第6章 無(wú)機(jī)材料的電導(dǎo) 11.19

1、第第6章章主要內(nèi)容主要內(nèi)容 電導(dǎo)的物理現(xiàn)象電導(dǎo)的物理現(xiàn)象 離子電導(dǎo)離子電導(dǎo) 電子電導(dǎo)電子電導(dǎo) 各種材料在室溫的電導(dǎo)率各種材料在室溫的電導(dǎo)率金屬和合金（-1.m-1）非金屬（-1.m-1）銀銀銅，工業(yè)純銅，工業(yè)純金金鋁鋁,工業(yè)純工業(yè)純 Al-1.2%,Mn 合金合金鈉鈉鎢，鎢， 工業(yè)純工業(yè)純黃銅黃銅（70%Cu-30%Zn鎳鎳,工業(yè)純工業(yè)純純鐵純鐵,工業(yè)純工業(yè)純鈦鈦,工業(yè)純工業(yè)純TiC不銹鋼，不銹鋼，301型型鎳鉻合金鎳鉻合金 (80%Ni-20%Cr）6.3*1075.85*1074.25*1073.45*1072.96*1072.1*1071.77*1071.66*1071.46*1071.

2、03*1070.24*1070.17*1070.14*1070.093*107石墨石墨SiC鍺，純硅硅，純苯酚甲醛（電木）窗玻璃 氧化鋁（Al2O3）云母甲基丙烯酸甲酯氧化鈹（BeO）聚乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯金剛石金剛石石英玻璃石英玻璃聚四氟乙烯聚四氟乙烯105 (平均平均)10 2.24.3*10-410-7-10-1110-1010-10-10-1210-11-10-1510-1210-12-10-1510-1410-1410-1410-1610-16歐姆定律示意圖歐姆定律示意圖u電導(dǎo)率：電導(dǎo)率：u歐姆定律的微分形式歐姆定律的微分形式 u電阻率：電阻率：11 1cmcmLSR 2A/cm E

3、Ju載流子遷移率載流子遷移率V) (S/ cm 2EvSVIIISVRRR111電流電流:電阻電阻:VVIVR SSIVR ShRvv體積電阻體積電阻Rv與材料性質(zhì)及樣品與材料性質(zhì)及樣品幾何尺寸的關(guān)系幾何尺寸的關(guān)系:h板狀樣品的厚度板狀樣品的厚度(cm)S板狀樣品的電極面積板狀樣品的電極面積(cm2)v體積電阻率為描寫(xiě)材料電阻體積電阻率為描寫(xiě)材料電阻 性能的參數(shù)性能的參數(shù)VIsl在室溫下測(cè)量電導(dǎo)率常采用簡(jiǎn)單的四探針?lè)ㄔ谑覝叵聹y(cè)量電導(dǎo)率常采用簡(jiǎn)單的四探針?lè)?1111(2322131llllllVI電阻率的測(cè)量-直流四探針?lè)ㄋ奶结樂(lè)y(cè)試原理示意圖a)儀器與接線b)點(diǎn)電流源c)四探針排列：具有電荷的

4、自由粒子，在電場(chǎng)作用下具有電荷的自由粒子，在電場(chǎng)作用下可產(chǎn)生電流?？僧a(chǎn)生電流?，F(xiàn)象現(xiàn)象：沿：沿x x軸通入電流，軸通入電流，z z方向上加磁場(chǎng)，方向上加磁場(chǎng)，y y方方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)。向上將產(chǎn)生電場(chǎng)。實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)：運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受力所致，但此處：運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受力所致，但此處的運(yùn)動(dòng)電荷只能是電子，因其質(zhì)量小、的運(yùn)動(dòng)電荷只能是電子，因其質(zhì)量小、運(yùn)動(dòng)容易，故此現(xiàn)象只出現(xiàn)于電子電運(yùn)動(dòng)容易，故此現(xiàn)象只出現(xiàn)于電子電導(dǎo)時(shí)，即可用霍爾效應(yīng)的存在與否檢導(dǎo)時(shí)，即可用霍爾效應(yīng)的存在與否檢驗(yàn)材料是否存在電子電導(dǎo)。驗(yàn)材料是否存在電子電導(dǎo)。zxHyHJRE enRiH1iienHHR霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)電導(dǎo)率電導(dǎo)率霍爾遷移

5、率霍爾遷移率霍爾效應(yīng)可檢驗(yàn)材料是否存霍爾效應(yīng)可檢驗(yàn)材料是否存 在電子電導(dǎo)在電子電導(dǎo) 運(yùn)動(dòng)的離子在電極附近發(fā)生電子得運(yùn)動(dòng)的離子在電極附近發(fā)生電子得失而形成新的物質(zhì)，移為電解。用此失而形成新的物質(zhì)，移為電解。用此可檢驗(yàn)材料中是否存在離子電導(dǎo)?？蓹z驗(yàn)材料中是否存在離子電導(dǎo)。 導(dǎo)電現(xiàn)象nqvJ 其中：J為電流密度。nq為單位體積內(nèi)參加導(dǎo)電的自由電荷。v為載流子在電場(chǎng)方向發(fā)生漂移的速度。遷移率與電導(dǎo)率遷移率與電導(dǎo)率根據(jù)歐姆定律：EEJ/電導(dǎo)率：EnqvEJ/令載流子的遷移率v/E，即載流子在單位電場(chǎng)中的遷移速度：iiiiiiqn電導(dǎo)率的一般表達(dá)式：nq本征電導(dǎo)本征電導(dǎo)：源于晶體點(diǎn)陣的基本離子的運(yùn)動(dòng)。：源

6、于晶體點(diǎn)陣的基本離子的運(yùn)動(dòng)。雜質(zhì)電導(dǎo)雜質(zhì)電導(dǎo)：由固定較弱的離子（雜質(zhì)）離子：由固定較弱的離子（雜質(zhì)）離子 的運(yùn)動(dòng)造成。的運(yùn)動(dòng)造成。nq離子電導(dǎo)研究的主要內(nèi)容：離子電導(dǎo)研究的主要內(nèi)容：v 載流子濃度載流子濃度 v 離子遷移率離子遷移率 v 離子電導(dǎo)率離子電導(dǎo)率 v 影響離子電導(dǎo)率的因素影響離子電導(dǎo)率的因素 nq載流子濃度載流子濃度本征電導(dǎo)本征電導(dǎo)：源于晶體點(diǎn)陣的基本離子的運(yùn)動(dòng)。源于晶體點(diǎn)陣的基本離子的運(yùn)動(dòng)。固有電導(dǎo)中，載流子由晶體本身的熱缺陷提供。固有電導(dǎo)中，載流子由晶體本身的熱缺陷提供。nq晶體的熱缺陷主要有兩類：晶體的熱缺陷主要有兩類： 弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷 （a）

7、弗侖克爾缺陷（b）肖特基缺陷雜質(zhì)電導(dǎo)雜質(zhì)電導(dǎo)：由固定較弱的離子（雜質(zhì)）離子的運(yùn)：由固定較弱的離子（雜質(zhì)）離子的運(yùn) 動(dòng)造成。動(dòng)造成。電導(dǎo)的基本公式電導(dǎo)的基本公式只有一種載流子時(shí)：只有一種載流子時(shí)：有多種載流子時(shí)：有多種載流子時(shí)： nqiiiqnnq弗侖克爾缺陷：弗侖克爾缺陷：kT2EexpNNffN N為單位體積內(nèi)離子結(jié)點(diǎn)數(shù)為單位體積內(nèi)離子結(jié)點(diǎn)數(shù)E Ef f為同時(shí)生成一個(gè)填隙離子和一個(gè)空位所需要為同時(shí)生成一個(gè)填隙離子和一個(gè)空位所需要的能量的能量nqkT2EexpNNss肖特基空位濃度肖特基空位濃度N N為單位體積內(nèi)離子對(duì)的數(shù)目為單位體積內(nèi)離子對(duì)的數(shù)目Es為離解一個(gè)陰離子和一個(gè)陽(yáng)離子并到達(dá)表為離解

8、一個(gè)陰離子和一個(gè)陽(yáng)離子并到達(dá)表面所需要的能量面所需要的能量nq一般肖特基缺陷形成能比弗侖克爾缺陷形成能低許多一般肖特基缺陷形成能比弗侖克爾缺陷形成能低許多高溫下高溫下: : 離子晶體的電導(dǎo)主要由熱缺陷濃度決定離子晶體的電導(dǎo)主要由熱缺陷濃度決定低溫下低溫下: : 離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定nqv 離子電導(dǎo)的微觀機(jī)構(gòu)為載流子離子電導(dǎo)的微觀機(jī)構(gòu)為載流子 離子的擴(kuò)散離子的擴(kuò)散 。v 間隙離子的擴(kuò)散過(guò)程就構(gòu)成了宏間隙離子的擴(kuò)散過(guò)程就構(gòu)成了宏觀的離子觀的離子“遷移遷移”。nq間隙離子的勢(shì)壘間隙離子的勢(shì)壘nq間隙離子的勢(shì)壘變化間隙離子的勢(shì)壘變化nq離子電導(dǎo)率

9、的一般表達(dá)方式離子電導(dǎo)率的一般表達(dá)方式如果本征電導(dǎo)主要由肖特基缺陷引起，如果本征電導(dǎo)主要由肖特基缺陷引起，其本征電導(dǎo)率為：其本征電導(dǎo)率為：kTWAsSsexpnq本征離子電導(dǎo)率一般表達(dá)式為本征離子電導(dǎo)率一般表達(dá)式為：若有雜質(zhì)也可依照上式寫(xiě)出：若有雜質(zhì)也可依照上式寫(xiě)出：TBAkTWA111expexpTBA22expnq只有一種載流電導(dǎo)率可表示為只有一種載流電導(dǎo)率可表示為：TBexp0寫(xiě)成對(duì)數(shù)形式寫(xiě)成對(duì)數(shù)形式: :TB0lnln活化能活化能: :BkW nq有兩種載流子時(shí)總電導(dǎo)可表示為有兩種載流子時(shí)總電導(dǎo)可表示為: :有多種載流子時(shí)總電導(dǎo)可表示為有多種載流子時(shí)總電導(dǎo)可表示為: :TBATBA22

10、11expexpTBAiiexpnqnq影響離子電導(dǎo)率的因素影響離子電導(dǎo)率的因素呈指數(shù)關(guān)系，隨溫度呈指數(shù)關(guān)系，隨溫度升高，電導(dǎo)率迅速增升高，電導(dǎo)率迅速增大。大。 低溫下，雜質(zhì)電導(dǎo)占低溫下，雜質(zhì)電導(dǎo)占主要地位主要地位( (曲線曲線1)1)；高溫下，固有電導(dǎo)起高溫下，固有電導(dǎo)起主要作用。主要作用。1 1、溫度、溫度雜質(zhì)離子電導(dǎo)與溫度的關(guān)系雜質(zhì)離子電導(dǎo)與溫度的關(guān)系影響離子電導(dǎo)率的因素影響離子電導(dǎo)率的因素2 2、晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)u活化能大小取決于晶體間各粒子的結(jié)合力?；罨艽笮∪Q于晶體間各粒子的結(jié)合力。而晶體結(jié)合力受如下因素影響：而晶體結(jié)合力受如下因素影響：n離子半徑：離子半徑小，結(jié)合力大n離子電

11、荷，電價(jià)高，結(jié)合力大n堆積程度，結(jié)合愈緊密，可供移動(dòng)的離子數(shù)目就少，且移動(dòng)也要困難些，可導(dǎo)致較低的電導(dǎo)率影響離子電導(dǎo)率的因素影響離子電導(dǎo)率的因素3 3、晶格缺陷、晶格缺陷u離子性晶格缺陷的生成及其濃度大小是決定離子性晶格缺陷的生成及其濃度大小是決定離子電導(dǎo)的關(guān)鍵所在。而影響晶格缺陷生成離子電導(dǎo)的關(guān)鍵所在。而影響晶格缺陷生成和濃度的主要有如下因素：和濃度的主要有如下因素：n熱激勵(lì)生成晶格缺陷(肖特基與弗侖克爾缺陷)n不等價(jià)固溶摻雜n離子晶體中正負(fù)離子計(jì)量比隨氣氛的變化發(fā)生偏離散射的兩個(gè)原因散射的兩個(gè)原因1、晶格散射、晶格散射晶格振動(dòng)引起的散射叫做晶格散射；溫度越高，晶格振動(dòng)引起的散射叫做晶格散射

12、；溫度越高，晶格振動(dòng)越強(qiáng)對(duì)載流子的晶格散射也將增強(qiáng)，遷移率晶格振動(dòng)越強(qiáng)對(duì)載流子的晶格散射也將增強(qiáng)，遷移率降低。降低。2、電離雜質(zhì)散射、電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射的影響與摻雜濃度有關(guān)，摻雜越多，電離雜質(zhì)散射的影響與摻雜濃度有關(guān)，摻雜越多，載流子和電離雜質(zhì)相遇而被散射的機(jī)會(huì)也就越多。載流子和電離雜質(zhì)相遇而被散射的機(jī)會(huì)也就越多。能帶的寬度記作能帶的寬度記作 E ，數(shù)量級(jí)為，數(shù)量級(jí)為 EeV。一般規(guī)律：一般規(guī)律： 1. 越是外層電子，能帶越寬，越是外層電子，能帶越寬， E越大。越大。 2. 兩個(gè)能帶有可能重疊。兩個(gè)能帶有可能重疊。兩個(gè)相鄰能帶之兩個(gè)相鄰能帶之間的能量區(qū)域稱間的能量區(qū)域稱為為禁帶禁帶。晶體

13、中電子的能量晶體中電子的能量只能取能帶中的數(shù)只能取能帶中的數(shù)值，而不能取禁帶值，而不能取禁帶中的數(shù)值。中的數(shù)值。圖中圖中 為為“許可的能量許可的能量”，稱為稱為能帶能帶*。E2E3E5E4E6E7E1a a 2a 3a 3 a a 2 0kE E k 曲線的表達(dá)圖式曲線的表達(dá)圖式根據(jù)能帶理論，只有導(dǎo)帶中的電子或價(jià)帶根據(jù)能帶理論，只有導(dǎo)帶中的電子或價(jià)帶之間的空穴才能參與導(dǎo)電。之間的空穴才能參與導(dǎo)電。金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體中的載流子濃度本征半導(dǎo)體中的載流子濃度本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)載流子只由半導(dǎo)體晶格本身提供，是由載流子只由半導(dǎo)體晶格本身提供，是由熱激發(fā)產(chǎn)生的，

14、其濃度與溫度呈指數(shù)關(guān)系。熱激發(fā)產(chǎn)生的，其濃度與溫度呈指數(shù)關(guān)系?？諑е械碾娮訉?dǎo)電和價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電同空帶中的電子導(dǎo)電和價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電同時(shí)存在，載流子電子和空穴的濃度是相等的。時(shí)存在，載流子電子和空穴的濃度是相等的。本征電導(dǎo)本征電導(dǎo)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中的載流子濃度本征半導(dǎo)體中的載流子濃度kT2EexpNgnh=ne雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很大。雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很大。 雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為n n型型( (可提供電子可提供電子) )和和p p型型( (吸收電子，造成空穴吸收電子，造成空穴) )。摻入施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為摻入施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為n n半導(dǎo)體，摻入半導(dǎo)

15、體，摻入受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為p p半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體分類雜質(zhì)半導(dǎo)體分類 n型：在四價(jià)的型：在四價(jià)的Si或鍺中，摻入五價(jià)元素，如：或鍺中，摻入五價(jià)元素，如：P、As、Sb等，形成的半等，形成的半導(dǎo)體。導(dǎo)體。 p型：在四價(jià)的型：在四價(jià)的Si或鍺中，摻入三價(jià)元素，如：或鍺中，摻入三價(jià)元素，如：B、Al、In等，形成的半導(dǎo)等，形成的半導(dǎo)體。體。 雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度EfEcEDEvEfEvEcEAn型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體n型與型與p型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)雜質(zhì)半導(dǎo)體特性雜質(zhì)半導(dǎo)體特性 摻雜濃度與原子密度相比雖很微小，但是卻能使

16、載流子濃度極大地提高，因而導(dǎo)電能力也顯著地增強(qiáng)。 摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多子導(dǎo)電。 當(dāng)摻入五價(jià)元素( (施主雜質(zhì)) )時(shí)，主要靠自由電子導(dǎo)電；當(dāng)摻入三價(jià)元素( (受主雜質(zhì)) )時(shí)，主要靠空穴導(dǎo)電。本征電導(dǎo)率：本征電導(dǎo)率：n n型半導(dǎo)體電導(dǎo)率：型半導(dǎo)體電導(dǎo)率：ekTENenenheghhee2expekTENNekTENeiDCheg2exp2exp21第一項(xiàng)與雜質(zhì)無(wú)關(guān)，第二項(xiàng)與施主雜質(zhì)濃度ND有關(guān)；低溫時(shí)，第二項(xiàng)起主要作用；高溫時(shí)，電導(dǎo)率增加屬于本征電導(dǎo)性能。本征半導(dǎo)體和高溫時(shí)的雜質(zhì)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率本征半導(dǎo)體和高溫時(shí)的雜質(zhì)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系為：與溫度的關(guān)系為

17、：kTEg2/exp0直線斜率可以求出半導(dǎo)體禁帶寬度直線斜率可以求出半導(dǎo)體禁帶寬度電阻率與溫度的關(guān)系：電阻率與溫度的關(guān)系：kTEkTEgg2lnln2/exp00電導(dǎo)率與溫度關(guān)系如下：電導(dǎo)率與溫度關(guān)系如下：( (a)a)中表示在該溫度區(qū)間具有始終如一的電子躍遷機(jī)構(gòu)；中表示在該溫度區(qū)間具有始終如一的電子躍遷機(jī)構(gòu)； ( (b)b)中表示在低溫區(qū)以雜質(zhì)電導(dǎo)為主，高溫區(qū)以本征電導(dǎo)為主；中表示在低溫區(qū)以雜質(zhì)電導(dǎo)為主，高溫區(qū)以本征電導(dǎo)為主； ( (c)c)中表示在同一晶體中同時(shí)存在兩種雜質(zhì)時(shí)的電導(dǎo)特性。中表示在同一晶體中同時(shí)存在兩種雜質(zhì)時(shí)的電導(dǎo)特性。作業(yè):TBA1lg2. 實(shí)驗(yàn)測(cè)出離子型電導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)學(xué)回歸分析得出關(guān)系式為：（1）試求在測(cè)量溫度范圍內(nèi)的電導(dǎo)活化能表達(dá)式。（2）若給定T1=500K，1=10-9 S/cm; T2=1000K，2=10-6 S/cm，計(jì)算電導(dǎo)活化能的值。 )2/exp(kTENngnehheeenen3.本征半導(dǎo)體中，從價(jià)帶激發(fā)至導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶產(chǎn)生的空穴參與電導(dǎo)。激發(fā)的電子數(shù)n可近似表示為：式中N為狀態(tài)密度，k為波爾茲曼常數(shù)，T