电子材料物理第三章

1、 第三章 电子(dinz)材料的电导 本章概要(giyo):本章讨论在电学领域广泛应用的无机电子材料(半导体材料和电子功能陶瓷材料)的电导特性,重点为离子电导,电子电导和半导体材料的界面电导.作业 3.1, 3.2, 3.3, 3.7,3.10 共六十二页主要(zhyo)内容3.1 电导的物理现象3.2 离子电导3.3 电子电导3.5 半导体材料的界面电导3.6 超导体共六十二页3.1.1 电导的主要参数1 电导率和电阻率2 迁移率和电导率的一般公式3 体积电阻与体积电阻率4 表面电阻与表面电阻率5 电阻测量-直流四端(s dun)电极法3.1.2 电导的分类1 电导的分类2 电导的物理效应-

2、霍尔效应、电解效应共六十二页3.1 电导(din do)的物理现象 3.1.1 电导的主要参数1 电导率和电阻率 电介质并非理想(lxing)绝缘体，在电场作用下均有一定的电流通过，此即为电介质的电导单位 J 安/米2 A/m2 欧米 m E伏特/米 v/m 西/米 s/m 共六十二页 2.迁移率和电导率的一般(ybn)表达公式共六十二页 3.体积(tj)电阻与体积(tj)电阻率 体电阻的引入共六十二页 体电阻(dinz)的计算共六十二页 4.表面(biomin)电阻与表面(biomin)电阻率共六十二页5直流四端(s dun)电极法电导率的测量方法测量(cling)原理（图3.7）： （L.

3、V内侧两电极间距离及电压，I为流过载面S的电流）四探测法（图3.8） （l1、l2、l3 为探测1.2，2.3，3.4间距离，I为1.4间电流。V为2.3间电压）共六十二页3.1.2 电导(din do)的分类（1）分类：电子电导：电子（空穴），固态导体半导体，强电场下的绝缘体 离子(lz)电导：正负离子(lz)，液态导体半导体，弱电场下的绝缘体 （2）物理效应 电子电导霍尔效应，Ey= （x电场，z磁场，y向产生电压）。 为霍尔系数 离子电导电解效应，g=cQ（g电解物质量，Q电量，c为电化当量）共六十二页3.2 离子(lz)电导3.2.1 载流子浓度1本征电导2 杂质电导3.2.2 离子(

4、lz)迁移率1 离子迁移的微观机制2 离子迁移率3.2.3 离子电导率1 离子电导的一般表达式2 扩散与离子电导3.2.4影响离子电导率的主要因素3.2.5 固体电解质ZrO2共六十二页3.2 离子(lz)电导 离子电导(din do)本征电导(din do)：源于晶体点阵的基本粒子的运动（固有离子电导(din do)），高温下显著 杂质电导源于弱联系杂质离子的运动，低温下明显共六十二页3.2.1 载流子浓度(nngd) 1. 本征电导： （1）弗仑克尔缺陷（同时形成填隙离子和空位,其浓度相等） Nf=Nexp（-Ef/2kT） Ef：形成弗仑克尔缺陷所需的离解能 N：单位体积内的离子结点(j

5、i din)数 （2）肖特基缺陷（同时形成正负离子空位） Ns=Nexp（-Es/2kT） Es：离解一个阴离子和阳离子并达到表面所需要的离解能 N：点位体积内的离子对数目共六十二页结论 （1）热缺陷的浓度由温度和离解能决定，常温下kT比E小的多，所以高温下热缺陷的浓度才显著(xinzh)增加（2）离解能和晶体结构有关，一般肖特基缺陷形成能比弗仑克尔形成能小很多。2.杂质电导： 载流子浓度取决于杂质数量和种类。无论替代式和间隙式质，不仅使载流子数目增加，而且使晶格点阵畸变，其离解能小，在低温下明显。共六十二页3.2.2 离子(lz)迁移率（u） 1. 离子载流子迁移的微观(wigun)机制（图

6、3.11） 离子扩散共六十二页2.离子迁移率离子在彭衡位置作热振动，当振动能量超过临近离子对它的束缚势垒时，离子才能离开平衡位置而迁移(qiny)，每个方向单位时间越过势垒到新的平衡位置的离子数 n0 ：离子浓度，v：离子平衡位置的振动频率(pnl)， u：临近离子对其的束缚势垒高度）在无外场情况下，由于沿所有方向的离子迁移几率均等，所以总的迁移率等于零，无定向电流 。 共六十二页 有外场作用（图3.12）：离子电荷q，电场(din chng)沿x正向。沿X向的宏观(hnggun)飘移速度和迁移率为：V=; u=共六十二页离子(lz)电导率 离子电导(din do)的一般表达式（ ）若为本征半

7、导体（肖特基半导体）=式中（电导活化能= 共六十二页 对杂质电导（间隙(jin x)，替位） 一般情况A1：在温度(wnd)变化不大时是常数共六十二页扩散(kusn)与离子电导 1） 离子扩散机制 离子电导是在电场作用下的扩散现象，主要有5种扩散机制： （1）易位扩散：正负离子直接易位，活化能最大 （2）环行扩散：同种离子相互易位，实际可能性小 （3）间隙扩散：对较大离子，困难 （4）准间隙扩散：较易 （5）空位扩散：活化能最小，最常见(chn jin)的方式 五种扩散机制中，易位扩散所需活化能最大；同种离子间的环形扩散也较难；空位扩散所需要的活化能最小。空位扩散是最常见的扩散机制！共六十二页

8、图3.13共六十二页 扩散(kusn)电流： 在热平衡条件下（扩散电流(dinli)与位移电流(dinli)必须相反。总电流(dinli)为0）两下式代入上式，得： 2） 能斯特爱因斯坦方程（离子电导与扩散系数间的关系式）共六十二页3.2.4 影响离子(lz)电导率的因素 温度 本征离子电导： 杂质： 随着温度的升高，电导率指数规律增加（3.14）2 晶体结构 电导率随活化能（包括电离能和迁移能）w指数变化，而活化能反映粒子的固定程度，与晶体结构有关： 熔点(rngdin)高的晶体晶体结合力大活化能高-迁移率低电导率低 离子电荷大小与活化能有关:正离子电价高活化能高迁移率低共六十二页3 晶格缺

9、陷影响晶体缺陷生成和浓度(nngd)的主要原因（1）热激励 弗伦克尔 肖特基缺陷（2）不等价固溶掺杂形成晶体缺陷（3）离子晶体中正负离子计量比随气氛变化发生变化，形成非化学计量比化合物，因而产生晶体缺陷例如稳定型ZrO2由于氧脱离形成氧空位： 共六十二页3.2.5 固体(gt)电解质ZrO2固体电解质：具有离子电导的固体物质只有离子晶体才能成为固体电解质，共价键晶体和分子晶体都不能成为固体电解质离子晶体具有离子电导特性，必须具备(jbi)（1）电子载流子浓度小（2）离子晶格缺陷浓度大并参与导电ZrO2固溶CaO，Y2O3，固溶过程中产生如下反应生成共六十二页3.3 电子电导3.3.1 电子迁移

10、率1电子的有效质量2 电子的迁移率3.3.2 载流子浓度(nngd)1 本征半导体载流子浓度2 杂质半导体载流子浓度3.3.3 电子电导率1 本征半导体电导率2 非本征半导体电导率 3 散射(snsh)的种类3.3.4影响电导率的因素1温度对电导率的影响2杂质和缺陷的影响共六十二页3.3 电子(dinz)电导 电子电导(din do)的载流子:电子和空穴 主要发生在导体和半导体中电子由于晶格热振动，杂质，错位和裂缝等因素导致固体周期性的破坏，使其运动受阻，进而导致有限迁移率。 电场周期破坏的来源是：晶格热振动、杂质的引入、位错和裂缝等。下面我们仍从载流子的迁移率以及浓度两个方面来讨论电子电导问

11、题。共六十二页3.3.1 电子(dinz)迁移率1. 电子的有效(yuxio)质量共六十二页区：区：区： 禁带区(1)自由电子 (2) 晶体(jngt)中的电子 由能态(电子与晶格间的相互作用)决定M变化(binhu)见图3.16共六十二页2. 电子迁移率电子和声子、杂质(zzh)和缺陷相互碰撞而散射，设碰撞间隔为t讨论：（1) 掺杂浓度和温度对迁移率有影响，本质上是对散射的影响。散 射越弱，碰撞间隔(jin g)越长，迁移率越高（2）有效质量决定于晶格 氧化物 碱性盐 (3) 电子和空穴的有效质量不同共六十二页3 散射的种类（1）晶格散射：由晶格振动引起的散射低掺杂半导体中T迁移率（2）电离

12、杂质散射电离杂质周围产生库仑场，当载流子经过时产生散射掺杂浓度散射机会(j hu)迁移率温度载流子运动速度散射作用迁移率高掺杂时，迁移率随温度变化很小共六十二页3.3.2 载流子浓度(nngd) 晶体结构的能带模型：导带和价带一般情况：电子多处于价带中，导带中的电子（参与(cny)导电）很少共六十二页金属(jnsh)、半导体和绝缘体的能带结构图共六十二页本征半导体中载流子的浓度(nngd)(ne=nh)本征电导：导带中的电子和价带中的空穴同时参与导电无外界作用时：价带中的电子不能跃至导带中有外界作用（热和光辐射）时：价带中的电子获得能量(nngling)跃至导带中，由此在导带中出现电子，在价带

13、中留下空穴，所以空穴导电也属于电子导电的一种本征半导体的载流子由热激发产生，其浓度与温度成指数关系共六十二页导带中电子(dinz)浓度电子为费米子，其能量(nngling)分布函数为费米狄拉克函数： 在室温下kT=0.025ev 导带电子状态密度共六十二页价带中的空穴(kn xu)浓度半导体中，价带中的空穴(kn xu)浓度和导带中的电子浓度相等，所以空穴(kn xu)的分布函数：只要 ，便有价带的空穴状态密度 共六十二页由 得价带有效状态(zhungti)密度 共六十二页禁带宽度(kund) 为等效(dn xio)状态密度 共六十二页 杂质(zzh)半导体中载流子浓度 杂质半导体中的电子和空

14、穴，杂质半导体分为n型和p型半导体，见能级(nngj)图（图3.20）在n型半导体中，施主能级离导带很近（0.05eV），施主能级上的电子很容易激发到导带中；p型半导体中，受主能级离价带很近（0.045ev），价带中的电子很容易激发到受主能级上共六十二页共六十二页 施主(shzh)杂质几乎全部电离 施主杂质基本没有电离 施主杂质有1/3电离。2/3没有电离 讨论(toln)（1）杂质能级与费米能级的相对位置明显反映了电子和空穴占据杂质能级的情况共六十二页（2）费米能级的求导含有一种施主杂质的n型半导体（p型半导体可类似处理施主杂质浓度 导带电子浓度 价带空穴浓度整个(zhngg)半导体是电中性

15、的，条件 将（3.62）和（3.64）代入有 由此写出费米能级表达式比较困难，为简化分成不同(b tn)的温度区域讨论共六十二页（i）低温区域因为在半导体中，杂质电离能比禁带宽度小很多，所以在低温区域以电离杂质电导为主，本征激发可以(ky)不计电中性条件（具体推导下） 为施主(shzh)电离能 共六十二页讨论（1）当温度T很低时（2）当温度增至杂质全部电离，导带中电子(dinz)浓度=施主杂质浓度，并与温度无关-杂质饱和电离 （T0，)共六十二页（ii）过渡区域 同时考虑饱和(boh)电离和本征激发提供的载流子本征激发(jf)的载流子浓 导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度共六十二页利用(lyn

16、g) （iii）高温(gown)本征激发区共六十二页3.3.3 电子(dinz)电导率本征半导体 截距 直线(zhxin)斜率为 见图3.21 非本征半导体由于杂质能级存在，电导率随温度的变化比较复杂见图3.22共六十二页（a）一种(y zhn)电子跃迁机构；（b）低温杂质电导、高温本征电导；（c）同时存在两种杂质时 Ln共六十二页3.3.4影响电导(din do)的因素 主要有温度(wnd)、杂质和缺陷1.温度对电导的影响 电子浓度n和迁移率均与温度有关 声子和载流子的碰撞驰豫时间与温度有关，所以电子电导（迁移率）与温度有关。迁移率受散射影响分两部分 （1）声子对迁移率的影响（2）杂质离子对

17、迁移率的影响共六十二页结论低温下杂质离子散射项起主要作用；高温下声子散射项起主要作用（图3.24）虽然 ，但一般 受T的影响比电子浓度(nngd)n(T)受温度的影响要小得多，因此电导率对温度的依赖关系主要取决于浓度(nngd)项 共六十二页2 杂质以及(yj)缺陷的影响（杂质缺陷、组分缺陷和晶格缺陷）（1）杂质缺陷：由于掺杂产生非本征缺陷杂质对半导体性能的影响是由于杂质离子（原子）引起的局部能级（禁带中的杂质能级） 如 +微量稀土元素价控半导体 （2）组分缺陷：非化学(huxu)计量配比化合物中，由于晶体化学(huxu)组成的偏差， 形成离子空位或间隙离子等缺陷称为组分缺陷 （阳离子空位，阴

18、离子空位，间隙离子） 共六十二页3.5 半导体材料的界面(jimin)电导内容：3.5.1晶界效应1 压敏效应（Varistor Effect）2 PTC效应3.5.2 表面效应1 半导体表面空间电荷层的形成2 半导体表面吸附气体时电导率的变化(binhu)5.5.3 P-n结导电1 p-n结势垒的形成2 偏压下的p-n结势垒和整流作用共六十二页 3.5.1 晶界效应 1.压敏效应 概念：压敏效应是指对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压以下(yxi)，因电阻很大，几乎无电流流过，而当电压超过该临界电压（敏感电压）电阻迅速降低，有电流通过。（见图3.35， 压敏电阻特性曲线）可用公式

19、 共六十二页 物理(wl)解释共六十二页2.PTC效应(xioyng) PTC现象(xinxing)共六十二页3.5.2 表面(biomin)效应 1.半导体表面空间电荷层的形成 形成（以p-n结为例）当半导体表面能级低于半导体内P能级时（受主能级）表面能级从半导体内P俘获电子而带负电(fdin)，内P带正电，从而在表面附近形成空间电荷层。 分类： 积累层：空间电荷层中多子浓度大于半导体内 耗尽层：空间电荷层中多子浓度小于半导体内 反型层：空间电荷层中多子浓度小于半导体内,而少子大于半导体内多子2. 半导体内表面吸附气体时电导率的变化 表面电荷层为耗尽层 ： ；为积累层： N型负电吸附；P型正

20、电吸附此外：半导体表面吸附对电导率的影响随温度晶界不同而不同。共六十二页3.5.3 P-N型结电导(din do) 1P-N结势垒的形成（图3.41）杂质半导体 P型：空穴（多子(du z)），电离受主（负电） N型：电子（多子）,电离施主（正电） P-N结：扩散运动VS 漂移运动。平衡条件：evd=共六十二页 2 偏压下的P-N结势垒和整流(zhngli)作用（图3.42B）正偏压(pin y) （P正N负）：evd (v0)多子扩散所以 =Iexp(ev/kt)-1流过P-N结电流：负偏压（p 负n正）：V0.少子扩散，小电流。当负偏压较大时，能带弯曲变大，隧道效应反击穿。共六十二页 3.6 超导体3.6.1超导体的发展 过渡金属 3.6.2 约瑟夫逊效应(Josephson)定义：由两块超导体之间加入极薄的绝缘层而成的夹心结构称为约瑟夫结。超导电子通过约瑟夫结的现象称为约瑟夫效