第6章 无机材料的电导 11.19

无机材料的电导第6章无机材料的电导主要内容电导的物理现象

离子电导

电子电导

各种材料在室温的电导率金属和合金σ（Ω-1.m-1）非金属σ（Ω-1.m-1）银铜，工业纯金铝,工业纯Al-1.2%,Mn合金钠钨，工业纯黄铜（70%Cu-30%Zn镍,工业纯纯铁,工业纯钛,工业纯TiC不锈钢，301型镍铬合金(80%Ni-20%Cr）6.3*1075.85*1074.25*1073.45*1072.96*1072.1*1071.77*1071.66*1071.46*1071.03*1070.24*1070.17*1070.14*1070.093*107石墨SiC锗，纯硅，纯苯酚甲醛（电木）窗玻璃氧化铝（Al2O3）云母甲基丙烯酸甲酯氧化铍（BeO）聚乙烯聚苯乙烯金刚石石英玻璃聚四氟乙烯105(平均)102.24.3*10-410-7-10-11<10-1010-10-10-1210-11-10-15〈10-1210-12-10-15〈10-14〈10-14〈10-14〈10-16〈10-166.1电导的物理现象欧姆定律示意图电导的物理现象电导的宏观参数电导率：E：V/cm欧姆定律的微分形式

电阻率：

载流子迁移率电导的宏观参数体积电阻和体积电阻率电流:电阻:体积电阻Rv与材料性质及样品几何尺寸的关系:电导的宏观参数h－板状样品的厚度(cm)S－板状样品的电极面积(cm2)ρv－体积电阻率为描写材料电阻性能的参数电导的宏观参数直流四端电极法

电导的宏观参数在室温下测量电导率常采用简单的四探针法电阻率的测量-直流四探针法四探针法测试原理示意图

a)仪器与接线b)点电流源c)四探针排列电导的物理特性载流子：具有电荷的自由粒子，在电场作用下可产生电流。霍尔效应现象：沿x轴通入电流，z方向上加磁场，y方向上将产生电场。实质：运动电荷在磁场中受力所致，但此处的运动电荷只能是电子，因其质量小、运动容易，故此现象只出现于电子电导时，即可用霍尔效应的存在与否检验材料是否存在电子电导。电导的物理特性电导的物理特性霍尔效应霍尔系数电导率霍尔迁移率霍尔效应可检验材料是否存在电子电导电解效应运动的离子在电极附近发生电子得失而形成新的物质，移为电解。用此可检验材料中是否存在离子电导。

电导的物理特性导电现象其中：J为电流密度。nq为单位体积内参加导电的自由电荷。v为载流子在电场方向发生漂移的速度。迁移率与电导率电导的物理特性根据欧姆定律：电导率：令载流子的迁移率μ＝v/E，即载流子在单位电场中的迁移速度：电导率的一般表达式：离子电导本征电导：源于晶体点阵的基本离子的运动。杂质电导：由固定较弱的离子（杂质）离子的运动造成。离子电导研究的主要内容：载流子浓度离子迁移率离子电导率影响离子电导率的因素

离子电导载流子浓度本征电导：源于晶体点阵的基本离子的运动。固有电导中，载流子由晶体本身的热缺陷提供。晶体的热缺陷主要有两类：弗仑克尔缺陷肖特基缺陷（a）弗仑克尔缺陷（b）肖特基缺陷离子电导杂质电导：由固定较弱的离子（杂质）离子的运动造成。电导的基本公式只有一种载流子时：有多种载流子时：

载流子浓度弗仑克尔缺陷：N为单位体积内离子结点数Ef为同时生成一个填隙离子和一个空位所需要的能量载流子浓度肖特基空位浓度N为单位体积内离子对的数目Es为离解一个阴离子和一个阳离子并到达表面所需要的能量载流子浓度一般肖特基缺陷形成能比弗仑克尔缺陷形成能低许多高温下:离子晶体的电导主要由热缺陷浓度决定低温下:离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定离子迁移率离子电导的微观机构为载流子──离子的扩散。间隙离子的扩散过程就构成了宏观的离子“迁移”。离子迁移率间隙离子的势垒离子迁移率间隙离子的势垒变化离子电导率离子电导率的一般表达方式如果本征电导主要由肖特基缺陷引起，其本征电导率为：离子电导率本征离子电导率一般表达式为：若有杂质也可依照上式写出：离子电导率只有一种载流电导率可表示为：写成对数形式:活化能:离子电导率有两种载流子时总电导可表示为:有多种载流子时总电导可表示为:离子电导率离子扩散机构影响离子电导率的因素呈指数关系，随温度升高，电导率迅速增

大。

低温下，杂质电导占

主要地位(曲线1)；高温下，固有电导起主要作用。1、温度杂质离子电导与温度的关系影响离子电导率的因素2、晶体结构活化能大小取决于晶体间各粒子的结合力。而晶体结合力受如下因素影响：离子半径：离子半径小，结合力大离子电荷，电价高，结合力大堆积程度，结合愈紧密，可供移动的离子数目就少，且移动也要困难些，可导致较低的电导率影响离子电导率的因素3、晶格缺陷离子性晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键所在。而影响晶格缺陷生成和浓度的主要有如下因素：热激励生成晶格缺陷(肖特基与弗仑克尔缺陷)不等价固溶掺杂离子晶体中正负离子计量比随气氛的变化发生偏离电子电导电子电导的载流子是：电子和空穴电子电导主要发生在导体和半导体中在电子电导材料中，电子与点阵的非弹性碰撞引起电子波的散射是电子运动受阻的原因之一。电子迁移率散射的两个原因1、晶格散射晶格振动引起的散射叫做晶格散射；温度越高，晶格振动越强对载流子的晶格散射也将增强，迁移率降低。2、电离杂质散射电离杂质散射的影响与掺杂浓度有关，掺杂越多，载流子和电离杂质相遇而被散射的机会也就越多。能带的宽度记作E

，数量级为E～eV。一般规律：

1.越是外层电子，能带越宽，E越大。2.两个能带有可能重叠。两个相邻能带之间的能量区域称为禁带。晶体中电子的能量只能取能带中的数值，而不能取禁带中的数值。图中为“许可的能量”，称为能带*。E2E3E5E4E6E7E10E

E~k

曲线的表达图式载流子浓度根据能带理论，只有导带中的电子或价带之间的空穴才能参与导电。金属、半导体和绝缘体的能带结构载流子浓度本征半导体中的载流子浓度本征半导体的能带结构载流子浓度载流子只由半导体晶格本身提供，是由热激发产生的，其浓度与温度呈指数关系。空带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在，载流子电子和空穴的浓度是相等的。本征电导本征半导体本征半导体中的载流子浓度本征半导体中，空穴与电子浓度相等nh=ne杂质对半导体的导电性能影响很大。杂质半导体可分为n型(可提供电子)和p型(吸收电子，造成空穴)。掺入施主杂质的半导体称为n半导体，掺入受主杂质的半导体称为p半导体。杂质半导体分类

①n型：在四价的Si或锗中，掺入五价元素，如：P、As、Sb等，形成的半导体。②p型：在四价的Si或锗中，掺入三价元素，如：B、Al、In等，形成的半导体。杂质半导体中的载流子浓度EfEcEDEv++EfEvEcEAn型半导体p型半导体n型与p型半导体能带结构杂质半导体特性掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但是却能使载流子浓度极大地提高，因而导电能力也显著地增强。掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电。当掺入五价元素(施主杂质)时，主要靠自由电子导电；当掺入三价元素(受主杂质)时，主要靠空穴导电。电子电导率本征电导率：n型半导体电导率：第一项与杂质无关，第二项与施主杂质浓度ND有关；低温时，第二项起主要作用；高温时，电导率增加属于本征电导性能。电子电导率本征半导体和高温时的杂质半导体的电导率与温度的关系为：直线斜率可以求出半导体禁带宽度电子电导率电阻率与温度的关系：电子电导率电导率与温度关系如下：(a)中表示在该温度区间具有始终如一的电子跃迁机构；(b)中表示在低温区以杂质电导为主，高温区以本征电导为主；(c)中表示在同一晶体中同时存在两种杂质时的电导特性。作业:2.实验测出离子型电导体的电导率与温度的相关数据，经数学回归分析得出关系式为：（1）试求在测量温度范围内的电导活化能表达式。（2）若给定T1=500K，σ1=10-9S/cm;T2=1000K，σ2=10-6S/cm，计算电导活化能的值。

3.本征半导体中，从价带激发至导带的电子和价带产生的空穴参与电导。激发的电子数n可近似表示为：式中N为状态密度，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度。试回答以下问题：（1）设N=1023cm-3,k=8.6*10-5eV.K-1时,Si(Eg=1.1eV),TiO2(Eg=3.0eV)在室温（20℃）和500℃时所激发的电子数（cm-3）各是多少？（2）半导体的电导率σ（S/cm