Chapter 2 材料的电性能.ppt

杨锋材料科学与工程学院Tel18653134068Tel18653134068156554526415655452641编辑课件pptChapter 2 材料的电性能 Electronic Properties of Materialsv2.0 引言v2.1 电子类载流子导电v2.2 离子类载流子导电v2.3 半导体的导电机制v2.4 超导电性简介v2.5 电性能测量2编辑课件ppt2.0引言电性能主要研究载流子的输运机制、规律及其与材料组成和结构的关系，是导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材料及其器件等工作的基础 导 线电能传输，电子电路 电 阻电路控制，传感器，发热件 半导体二级管、三极管，传感器 超导体强磁体，科学研究、原子能、交通、工业 按照载流子种类，电导机制主要有二种：电子电导离子电导因此，需要专门研究和讨论3编辑课件ppt导 线电 阻半导体超导体4编辑课件ppt2.0引言1、载流子 电流是电荷在空间的定向运动电荷的载体称为载流子，载流子可以是电子、空穴、正离子、负离子，而电荷有正电荷、负电荷载流子与电荷的关系好像船与乘客的关系研究电导核心是研究载流子输运 正电荷的载流子：正离子、空穴 负电荷的载流子：电子、负离子 金 属： 自由电子； 无机材料：电子（负电子/空穴）电子电导离子（正、负离子/空位）离子电导霍尔效应电解效应5编辑课件ppt离子的迁移伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新物质，这就是电解现象。

离子电导的特征是具有电解效应电解物质与通过的电量成正比g=CQ=Q/F,g为电解物质的量，Q为通过的电量，C为电化当量，F为法拉第常数利用电解效应可以检验材料是否存在离子导电可以判定载流子是正离子还是负离子电解效应电解效应6编辑课件ppt总之，电导的物理特性.金属：导体中的载流子是自由电子无机材料：载流子可以是电子(负电子、空穴)，称为电子电导，也可以是离子(正、负离子、空位)，称为离子电导a)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b)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，称为电解用此可检验材料中是否存在离子电导7编辑课件ppt2 2、迁移数、迁移数 表征载流子种类对总导电的贡献系数，也称输运数 ， ， ， 分别表示正离子、负离子、电子和空穴的迁移数 离子导体：多数氯盐、氟盐 混合导体：混合氧化物 电 导 体： FeO, CuCl当ti0.99时，材料为离子(电)导体，0ti(1)，电阻总是降低。

图 Cu3Au合金有序化对电组率影响/ 100300200无序淬火态有序回火态冷却速度冷却速度31编辑课件ppt小结v1、金属的温度越高，电阻也越大过渡族金属的电阻与温度的关系经常出现反常v2、在流体静压压缩时（高达1.2GPa），大多数金属的电阻下降，按压力对金属导电的影响特性，把金属分为二种：正常金属和反常金属v3、冷加工引起金属电阻率增加，这同晶格畸变（空位、位错）有关v4、空位、间隙原子以及它们组成、位错等晶体缺陷使金属电阻率增加v5、当金属导电电子的自由程同试样尺寸是同一数量级时，这种影响就显得十分突出v6、对称性较差导电性表现为各向异性v7、当形成固溶体时，合金导电性能降低引起的电阻率增加，由溶剂和溶质金属的价数而定，它的价数差越大，增加的电阻率越大v8、当合金有序化时，电阻率降低32编辑课件ppt33编辑课件ppt2.3、离子电导2.3.1概述参与电导的载流子为离子，有离子或空位它又可分为两类1）本征电导：源于晶体点阵的基本离子的运动离子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷从而导致载流子，即离子、空位等的产生，这尤其是在高温下十分显著2）杂质电导：由固定较弱的离子（杂质）运动造成，由于杂质离子是弱联系离子，故在较低温度下其电导也表现得很显著。

电导的基本公式电导的基本公式只有一种载流子时：有多种载流子时：求离子电导率时，载流子浓度及离子迁移率的确定是十分重要的工作载流子迁移率一种载流子多种载流子34编辑课件ppt2.3.2载流子浓度1、固有电导(本征电导)中，载流子由晶体本身的热缺陷热缺陷提供晶体的热缺陷热缺陷主要有两类：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷弗仑克尔缺陷中填隙离子和空位的浓度是相等的)而肖特基缺陷中Ef形成弗仑克尔缺陷所需能量Es离解一个阳离子和一个阴离子到达到表面所需能量体效应界面效应35编辑课件ppt低温下：KTE(激活能)，故Nf与Ns都较低只有在高温下，热缺陷的浓度才明显增大，亦即，固有电导在高温下才会显著地增大激活能E与晶体结构有关，一般EsEf，只有结构很松，离子半径很小的情况下，才容易形成弗仑克尔缺陷2、杂质离子载流子的浓度决定于杂质的数量和种类杂质离子的存在，不仅增加了载流子数目，且使点阵发生畸变杂质离子离解化能离解化能一般来说较小，故低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定36编辑课件ppt2.3.3离子迁移率间隙离子的势垒 （1）跳跃是几率性的，服从Botzmann分布； （2）跳跃的动力：温度（热振动）、电场； （3）跳跃的阻力：离子之间的库仑吸引势/力；37编辑课件ppt离子电导的微观机构为载流子离子的扩散。

间隙离子处于间隙位置时，受周边离子的作用，处于一定的平衡位置(半稳定位置)如要从一个间隙位置跃入相邻间隙位置，需克服高度为U0的势垒完成一次跃迁，又处于新的平衡位置上这种扩散过程就构成了宏观的离子“迁移”间隙离子的势垒变化38编辑课件ppt单位时间沿某一方向跃迁的次数为P离子迁移与势垒的关系无外加电场时，各方向迁移的次数都相同，宏观上无电荷的定向运动故介质中无导电现象加上电场后，由于电场力的作用，使得晶体中间隙离子的势垒不再对称正离子顺电场方向，“迁移”容易，反电场方向“迁移”困难间隙原子在半稳定位置上振动频率U0b(a)无电场xAA39编辑课件ppt定向移动次数为：载流子沿电场方向的迁移速度v，为每跃迁一次的距离U(b)加电场40编辑课件ppt相邻半稳定位置间的距离当场强不太大时，UkT，则41编辑课件ppt相邻半稳定位置间的距离(等于晶格间距)（cm）间隙离子的振动频率(s-1)q电荷数(C)k=0.8610-4(eV/)U无外电场时的间隙离子的势垒（e）为载流子沿电流方向的迁移率42编辑课件ppt2.3.4离子电导率1、离子电导率的一般表达方式=nq如果本征电导主要由肖特基缺陷引起，其本征电导率为：Ws可认为是电导的活化能，电导率与之具有指数函数的关系。

本征离子电导率一般表达式为：43编辑课件ppt若有杂质也可依照上式写出：一般N2N1，但B2exp(-B1)这说明杂质电导率要比本径电导率大得多所以：离子晶体的电导主要为杂质电导杂质离子的浓度44编辑课件ppt一种载流子电导率时可表示为：两边取对数得：若以ln和1/T作图，可绘得一直线，从直线斜率即可求出活化能：W=Bk有两种载流子时如碱卤晶体，总电导可表示本征缺陷杂质缺陷45编辑课件ppt有多种载流子时如碱卤晶体，总电导可表示为46编辑课件ppt2.3.2、离子电导与扩散v（1）离子扩散机构v离子电导是在电场作用下离子的扩散现象v离子扩散机构主要有： 1、空位扩散； 2、间隙扩散； 3、亚晶格间隙扩散v空位扩散:金属离子留下的空位作为载流子的扩散运动v间隙扩散：间隙离子作为载流子的直接扩散，即从某一个间隙位置扩散到另一个间隙位置一般间隙扩散比空位扩散需要更多的能量，扩散很难进行v亚晶格间隙扩散：某一间隙离子取代附近的晶格离子，被取代的晶格离子进入晶格间隙，从而产生离子移动这种扩散运动由于晶格变形小，比较容易产生47编辑课件ppt（2）能斯脱-爱因斯坦方程离子电导率与离子扩散系数之间的关系推到过程如下：由于载流子离子浓度梯度所形成的电流密度当存在电场E时，其产生的电流密度为48编辑课件ppt当J1和J2并存时：n服从Boltzmann分布热平衡条件下，J0所以，讨论：1）D2）n,q3）T49编辑课件ppt2.3.3影响离子电导率的因素1)温度呈指数关系，随温度升高，电导率迅速增大。

如图：注意：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刚玉瓷在低温下，发生杂质离子电导，在高温下主要为电子电导，这种情况下也会出现转折点杂质离子电导与温度的关系杂质电导固有电导50编辑课件ppt2)晶体结构关键点：活化能大小决定于晶体间各粒子结合力而晶体结合力受如下因素影响a)离子半径：一般离子半径小，结合力大，因而活化能也大；b)离子电荷，电价高，结合力大，因而活化能也大；c)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，即活化能也大51编辑课件ppt3)晶体缺陷共价键晶体和分子键都不能成为固体电解质，只有具有离子电导的固体物质称为固体电解质，两个要具备的条件：a)电子载流子的浓度小b)离子晶格缺陷浓度大并参与电导故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影响晶格缺陷和浓度的主要原因是：i)热激励生成晶格缺陷肖特基缺陷（，）与弗仑克尔缺陷（和)52编辑课件pptii)不等价固溶掺杂形成晶格缺陷iii)离子晶体中正负离子计量比随气氛的变化发生偏离，形成非化学计量比化合物如：稳定型ZrO2中氧的脱离形成氧空位，同时产生电子性缺陷。

总电导率为：=i+e53编辑课件ppt小结v1、本征电导即离子、空位等的产生，这尤其是在高温下十分显著；杂质电导杂质离子是弱联系离子，故在较低温度下其电导也表现得很显著v2、A、固有电导(本征电导)中晶体的热缺陷主要有两类：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷，固有电导在高温下才会显著地增大；B、杂质离子载流子的浓度决定于杂质的数量和种类低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定v3、离子迁移率正离子顺电场方向，“迁移”容易，反电场方向“迁移”困难v4、离子电导率离子晶体的电导主要为杂质电导v5、离子扩散机构主要有：1、空位扩散；2、间隙扩散；3、亚晶格间隙扩散v6、影响离子电导率的因素A、温度，在低温下，杂质电导占主要地位(曲线1)，高温下，固有电导起主要作用B、晶体结构关键点：活化能大小决定于晶体间各粒子结合力，C、晶体缺陷54编辑课件ppt2.4半导体0EgkE1、引言用途：二极管、三极管、晶体管、光电二极管、激光器、LED、集成器件、集成电路半导体时代半导体：Eg6eV半导体能带结构示意图P?55编辑课件ppt什么是空穴？当价带附近的电子被激发到导带后，价带中就留下一些空状态为方便起见，把价带中的每个空状态看成是一个假想的粒子，称为空穴。

能带理论证明，当价带中波矢量为k的状态空着时（不满导电），价带中实际存在的那些电子所引起的电流密度j可以用一个携带电荷+q以速度v(k)运动的假想粒子引起的电流密度来代替，该假想粒子就叫空穴在半导体中，载流子为电子和空穴，电子带负电荷，空穴带正电荷56编辑课件ppt硅或锗的晶体结构金刚石型的结构，每个原子的最近邻有四个原子，组成正四面体，每个硅或锗原子最外层有四个价电子单晶硅或锗中原子与相邻的四个原子通过共价键结合起来Si导带底价带顶kk0k 导带 价带Eg由于热运动，电子从键上脱离，留下空穴eSiSiSiSiSiSiSiSiEEFns2np22、本征半导体 化学成分纯净的半导体，如单晶硅（Si）和（Ge）57编辑课件ppt1）本征激发 导带中的电子和价带中的空穴，由热激发产生 价带中的空穴浓度（p）和导带中电子浓度（n）相等 电子和空穴是成对出现的（人与座位） 即在一定的温度下，由于热激发的作用，一部分价电子可以获得超过带隙（Eg）的附加能量而从价带跃迁至导带，这种过程为本征激发 ;（而不借助掺杂，台阶。