材料電學(xué)-材料電導(dǎo)

1、1第3章 材料的電學(xué)3.1 金屬的自由電子論金屬的自由電子論3.2 能帶理論能帶理論3.3材料的電導(dǎo)材料的電導(dǎo)3.4材料的介電性材料的介電性3.5 材料的超導(dǎo)性材料的超導(dǎo)性3.6 專題：高溫超導(dǎo)材料專題：高溫超導(dǎo)材料2載流子（電荷的自由粒子）載流子（電荷的自由粒子） 無機材料中的載流子可以是電子（負電子，空穴），離子（正、負離子，空位）。載流子為離子的電導(dǎo)為離子電導(dǎo)，載流子為電子的電導(dǎo)為電子電導(dǎo)。3 遷移率和電導(dǎo)率的一般表達式遷移率和電導(dǎo)率的一般表達式 物體的導(dǎo)電現(xiàn)象，其微觀本質(zhì)是載流子在電場作用下的定向遷移。設(shè)單位截面積為 ，在單位體積 內(nèi)載流子數(shù)為 ，每一載流子的電荷量為 ，則單位體積內(nèi)參

2、加導(dǎo)電的自由電荷為 。21cmS31cm3cmnqnq4如果介質(zhì)處在外電場中，則作用于每一個載流子的力等于 。在這個力的作用下，每一載流子在 方向發(fā)生漂移，其平均速度為 。容易看出，單位時間（1s）通過單位截面 的電荷量為qEEscmvSnqvJ J電流密度SIJ 根據(jù)歐姆定律shREEJ5 該式為歐姆定律最一般的形式。因為 、 只決定于材料的性質(zhì)，所以電流密度 與幾何因子無關(guān)，這就給討論電導(dǎo)的物理本質(zhì)帶來了方便。J由上式可得到電導(dǎo)率為EnqvEJ令 （載流子的遷移率）。其物理意義為載流子在單位電場中的遷移速度。Evnq6 iiiiiiqn電導(dǎo)率的一般表達式為 上式反映電導(dǎo)率的微觀本質(zhì)，即宏觀

3、電導(dǎo)率 與微觀載流子的濃度 ，每一種載流子的電荷量 以及每一種載流子的遷移率的關(guān)系。qn7主要特征主要特征8動畫9Hall系數(shù)只是與材料的載流子種類和濃度有關(guān)，系數(shù)只是與材料的載流子種類和濃度有關(guān)，利用利用Hall效應(yīng)制得的電子器件稱為效應(yīng)制得的電子器件稱為“霍爾器霍爾器件件”。根據(jù)電導(dǎo)率公式 ，則iienHHR（ 稱為霍爾遷移率）H10 霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于電子在磁場作用下，產(chǎn)生橫向移動的結(jié)果，離子的質(zhì)量比電子大得多，磁場作用力不足以使它產(chǎn)生橫向位移，因而純離子電導(dǎo)不呈現(xiàn)霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)可檢驗材料是否存在電子電導(dǎo)。Q: 純離子電導(dǎo)有沒有霍爾效應(yīng)? Why?11在與電流垂直的方向加磁場后

4、，沿著電場方向的電流在與電流垂直的方向加磁場后，沿著電場方向的電流密度有所降低，這種由于磁場的存在導(dǎo)致半導(dǎo)體電阻密度有所降低，這種由于磁場的存在導(dǎo)致半導(dǎo)體電阻增大的現(xiàn)象，稱為增大的現(xiàn)象，稱為“磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)”。分為：分為：物理磁阻效應(yīng)物理磁阻效應(yīng)和和幾何磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)低于某速度的低于某速度的電子偏轉(zhuǎn)，減電子偏轉(zhuǎn)，減少了電流密度少了電流密度121314151617V族元素在硅鍺中是體位式摻雜，如摻磷原子，形成共價鍵后，剩余一個價電子。磷原子很容易失去多余的一個電子而成為帶正電的磷離子(P+),磷離子稱為磷離子稱為正電中心正電中心( (不能移動不能移動) )。雜質(zhì)電離：多余的一個電子掙脫雜

5、質(zhì)原子的束縛稱為導(dǎo)電雜質(zhì)電離：多余的一個電子掙脫雜質(zhì)原子的束縛稱為導(dǎo)電電子的過程稱為雜質(zhì)電離。電子的過程稱為雜質(zhì)電離。稱此類雜質(zhì)為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)。 硅、鍺硅、鍺中的18SiSi、GeGe而言，施主通常是而言，施主通常是V V族元素。電離能較小，族元素。電離能較小，在在SiSi中約中約0.040.040.05eV0.05eV，GeGe中約中約0.01eV0.01eV。 施主雜質(zhì)電子施主雜質(zhì)電子導(dǎo)帶電子所需要的能量，稱為導(dǎo)帶電子所需要的能量，稱為施主雜質(zhì)電電離能離能 ED ：施主能級施主能級：在半導(dǎo)體中引入施主雜質(zhì)，將在帶隙中引入施主：在半導(dǎo)體中引入施主雜質(zhì)，將在帶隙中引入施主能級。能級。 即

6、被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)。記為即被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)。記為 E ED D。192021受主電離：能夠接受電子而產(chǎn)受主電離：能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，形成負電中心的生導(dǎo)電空穴，形成負電中心的過程。過程。受主能級受主能級半導(dǎo)體中引入受主雜質(zhì)，在帶隙內(nèi)引入能級，即被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)，記為EA。p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體依靠價帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。22SiSi、GeGe而言，施主通常是而言，施主通常是IIIIII族元素。電離能較小，在族元素。電離能較小，在SiSi中中約約0.0450.0450.065eV0.065eV【InIn是唯一是唯一例外，達例外，達0.16eV0.16eV】

7、，】，GeGe中約中約0.01eV0.01eV。 雜質(zhì)空穴價帶空穴所需要的能量。受主雜質(zhì)電離能電離能EA：2324 能帶示意圖2526272829動畫30動畫313233V 晶體體積；mdn導(dǎo)帶電子狀態(tài)密度的有效質(zhì)量；Ec導(dǎo)帶底能量值343536373839404142434445464748495051與3-39結(jié)論符合導(dǎo)電電子濃度等于施主雜質(zhì)濃度，與導(dǎo)電電子濃度等于施主雜質(zhì)濃度，與T T無關(guān)無關(guān)52多子多子=多數(shù)載流子多數(shù)載流子53勿略勿略ND的貢獻的貢獻54555657N0 = nD+ = 0.083ND = 1.9x1019個/ cm3585960616263（1 1）、）、64（2

8、2）、）、從原子熱振動的方式來看，存在聲學(xué)波和光學(xué)從原子熱振動的方式來看，存在聲學(xué)波和光學(xué)波兩類，聲學(xué)波代表相鄰兩個原子位移方向相波兩類，聲學(xué)波代表相鄰兩個原子位移方向相同的振動；光學(xué)波代表相鄰兩個原子位移方向同的振動；光學(xué)波代表相鄰兩個原子位移方向相反的振動。相反的振動。這兩類格波按其原子振動方向與格波傳播方向這兩類格波按其原子振動方向與格波傳播方向之間的關(guān)系，可分為兩個橫波（振動方向與波之間的關(guān)系，可分為兩個橫波（振動方向與波傳播方向垂直）和一個縱波（振動方向與波傳傳播方向垂直）和一個縱波（振動方向與波傳播方向平行）。播方向平行）。65（2 2）、）、溫度上升，晶格振動越激烈，附加勢能變大

9、，對電子的散射概率也變大溫度上升，晶格振動越激烈，附加勢能變大，對電子的散射概率也變大66（3 3）、）、67 遷移率是表征載流子在材料中運動難易程度的物理量，載流子遇到散射的作用強，遷移率就小，散射弱，遷移率就大。 為了得到遷移率與雜志濃度和溫度之間的關(guān)系，引入“平均自由時間”、“平均漂移速度”和“散射概率”68N0是在是在t 0 時刻未遇到散射的電子數(shù)；時刻未遇到散射的電子數(shù)；在在tt+dt時間內(nèi)遇到散射的所有電子的自由時時間內(nèi)遇到散射的所有電子的自由時間均為間均為t69散射后沿散射后沿x方方向的平均速度向的平均速度具有各向同性具有各向同性的有效質(zhì)量的有效質(zhì)量電子的平均電子的平均自由時間自

10、由時間7071總的散射概率總的散射概率P為各種散射概率之和，即：為各種散射概率之和，即： P PI PII PIII 考慮到考慮到 1/ p727374757677 晶格原子吸收熱能后擠入晶格間隙擠入晶格間隙，產(chǎn)生間隙原子,原來位置稱為空位。間隙原子與空位不斷產(chǎn)生與復(fù)合，最后達到熱平衡 (a).(a).弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷 成對出現(xiàn)的間隙原子和空位。 (b).(b).肖特基缺陷肖特基缺陷 在晶體內(nèi)只形成空位而沒有間隙原子。78 弗侖克爾缺陷的填隙離子和空位的濃度相等。都可表示為：kTENNff2exp 單位體積內(nèi)離子結(jié)點數(shù) 形成一個弗侖克爾缺陷所需能量肖脫基空位濃度，在離子晶體中可表示為：

11、NfEkTENNss2exp 單位體積內(nèi)離子對數(shù)目 離解一個陰離子和一個陽離子并到達表面所 需能量。NsE79 熱缺陷的濃度決定于溫度T和離解能 。常溫下 比起 來很小，因而只有在高溫下，熱缺陷濃度才顯著大起來，即固有電導(dǎo)在高溫下顯著。 雜質(zhì)離子載流子的濃度決定于雜質(zhì)的數(shù)量和種類。因為雜質(zhì)離子的存在，不僅增加了電流載體數(shù)，而且使點陣發(fā)生畸變，雜質(zhì)離子離解活化能變小。和固有電導(dǎo)不同，低溫下，離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定。kTEE80動畫81 間隙離子處于間隙位置時，受周圍離子的作用，處于一定的平衡位置（半穩(wěn)定位置）。它從一個間隙位置躍入相鄰原子的間隙位置，需克服一個高度為 的“勢壘”。

12、完成一次躍遷，又處于新的平衡位置上。0U82 無外加電場時，間隙離子在晶體中各方向的遷移次數(shù)都相同，宏觀上無電荷定向運動，故介質(zhì)中無電導(dǎo)現(xiàn)象。加上電場后，由于電場力作用，晶體中間隙離子勢壘不再對稱。對于正離子順電場方向“遷移”容易，反電場方向遷移困難。 某一間隙離子由于熱運動, 越過位勢壘。根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律，單位時間沿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。0v83 則順電場方向和逆電場方向填隙離子單位時間內(nèi)躍遷次數(shù)分別為：設(shè)電場 在 距離上造成的位勢差2E22qEFUkTUUPkTUUP0000exp6exp6逆順84 則單位時間內(nèi)每一間隙離子沿電場

13、方向的剩余躍遷速度為：PkTUkTUkTUkTUUkTUUPPexpexpexp6expexp600000逆順每躍遷一次距離為，遷移速度為vVkTUkTUkTUPexpexpexp60085當(dāng)電場強度不大時，kTU kTUkTUkTUkTUekTU 1! 3! 2! 1132同樣：kTUekTU1EkTUkTqv00exp686故載流子沿電流方向的遷移率為：kTUkTqEv002exp6 晶格距離， 間隙離子的振動頻率， 間隙離子的電荷數(shù)， 0.8610-4ev/k， 無外電場時間隙離子的勢壘。0qkv871.離子電導(dǎo)的一般表達式離子電導(dǎo)率離子電導(dǎo)率 載流子濃度及遷移率確定以后，其電導(dǎo)率可按

14、確定，如果本征電導(dǎo)主要由肖脫基缺陷引起。本征電導(dǎo)率可寫成：nqukTWAkTEUkTqNkTUkTqkTENsssssssexp21exp6exp62exp0221022188電導(dǎo)活化能，它包括缺陷形成能和遷移能。sW本征離子電導(dǎo)率的一般表達式為：TBAkTWA111expexp 常數(shù)1BkW1A雜質(zhì)離子也可以仿照上式寫出：TBA22exp 式中：kTqNA62222雜質(zhì)離子濃度2N89iiiTBA)/exp(若物質(zhì)存在多種載流子，其總電導(dǎo)率為：2.擴散與離子電導(dǎo)1）離子擴散機構(gòu)90 離子電導(dǎo)是在電場作用下離子的擴散現(xiàn)象，如圖所示。離子擴散機構(gòu)主要有：空位擴散；間隙擴散；亞晶格間隙擴散。 一般

15、間隙擴散比空位擴散需更大的能量。間隙-亞晶格擴散相對來講晶格變形小，比較容易產(chǎn)生。2）能斯特-愛因斯坦方程 經(jīng)計算 kTnqD2（能斯特-愛因斯坦方程）91擴散系數(shù) 離子絕對遷移率 由電導(dǎo)率公式 與上式，可以建立擴散系數(shù) 和離子遷移率 的關(guān)系：nqDBkTqkTDDB92 隨著溫度的升高，離子電導(dǎo)按指數(shù)規(guī)律增加。低溫下雜質(zhì)電導(dǎo)占主要地位。（下圖中曲線1）。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。高溫下（下圖曲線2），固有電導(dǎo)起主要作用。 因為熱運動能量的增高，使本征電導(dǎo)的載流子數(shù)顯著增多。這兩種不同的導(dǎo)電機構(gòu)，使曲線出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點A。影響離子電導(dǎo)率的因素影響離子電導(dǎo)率的因素1.溫度

16、溫度9394 電導(dǎo)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)。熔點高的晶體，晶體結(jié)合力大，相應(yīng)活化能也高，電導(dǎo)率就低。 一價正離子尺寸小，電荷少，活化能??；高價正離子，價鍵強，所以活化能大，故遷移率較低。 除了離子的狀態(tài)以外，晶體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)對離子活化能也有影響。顯然，結(jié)構(gòu)緊密的離子晶體，由于可供移動的間隙小，則間隙離子遷移困難，即活化能高，因而可獲得較低的電導(dǎo)率。2.晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)95離子晶體要具有離子電導(dǎo)的特性，必須具備以下條件：1）電子載流子的濃度??；2）離子晶格缺陷濃度大并參與電導(dǎo)。因此離子型晶格缺陷的生成及其濃度大小是決定離子電導(dǎo)的關(guān)鍵。影響晶格缺陷生成和

17、濃度的主要原因是：1）由于熱激勵生成晶格缺陷。2）不等價固溶摻雜形成晶格缺陷3）離子晶體中正負離子計量比隨氣氛的變化發(fā)生偏離，形成非計量比化合物，因而產(chǎn)生晶格缺陷。 3.晶格缺陷晶格缺陷9697動畫9899100動 畫101電感應(yīng)強度電感應(yīng)強度介質(zhì)材料的電容率介質(zhì)材料的電容率102103單位體積元的分子數(shù)單位體積元的分子數(shù)分子極化率分子極化率作用于分作用于分子的電場子的電場強度強度104105106107108109110111112113動畫球外分子作用產(chǎn)生球外分子作用產(chǎn)生的電場強度的電場強度宏觀平均宏觀平均電場強度電場強度球內(nèi)分子作用產(chǎn)生球內(nèi)分子作用產(chǎn)生的電場強度的電場強度114115116117動畫118119120121122動畫瞬時位移極化瞬時位移極化 需要需要10-16-10-1210-10 S介電體在恒定電場作用下，從開始極化到穩(wěn)定狀態(tài)需要一定的時間介電體在恒定電場作用下，