材料的電導性能

1、 (4) 2045VVIAR22.5 .1 .10ScmRcmLcm 11111.1 .cmS cm 1202 .10VVEV cmLcm2242 .2IAJAcmScm112.1 .2 .2 .EJES cmV cmAcm2045VVIAR.SRLVELIJS.EJEIJS.LRS.VE L.ELJ SLSAreaLengthi 微分式說明導體中某點的電流密度（單位時間內通過單位面積的電荷）正比于該點的電場強度,比例系數(shù)為電導率。 電導率即單位電場強度下，單位時間內通過單位面積的電荷。 電場強度E伏特/厘米; 電流密度J安培/厘米2; 電阻率歐姆.厘米; 電導率西門子.厘米-1.EJE 電流

2、是電荷在空間的定向運動。 任何一種物質，只要存在帶電荷的自由粒子載流子，就可以在電場下產生導電電流。 金屬中： 自由電子 無機材料中： 電子（負電子/空穴）電子電導 離子（正、負離子/空穴）離子電導題：題： 一電子電導材料一電子電導材料載流子是電子，載流子密度即單位體積的電子數(shù)為載流子是電子，載流子密度即單位體積的電子數(shù)為 n=1.01018cm-3, 在兩端加一在兩端加一E=10v.cm-1的電場強度，若電子的運動速的電場強度，若電子的運動速度為度為n n=1.0104cm.s-1，求：，求：(1)單位時間內通過單位橫截面積的電荷數(shù)單位時間內通過單位橫截面積的電荷數(shù)J；(2)已知電子的運動速

3、度和電場強度成正比，定義載流子的遷移率已知電子的運動速度和電場強度成正比，定義載流子的遷移率m m為為單位電場下，單位電場下，載流子的運動速度，求遷移率載流子的運動速度，求遷移率m m ；(3)單位電場下，單位時間內通過單位橫截面積的電荷數(shù)，即電導率單位電場下，單位時間內通過單位橫截面積的電荷數(shù)，即電導率 ；(4)根據(jù)載流子密度和載流子遷移率，求電導率根據(jù)載流子密度和載流子遷移率，求電導率 。解解: (1) J=nqn n =1.01018cm-31.610-19C1.0104cm.s-1 =1.6103C. cm-2.s-1= 1.6103A. cm-2 (2) m m = n n/E =1

4、.0104cm.s-1/(10v.cm-1)=1.0103cm-2. v-1.s-1 (3) =J/E = 1.6103A. cm-2 /(10v.cm-1) =160A.v-1. cm-1 =160S. cm-1(4) =J/E=nqn n/E=nq m m =1.01018cm-31.610-19C 1.0103cm-2. v-1.s-1 = 160A.v-1. cm-1=160S. cm-1 =J/E=J/E =nqn n/E =nq m m =niqim mi電子電導的特征是具有霍爾效應。沿試樣x軸方向通入電流I(電流密度Jx),z軸方向上加一磁場Hz,那么在y軸方向上將產生一電場Ey

5、,這種現(xiàn)象稱霍爾效應霍爾效應。 圖圖4-1 霍爾效應示意圖霍爾效應示意圖Ey產生的電場強度,霍爾系數(shù)（又稱霍爾常數(shù)）RH霍爾效應的起源：霍爾效應的起源：源于磁場中運動電荷所產生的洛侖茲力，導致載流子在磁場中產生洛侖茲偏轉。該力所作用的方向既與電荷運動的方向垂直，也與磁場方向垂直。zxHyHJREmHHR 霍爾系數(shù)RH=.，即霍爾常數(shù)等于材料的電阻率與電子遷移率的乘積?；魻栂禂?shù)RH有如下表達式：對于半導體材料：n型：p型：enRiH1空穴濃度電子濃度iiHiiHnenRnenR,1,1離子電導的特征是具有電解效應。利用電解效應可以檢驗材料是否存在離子導電可以判定載流子是正離子還是負離子法拉第電解

6、定律：電解物質與通過的電量成正比關系：為法拉第常數(shù)為電化當量為通過的電量為電解質的量F；C；QgFQCQg/ 參與電導的載流子為離子，有離子或空位。它又可分為兩類。 本征電導：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格形成熱缺陷。 從而導致載流子，即離子、空位等的產生，這尤其是在高溫下十分顯著。 雜質電導：由固定較弱的離子（雜質）的運動造成，由于雜質離子是弱聯(lián)系離子，故在較低溫度下其電導也表現(xiàn)得很顯著。 固有電導(本征電導)中，載流子由晶體本身的熱缺陷提供。1exp(/ 2)NNEkT4.2.1 載流子濃度(1)本征電導的載流子濃度N1為單位體積內離子結點數(shù)或單位體積內離子對的數(shù)

7、目。 低溫下：kTE，故N較低。只有在高溫下，熱缺陷的濃度才明顯增大，因此， 本征電導在高溫下才會顯著地增大。 （2）雜質電導的載流子濃度）雜質電導的載流子濃度 雜質電導（extrinsic conduction）的載流子濃度決定于雜質的數(shù)量和種類。由于雜質的存在，不僅增加了載流子數(shù)，而且使點陣發(fā)生畸變，使得離子離解能變小。在低溫下，離子晶體的電導主要是雜質電導。很顯然，雜質含量相同時，雜質不同產生的載流子濃度不同；而同樣的雜質，含量不同，產生的載流子濃度不同。 4.2.2 離子遷移率 離子電導的微觀機構為載流子 離子的擴散。間隙離子處于間隙位置時，受周邊離子的作用，處于一定的平衡位置(半穩(wěn)定

8、位置)。如要從一個間隙位置躍入相鄰間隙位置，需克服高度為U0的勢壘完成一次躍遷，又處于新的平衡位置上。這種擴散過程就構成了宏觀的離子“遷移”。 由于U0相當大，遠大于一般的電場能，即在一般的電場強度下，間隙離子單從電場中獲得的能量不足以克服勢壘進行躍遷，因而熱運動能是間隙離子遷移所需能量的主要來源。 加上電場后，由于電場力的作用，使得晶體中間隙離子的勢壘不再對稱。正離子順電場方向，“遷移”容易，反電場方向“遷移”困難。4.2.3 離子電導率 (1)離子電導率的一般表達方式 =nq 如果本征電導主要由肖特基缺陷引起，其本征電導率為： Ws可認為是電導的活化能，它包括缺陷形成能和遷移能。電導率與之

9、具有指數(shù)函數(shù)的關系。)/exp(kTWAsss本征離子電導率一般表達式為：)/exp()/exp(111TBAkTWA 若有雜質也可依照上式寫出： 一般A2A1，但B2exp(-B1)這說明雜質電導率要比本征電導率大得多。)/exp(22TBA4.2.4 影響離子電導率的因素(1)溫度呈指數(shù)關系，隨溫度升高，電導率迅速增大。如圖：注意：低溫下，雜質電導占主要地位(曲線1)，高溫下，本征電導起主要作用(曲線2) 。 (2)離子性質及晶體結構 關鍵點：電導率隨著電導活化能指數(shù)規(guī)律變化，而活化能大小反映離子的固定程度，它與晶體結構有關。熔點高的晶體，活化能高，電導率低。 a)離子半徑：一般負離子半徑

10、小，結合力大，因而活化能也大； b)陽離子電荷，電價高，結合力大，因而活化能也大； c)堆積程度，結合愈緊密，可供移動的離子數(shù)目就少，且移動也要困難些，可導致較低的電導率。 (3)晶體缺陷 離子晶格缺陷濃度大并參與電導。故離子性晶格缺陷的生成及其濃度大小是決定離子電導的關鍵所在。 4.5.1 玻璃態(tài)電導 (1)含堿玻璃的電導特性 在含有堿金屬離子的玻璃中，基本上表現(xiàn)為離子電導。玻璃體的結構比晶體疏松，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。玻璃體與晶體不同是，堿金屬離子的能阱不是單一的數(shù)值，而是有高有低，這些位壘的體積平均值就是載流子的活化能。 大多數(shù)固體材料為多晶多相

11、材料，其顯微結構往往較為復雜，由晶粒、玻璃相、氣孔等組成。多晶多相材料的電導比起單晶和均質材料要復雜得多。 (a)堿金屬含量不大時，與堿金屬含量呈直線關系，堿金屬只增加離子數(shù)目；但堿金屬含量超過一定限度時，與堿金屬含量呈指數(shù)關系，這是因為堿金屬含量的增加破壞了玻璃的網(wǎng)絡，而使玻璃結構更加松散，因而活化能降低， 導電率指數(shù)式上升。 (b) 雙堿效應 應用條件：當堿金屬離子總濃度較大時（占玻璃25-30%），在堿金屬離子總濃度相同情況下，含兩種堿比含一種堿的電導率要小，比例恰當時，可降到最低(降低45個數(shù)量級)。 (3)壓堿效應 含堿玻璃中加入二價金屬氧化物，尤其是重金屬氧化物，可使玻璃電導率降低

12、，這是因為二價離子與玻璃體中氧離子結合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡結構，以致堵住了離子的遷移通道，使堿金屬離子移動困難， 從而減小了玻璃的電導率。也可這樣理解，二價金屬離子的加入，加強玻璃的網(wǎng)絡形成，從而降低了堿金屬離子的遷移能力。 半導體玻璃作為新型材料非常引人注目： （1）金屬氧化物玻璃（SiO2等）； （2）硫屬化物玻璃（S,Se,Te等與金屬的化合物）； （3）Ge,Si,Se等元素非晶態(tài)半導體。（2）玻璃半導體）玻璃半導體 導電的前提：在外界能量(如熱、輻射)、價帶中的電子獲得能量躍遷到導帶中去； 導電機制：電子與空穴。 4.3.2 載流子濃度(1)晶體的能帶結構(2)本征半導體中的載流

13、子濃度 本征電導：載流子由半導體晶格本身提供，是由熱激發(fā)產生的，其濃度與溫度呈指數(shù)關系。導帶中的電子導電和價帶中的空穴導電同時存在，載流子電子和空穴的濃度是相等的。 本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流可以認為空穴是載流子。子。本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。 (3)

14、雜質半導體中的載流子濃度 雜質對半導體的導電性能影響很大，例如，單晶硅中摻(1/10萬)硼，導電能力將增大1000倍。雜質半導體可分為n型(可提供電子)和p型(會吸收電子，造成空穴)。 施主能級 在四價的Si單晶中摻入五價的雜質砷，一個砷原子外層有五個電子，取代一個硅原子后，其中四個同相鄰的四個硅原子形成共價鍵，還多出一個電子，它離導帶很近，只差E1 = 0.05eV，為硅禁帶寬度的5%，很容易激發(fā)到導帶中去。這種“多余”電子的雜質能級稱為施主能級，n型半導體。多余多余電子電子磷原子磷原子N 型半導體中型半導體中的載流子是什的載流子是什么？么？1 1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。

15、、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2 2、本征半導體中成對產生的電子和空穴。、本征半導體中成對產生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流多數(shù)載流子子（多子多子），空穴稱為），空穴稱為少數(shù)載流子少數(shù)載流子（少子少子）。）。+4+4+5+4 受主能級 若在Si中摻入第三族元素(如B)，因其外層只有三個價電子， 這樣它和硅形成共價鍵就少了一個電子(出現(xiàn)了一個空穴能級)此能級距價帶很近，只差E1 = 0.045eV，價帶中的電子激發(fā)到此能級上

16、比越過整個禁帶容易(1.1eV)。這種雜質能級稱為受主能級，P型半導體。IIII、p 型半導體型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴產生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為原子

17、接受電子，所以稱為受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半導體中空穴是多子，電子是少子型半導體中空穴是多子，電子是少子。半導體的費米能的定義（化學勢的概念？）當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，也不對外界做功的情況下，系統(tǒng)中增加一個電子所引起的系統(tǒng)自由能的變化，等于系統(tǒng)的化學勢，也就是等于系統(tǒng)的費米能級?；瘜W勢（Chemical potential ）：化學勢就是吉布斯自由能對成分的偏微分，化學勢又稱為偏摩爾勢能。 11()ln22cfcDDNEEEkTN11()ln22AfVAVNEEEkTN*3()24CVhFBeEEmEk T Lnm本征半導體的費米能級N型半導體的費米能級p型半

18、導體的費米能級 4.3.3 電子電導率 本征電導率： n型、P型半導體電導率： 與雜質無關 雜質引起 低溫時，第二項起作用，雜質電導起主要作用；高溫時，雜質已全部離解，本征電導起作用。 eNeenenhekTEghhee)(2/mmmm/21/2()exp( ()/2)EgkTehcDcDeNeeN NEEkTemmm4.3.4 電子電導率的影響因素溫度的影響一般情況下，受T的影響比起載流子濃度n受T的影響要小得多，因此電導率對溫度的依賴關系主要取決于濃度項。在溫度變化不大時，電導率與溫度關系符合指數(shù)式。4.4.1 金屬電導率金屬電導率馬西森定律馬西森定律 4.4.2 電阻率與溫度的關系電阻率

19、與溫度的關系圖圖4-16 低溫下雜質、晶體低溫下雜質、晶體缺陷對金屬電阻的影響缺陷對金屬電阻的影響1 - 理想金屬晶體=(T)2 含有雜質金屬=0+(T)3 含有晶體缺陷=0+(T) 4.4.3 電阻率與壓力的關系電阻率與壓力的關系 在流體靜壓壓縮時（高達在流體靜壓壓縮時（高達1.2 GPa），大），大多數(shù)金屬的電阻率下降。這是因為在巨大的多數(shù)金屬的電阻率下降。這是因為在巨大的流體靜壓條件下，金屬原子間距縮小內部流體靜壓條件下，金屬原子間距縮小內部缺陷形態(tài)、電子結構、費米能和能帶結構都缺陷形態(tài)、電子結構、費米能和能帶結構都將發(fā)生變化，顯然會影響金屬的電導率。將發(fā)生變化，顯然會影響金屬的電導率。

20、pp10 4.4.4 冷加工和缺陷對電阻率的影響冷加工和缺陷對電阻率的影響圖圖4-21 冷加工變形鐵的電阻在冷加工變形鐵的電阻在退火時的變化退火時的變化1-=99.8%；2-=97.8%；3-=93.5%；4-=80%；5-=44%圖圖4-20 變形量對金屬電阻的影變形量對金屬電阻的影響響 4.4.5 電阻率的各向異性電阻率的各向異性 一般在立方系晶體中金屬的電阻率表現(xiàn)為各向同性，但在一般在立方系晶體中金屬的電阻率表現(xiàn)為各向同性，但在對稱性較差的六方晶系、四方晶系、斜方晶系和菱面體中，對稱性較差的六方晶系、四方晶系、斜方晶系和菱面體中，導電性表現(xiàn)為各向異性。導電性表現(xiàn)為各向異性。cAu/原子百

21、分數(shù)圖圖4-22 銀銀-金合金電金合金電阻率與組成的關系阻率與組成的關系cPd/原子百分數(shù)圖圖4-23 銅、銀、金與鈀銅、銀、金與鈀組成金合金電阻率與組組成金合金電阻率與組成的關系成的關系4.4.6 固溶體的電阻率固溶體的電阻率（1）形成固溶體時電阻率的變化）形成固溶體時電阻率的變化 4.6.1 晶界效應 (1)壓敏效應(Varistor effect) 壓敏效應指對電壓變化敏感的非線性電阻效應，即在某一臨界電壓以下，電阻值非常高，幾乎無電流通過；超過該臨界電壓(敏感電壓)，電阻迅速降低，讓電流通過。 (2) PTC效應(Positive Temperature Coefficient) （1

22、）PTC現(xiàn)象：隨溫度上升，在材料的相變點（居里點）附近，電阻率發(fā)生突變，增大了3-4個數(shù)量級。 （2）PTC現(xiàn)象的應用 主要應用：溫度敏感元件；熱敏電阻（P型半導體） ；限電流元件；恒溫發(fā)熱體 4.6.2 表面效應 陶瓷氣敏元件主要是利用半導體表面的氣體吸附反應。利用表面電導率變化的信號來檢測各種氣體的存在和濃度。 (1)半導體表面空間電荷層的形成 半導體表面存在著各種表面能級，這些表面能級將作為施主或受主和半導體內部產生電子授受關系（2）半導體表面吸附氣體時電導）半導體表面吸附氣體時電導率的變化率的變化 半導體表面吸附氣體時，半導體和吸附氣體分子（或氣體分子分解后形成的基團）之間由于電子的轉

23、移（即使電子的轉移不那么顯著）產生電荷的偏離。 4.6.3 西貝克效應 半導體兩端有溫差時，高溫區(qū)載流子趨于擴散到較冷的區(qū)域中去。當其化學勢梯度和電場梯度相等，且方向相向時，達到穩(wěn)定狀態(tài)。 由于多數(shù)載流子要擴散到冷端，產生V/T，結果就產生了溫差電動勢-西貝克效應。 4.6.4 p-n結 幾個問題 . 型半導體和n型半導體是電中性的嗎？2. 兩杯溶液的液位相等，濃度不相等，用連通管聯(lián)通后有什么現(xiàn)象？為什么？分子總是從化學勢高的相進入化學勢低的相分子總是從化學勢高的相進入化學勢低的相，從而降低系統(tǒng)的總自由能，并使系統(tǒng)達到平衡態(tài)，達到平衡時將滿足溫度相等TA=TB和化學勢相等A=B。 半導體的費米能的定義當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，也不對外界做功的情況下，系統(tǒng)中增加一個電子說引起系統(tǒng)自由能的變化，等于系統(tǒng)的化學勢，也就是等于系統(tǒng)的費米能級。. 費米能不相等的材料相連，在沒有外界作用的情況下，會發(fā)生什么現(xiàn)象？ 4.6.4 p-n結 (1) p-n結勢壘的形成(3)光生伏特效應復習復習 純金屬的電阻率和溫度的關系。 超導體：是在液氦甚至液氮的低溫下，具有零阻導電現(xiàn)象的物質。(1)(1)完全抗磁性完全抗磁性當超導體冷卻到臨界溫度以下而轉變?yōu)槌瑢B(tài)后，只要周圍的外加磁場沒有強到破壞超導性的程度，超導體就會