適用雜質(zhì)離子電導(dǎo)，這也是區(qū)別膠體電導(dǎo)和雜質(zhì)離子電導(dǎo)機(jī)理的方法之一。第27頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五28電介質(zhì)的強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)1.材料的電接觸特性2.載流子的增殖過程3.載流子的輸運(yùn)過程4.強(qiáng)場(chǎng)下的電流特性第28頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五29強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)的基本特征：

電介質(zhì)的強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)

載流子主要是電子電導(dǎo)非歐姆性具有非線性伏安特性第29頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五30物理性質(zhì)典型的半導(dǎo)體如硅、鍺等典型的絕緣體如NaCl、聚合物等禁帶Eg(eV)0.8～1.2≥5.0本征載流子濃度(m-3)T=300K2.8×1012T=300KT=500K10-181載流子遷移率(m2V-1s-1)10-4～1≤10-8本征電導(dǎo)率(Ω·m)-14.5×10-5～0.45≤10-45≤10-27電離雜質(zhì)濃度(m-3)1018～1024大多在室溫下電離≤2×10-9≤105雜質(zhì)電導(dǎo)率(Ω·m-1)1.6×10-5～1.6×105≤10-35≤2×10-22半導(dǎo)體與絕緣體的電性能比較電介質(zhì)的強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)第30頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五311.材料的電接觸特性表面與界面問題電接觸：金屬與非金屬介質(zhì)/半導(dǎo)體的接觸接觸界面的作用：載流子容易注入阻擋載流子注入如何描述界面特性？材料的電接觸特性第31頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五32（1）經(jīng)典電子論

假設(shè)金屬中自由電子為勢(shì)阱中的自由質(zhì)點(diǎn)，E0表示電子擺脫金屬束縛必須做的功。1.1功函數(shù)

在熱電子發(fā)射現(xiàn)象研究中發(fā)現(xiàn)，發(fā)射電流隨溫度基本上按指數(shù)規(guī)律變化：——功函數(shù)材料的電接觸特性第32頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五33

即功函數(shù)=E0

為勢(shì)阱深度。則電子服從經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分布：發(fā)射電流密度：材料的電接觸特性比較第33頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五34由于熱發(fā)射電子的能量m2/2必須高于E0，亦有（2）量子理論

假設(shè)E0表示導(dǎo)帶底部電子離開金屬必須做的功。利用費(fèi)米分布函數(shù)得到：材料的電接觸特性第34頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五35具有與經(jīng)典電子論相同的溫度依賴關(guān)系。但對(duì)功函數(shù)給出了不同于經(jīng)典理論的解釋：

功函數(shù)的大小直接反映費(fèi)米能級(jí)的高低。

所以：同樣可得發(fā)射電流密度：材料的電接觸特性第35頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五36金屬中：

m=E0-EFm，E0為勢(shì)阱深度，取決于材料的結(jié)構(gòu)和表面條件非金屬中：=X+（Ec-EF）EF—費(fèi)米能級(jí)，位于禁帶中，是溫度、雜質(zhì)濃度和外界壓力的函數(shù)。

EC—為導(dǎo)帶能級(jí)X—為電子親和勢(shì)。表示一個(gè)電子從表面上導(dǎo)帶底部移至真空所需能量。材料的電接觸特性第36頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五371.2接觸電勢(shì)兩種不同的材料A、B相接觸，就會(huì)帶電并產(chǎn)生不同的電勢(shì)VA、VB，二者之差稱為接觸電勢(shì)。以金屬為例：A、B不同，反映費(fèi)米能級(jí)EF的高低不同。EF

代表電子的化學(xué)勢(shì)當(dāng)A、B接觸交換電子時(shí)，發(fā)生從化學(xué)勢(shì)高到化學(xué)低的電子流動(dòng)；電子由A流到B,使A表面帶正電，B表面帶負(fù)電，從而產(chǎn)生靜電勢(shì)。VA>0,VB<0材料的電接觸特性第37頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五38使A、B中的電子產(chǎn)生附加勢(shì)能-eVA<0，–eVB>0從能級(jí)圖看，表現(xiàn)為A圖下降-eVA，B圖上升–eVB

使A和B的費(fèi)米能級(jí)相接近以至拉平——兩邊的電子化學(xué)勢(shì)變?yōu)橄嗟取ｋ娮訉⑼Ｖ箖袅鲃?dòng)，系統(tǒng)達(dá)到平衡。材料的電接觸特性第38頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五39此時(shí)有：

通過接觸電勢(shì)差來補(bǔ)償A、B之間費(fèi)米能級(jí)的差別，從而使電子達(dá)到統(tǒng)計(jì)平衡。

接觸電勢(shì)差：材料的電接觸特性第39頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五401.3電接觸類型

介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生正空間電荷，即產(chǎn)生一個(gè)從接觸界面擴(kuò)展至介質(zhì)體內(nèi)部的耗盡區(qū)。如：金屬與半導(dǎo)體的接觸（1）阻擋接觸材料的電接觸特性第40頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五41（2）歐姆接觸

在接觸處載流子密度比介質(zhì)體內(nèi)高很多。如：金屬與絕緣體的接觸產(chǎn)生歐姆接觸的方法：①降低有效熱電子發(fā)射的勢(shì)壘。②減薄勢(shì)壘——產(chǎn)生隧道效應(yīng)。材料的電接觸特性第41頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五42

固體表面實(shí)際上是固體與真空的界面，也會(huì)發(fā)生表面能帶的彎曲。由于固體晶格在其表面突然終斷，使周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞，產(chǎn)生近表面處能帶結(jié)構(gòu)的畸變，以使表面處費(fèi)米能級(jí)與體內(nèi)保持一致。

（3）中性接觸接觸面兩側(cè)區(qū)域?yàn)殡娭行?，不存在空間電荷。接觸處載流子濃度與介質(zhì)體內(nèi)的濃度相等的接觸，如M-S-M接觸。（4）表面態(tài)材料的電接觸特性第42頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五431.4外電場(chǎng)對(duì)接觸勢(shì)壘的影響外加電壓作用對(duì)界面能帶彎曲的影響（V4>V3>V2>V1>0）材料的電接觸特性第43頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五442.載流子的增殖過程（n0）

強(qiáng)場(chǎng)下的電導(dǎo)主要是電子電導(dǎo)。在禁帶寬度較小的介質(zhì)和薄層介質(zhì)中明顯存在。介質(zhì)中的導(dǎo)電電子來自電極和介質(zhì)體內(nèi)的熱電子發(fā)射、場(chǎng)致冷發(fā)射及碰撞電離。載流子的增殖過程第44頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五45載流子的增殖過程第45頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五462.1電極效應(yīng)電接觸——接觸電勢(shì)——強(qiáng)場(chǎng)下能帶發(fā)生變化——易于電子發(fā)射電極發(fā)射——電子、空穴離開電極進(jìn)入到介質(zhì)中高溫下，電子獲得足夠動(dòng)能離開電極，產(chǎn)生熱電子發(fā)射電流：載流子的增殖過程第46頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五47（1）場(chǎng)助熱電子發(fā)射——肖特基效應(yīng)

由于外電場(chǎng)的存在而使有效功函數(shù)降低的效應(yīng)。

高場(chǎng)強(qiáng)下，電子被電場(chǎng)拉出金屬，產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射電流。E=0

時(shí):瑞卡得遜——德西門公式電極發(fā)射——電子、孔穴離開電極場(chǎng)助發(fā)射——介于熱電子發(fā)射和場(chǎng)致發(fā)射之間載流子的增殖過程第47頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五48①金屬與真空的邊界可用矩形勢(shì)壘表示。②金屬與介質(zhì)的邊界電子溢出金屬的勢(shì)壘發(fā)生變化，為電子與金屬表面感應(yīng)正電荷之間靜電引力形成勢(shì)壘。載流子的增殖過程第48頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五49

③陰極發(fā)射設(shè)電子在金屬外無限遠(yuǎn)處的勢(shì)能為零，在x負(fù)方向加一電場(chǎng)，克服電像力的阻礙,使電子容易脫離金屬表面，則合成勢(shì)壘下降為：用鏡像法，可求得在金屬表面數(shù)個(gè)原子層外，載流子的增殖過程第49頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五50亦為E0時(shí)熱電子發(fā)射的必要條件。求極值：因此，外電場(chǎng)使熱電子所需克服的勢(shì)壘降低：s——肖特基系數(shù)若總勢(shì)壘則肖特基效應(yīng)的必要條件：載流子的增殖過程第50頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五51可得出場(chǎng)助電子發(fā)射電流密度：其中：取對(duì)數(shù)載流子的增殖過程第51頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五52

場(chǎng)致發(fā)射電流是在強(qiáng)電場(chǎng)下，由量子隧道效應(yīng)形成的電流，與溫度關(guān)系不大。不同于熱電子在較高溫下出現(xiàn)，故稱冷發(fā)射電流。（2）場(chǎng)致發(fā)射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電子增殖明顯。約為108V/m載流子的增殖過程第52頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五53電極效應(yīng)：（1）陰極—介質(zhì)導(dǎo)帶（2）介質(zhì)價(jià)帶—陽極體效應(yīng)：（3）介質(zhì)價(jià)帶—介質(zhì)導(dǎo)帶（4）雜質(zhì)能級(jí)—介質(zhì)導(dǎo)帶強(qiáng)場(chǎng)下隧道效應(yīng)從電極進(jìn)入介質(zhì)的可能過程：載流子的增殖過程第53頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五54

為與電極——介質(zhì)功函數(shù)有關(guān)的常數(shù)，與溫度關(guān)系不大。在過程（1）中，透射系數(shù)：介質(zhì)中加電場(chǎng)E

，從電極進(jìn)入介質(zhì)導(dǎo)帶的隧道電流密度與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系（符勒——朗得亥姆公式）：載流子的增殖過程第54頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五55ZnO邊界層強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)器件在強(qiáng)電場(chǎng)下的電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線載流子的增殖過程第55頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五56

氣體介質(zhì)中的正離子在電場(chǎng)中加速，沖擊金屬表面，發(fā)射出帶電與不帶電的粒子。不帶電粒子可為：正離子+電子原子帶電粒子為：二次電子或負(fù)離子

（3）表面電子發(fā)射載流子的增殖過程第56頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五572.2體效應(yīng)非晶態(tài)電介質(zhì)及雜質(zhì)缺陷的存在——破壞理想晶格長(zhǎng)程有序——禁帶內(nèi)產(chǎn)生陷阱能級(jí)影響載流子的產(chǎn)生與消失——影響介質(zhì)導(dǎo)電性介質(zhì)內(nèi)部受到庫侖電勢(shì)約束的電子，如帶正電的陷阱中心所俘獲的電子等——內(nèi)肖特基效應(yīng)電場(chǎng)使介質(zhì)陷阱中心的庫侖勢(shì)壘降低，使發(fā)射載流子數(shù)迅速增加，稱為普爾——弗倫凱爾效應(yīng)載流子的增殖過程第57頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五58（1）普爾——弗倫凱爾效應(yīng)F普爾—弗倫凱爾系數(shù)在電場(chǎng)E存在時(shí)，載流子的增殖過程第58頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五59

類似于晶體介質(zhì)中電子電導(dǎo)的分析方法，忽略沿電場(chǎng)方向的熱電子發(fā)射電流，可得因電子間靜電力作用距離故第59頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五60由此：①普爾——弗倫凱爾效應(yīng)和肖特基效應(yīng)具有相似的JE規(guī)律，且b=b’，故很難區(qū)分。②電導(dǎo)為體限制時(shí)，觀察到普爾—弗倫凱爾效應(yīng)。

電導(dǎo)為電極控制時(shí)，觀察到肖特基效應(yīng)。載流子的增殖過程第60頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五61

W——分子的電離能，x為自由行程（2）電子碰撞電離效應(yīng)

自由電子獲得足夠能量后，與介質(zhì)中粒子發(fā)生碰撞，碰撞電離產(chǎn)生新電子。一般發(fā)生在氣體介質(zhì)中。滿足的條件：載流子的增殖過程第61頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五623.載流子的輸運(yùn)過程（）

單晶介質(zhì)——常指金屬與半導(dǎo)體散射——電子從一個(gè)穩(wěn)態(tài)躍遷到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)聲子——離子偏離格點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)組成晶體中的格波，格波的能量是量子化的，格波的量子稱為聲子。

實(shí)驗(yàn)證明：在金屬與半導(dǎo)體單晶中，隨溫度下降而增大，表明晶格振動(dòng)對(duì)散射起主導(dǎo)作用。而

散射是影響載流子輸運(yùn)的主要因素。3.1單晶介質(zhì)的能帶導(dǎo)電模型——擴(kuò)展態(tài)遷移率載流子的輸運(yùn)過程第62頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五63①晶體中共有化運(yùn)動(dòng)的電子在離子產(chǎn)生的周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。②離子偏離平衡位置使周期勢(shì)場(chǎng)破壞，附加的偏離周期性勢(shì)場(chǎng)可看為微擾，使電子躍遷，產(chǎn)生散射。載流子的輸運(yùn)過程第63頁，共70頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期五64

特點(diǎn)：1)平均自由程比原子間距離大得多，電子能量高。在半導(dǎo)體中