215無機非金屬的導電機理

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

2、和空穴半導體的載流子：電子和空穴無機非金屬導電機理一一 離子電導的導電機理離子電導的導電機理離子晶體的離子電導主要有兩類離子晶體的離子電導主要有兩類：第一類，固有離子電導（本征電導），第一類，固有離子電導（本征電導），源于晶體點源于晶體點陣的基本離子的運動。離子自身隨著熱振動離開晶陣的基本離子的運動。離子自身隨著熱振動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)電導第二類，雜質(zhì)電導，由固定較弱的離子運動造成的由固定較弱的離子運動造成的。（較低溫度下雜質(zhì)電導顯著（較低溫度下雜質(zhì)電導顯著） 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離子電導無機非金屬導電機理

3、1.1.載流子濃度載流子濃度（1）固有電導（本征電導）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，一些能量較高的的離子脫離格點形成“間隙離子”，或跑到晶體表面形成新的結(jié)點，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無機非金屬導電機理l弗侖克爾缺陷：弗侖克爾缺陷：一定溫度下，一定溫度下，格點原子在平衡位置附近格點原子在平衡位置附近振動，其中某些原子能夠獲得較大的熱運動能量，克服周圍振動，其中某些原子能夠獲得較大的熱運動能量，克服周圍原子化學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成為空位。這種間隙原子和空位成子，原先所處的位置相應成為空位。這種間隙原子和空位成對出現(xiàn)的缺陷稱為弗侖克爾缺陷。對出現(xiàn)的缺陷稱為弗侖克爾缺陷。無機非金屬導電機理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依靠熱運依靠熱運動能量運動到外面新的一層格點位置上，而動能量運動到外面新的一層格點位置上，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。無機非金屬導電機理 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)點數(shù)單位體積內(nèi)離子結(jié)點數(shù) ef形成一個弗侖克爾缺陷所需能量形成一個弗侖克爾缺陷所需能量無機非金屬導電機理肖脫基缺陷肖脫基缺陷載流子濃度：載流子濃度：ktennss2exp ns肖特級缺陷提供的載流子濃度肖特級缺陷提供的載流子濃度n單位體積內(nèi)離子結(jié)點數(shù)單位體積內(nèi)離子結(jié)點數(shù) es形成一個肖特級缺陷所需能量形成一個肖特級缺陷所需能量無機非金屬導電機理（2）雜質(zhì)電導作

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，同時形成摻雜可形成載流子，同時形成新載流子新載流子。 摻雜使點陣發(fā)生畸變，引起晶格上結(jié)點的摻雜使點陣發(fā)生畸變，引起晶格上結(jié)點的 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非金屬導電機理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)離子的離解能無機非金屬導電機理本征缺陷和雜質(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實際應用中：實際應用中：外界條件不同。起主導作用的缺陷不一外界條件不同。起主導作用的缺陷不一 樣，材料的電導率性質(zhì)不同。樣，材料的電導率性質(zhì)不同。高溫下高溫下: : 離子晶體的電導主要由熱缺陷濃度決定離子晶體的電導主要由熱缺陷濃度決定低溫下低溫下: : 離子晶體的電導主要由雜質(zhì)載流子濃度決定離子晶體的電導主要由雜質(zhì)載流子濃度決定無機非金屬導電機理離子電導的微觀機構(gòu)離子電導的微觀機構(gòu): :載流子載流

8、子( (離子離子) )的擴散的擴散 。離子的擴散過程就構(gòu)成了宏觀的離子離子的擴散過程就構(gòu)成了宏觀的離子“遷移遷移”。2.離子遷移率離子遷移率nqev離子導電性：離子導電性：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。無機非金屬導電機理 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，需克服一個高度克服一個高度為為u0 的的“勢壘勢壘”, ,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）無機非金屬導電機理 間隙離子由于熱運動間隙離子由于熱運動, 越過勢壘越過勢壘u0。單位時間沿。單位時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)定位置上振動的頻率。間隙離子在半穩(wěn)定位置上振動的頻率。0v無機非金屬導電機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，因為遷移在各方向幾率相等，所以相微觀電流，因為遷移在各方向幾率相等，所以相 互抵消，宏觀上無電荷定向運

10、動，故互抵消，宏觀上無電荷定向運動，故介質(zhì)中無電介質(zhì)中無電 導現(xiàn)象。導現(xiàn)象。 e=0，無機非金屬導電機理 e0外電場作用下，間隙離子的勢壘發(fā)生變化外電場作用下，間隙離子的勢壘發(fā)生變化無機非金屬導電機理則順電場方向和逆電場方向填隙離子單位時則順電場方向和逆電場方向填隙離子單位時間內(nèi)間內(nèi) 躍遷次數(shù)分別為躍遷次數(shù)分別為：ktuuvpktuuvp0000exp6exp6逆順設電場設電場 在在 距離上造成的位勢差距離上造成的位勢差2e22qefu每躍遷一次的距離每躍遷一次的距離無機非金屬導電機理單位時間內(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無機非金屬導電機理當電場強度不大時當電場強度不大時，ktu ktuktuktuktuektu1! 3! 2! 1132同樣同樣：ktuektu1ektuktqvv00exp6所以所以：無機非金屬導電機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。 間隙離子的振動頻率， 間隙離子的電荷數(shù)，

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

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

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

15、電導率的因素1.溫度溫度無機非金屬導電機理4 導電機理復雜3 兩種導電機理（斜率先大后小）（斜率先大后?。?兩種雜質(zhì)離子的電導兩種雜質(zhì)離子的電導t111t21t31t41tln3124無機非金屬導電機理電導率隨活化能按指數(shù)規(guī)律變化，而活化能反映離電導率隨活化能按指數(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）熔點熔點高，晶體結(jié)合力大，相應活化能也高，電導率就低。熔點高，晶體結(jié)合力大，相應活化能也高，電導率就低。（2）離子電荷）離子電荷低價離子，價鍵弱，活化能?。浑妼蚀蟮蛢r離子，價鍵弱，活化能?。浑妼蚀蟾邇r離子，價鍵強，活化能大，電導率小高價離子，價鍵強，活化能大，電導率?。?）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，電導率小一般離子半徑小，結(jié)合力大，因而活化能也大，電導率小無機非金屬導電機理離子晶體要具有離子電導的特性，必須具備的條件：離子晶體要具有離子電導的特性，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??；（2 2）離子晶格缺陷濃度大并參與電導）離子晶格缺陷濃度大并參與電導。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