電子材料物理第三章

1、 第三章 電子(dinz)材料的電導(dǎo) 本章概要(giyo):本章討論在電學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的無機電子材料(半導(dǎo)體材料和電子功能陶瓷材料)的電導(dǎo)特性,重點為離子電導(dǎo),電子電導(dǎo)和半導(dǎo)體材料的界面電導(dǎo).作業(yè) 3.1, 3.2, 3.3, 3.7,3.10 共六十二頁主要(zhyo)內(nèi)容3.1 電導(dǎo)的物理現(xiàn)象3.2 離子電導(dǎo)3.3 電子電導(dǎo)3.5 半導(dǎo)體材料的界面電導(dǎo)3.6 超導(dǎo)體共六十二頁3.1.1 電導(dǎo)的主要參數(shù)1 電導(dǎo)率和電阻率2 遷移率和電導(dǎo)率的一般公式3 體積電阻與體積電阻率4 表面電阻與表面電阻率5 電阻測量-直流四端(s dun)電極法3.1.2 電導(dǎo)的分類1 電導(dǎo)的分類2 電導(dǎo)的物理效應(yīng)-

2、霍爾效應(yīng)、電解效應(yīng)共六十二頁3.1 電導(dǎo)(din do)的物理現(xiàn)象 3.1.1 電導(dǎo)的主要參數(shù)1 電導(dǎo)率和電阻率 電介質(zhì)并非理想(lxing)絕緣體，在電場作用下均有一定的電流通過，此即為電介質(zhì)的電導(dǎo)單位 J 安/米2 A/m2 歐米 m E伏特/米 v/m 西/米 s/m 共六十二頁 2.遷移率和電導(dǎo)率的一般(ybn)表達公式共六十二頁 3.體積(tj)電阻與體積(tj)電阻率 體電阻的引入共六十二頁 體電阻(dinz)的計算共六十二頁 4.表面(biomin)電阻與表面(biomin)電阻率共六十二頁5直流四端(s dun)電極法電導(dǎo)率的測量方法測量(cling)原理（圖3.7）： （L.

3、V內(nèi)側(cè)兩電極間距離及電壓，I為流過載面S的電流）四探測法（圖3.8） （l1、l2、l3 為探測1.2，2.3，3.4間距離，I為1.4間電流。V為2.3間電壓）共六十二頁3.1.2 電導(dǎo)(din do)的分類（1）分類：電子電導(dǎo)：電子（空穴），固態(tài)導(dǎo)體半導(dǎo)體，強電場下的絕緣體 離子(lz)電導(dǎo)：正負(fù)離子(lz)，液態(tài)導(dǎo)體半導(dǎo)體，弱電場下的絕緣體 （2）物理效應(yīng) 電子電導(dǎo)霍爾效應(yīng)，Ey= （x電場，z磁場，y向產(chǎn)生電壓）。 為霍爾系數(shù) 離子電導(dǎo)電解效應(yīng)，g=cQ（g電解物質(zhì)量，Q電量，c為電化當(dāng)量）共六十二頁3.2 離子(lz)電導(dǎo)3.2.1 載流子濃度1本征電導(dǎo)2 雜質(zhì)電導(dǎo)3.2.2 離子(

4、lz)遷移率1 離子遷移的微觀機制2 離子遷移率3.2.3 離子電導(dǎo)率1 離子電導(dǎo)的一般表達式2 擴散與離子電導(dǎo)3.2.4影響離子電導(dǎo)率的主要因素3.2.5 固體電解質(zhì)ZrO2共六十二頁3.2 離子(lz)電導(dǎo) 離子電導(dǎo)(din do)本征電導(dǎo)(din do)：源于晶體點陣的基本粒子的運動（固有離子電導(dǎo)(din do)），高溫下顯著 雜質(zhì)電導(dǎo)源于弱聯(lián)系雜質(zhì)離子的運動，低溫下明顯共六十二頁3.2.1 載流子濃度(nngd) 1. 本征電導(dǎo)： （1）弗侖克爾缺陷（同時形成填隙離子和空位,其濃度相等） Nf=Nexp（-Ef/2kT） Ef：形成弗侖克爾缺陷所需的離解能 N：單位體積內(nèi)的離子結(jié)點(j

5、i din)數(shù) （2）肖特基缺陷（同時形成正負(fù)離子空位） Ns=Nexp（-Es/2kT） Es：離解一個陰離子和陽離子并達到表面所需要的離解能 N：點位體積內(nèi)的離子對數(shù)目共六十二頁結(jié)論 （1）熱缺陷的濃度由溫度和離解能決定，常溫下kT比E小的多，所以高溫下熱缺陷的濃度才顯著(xinzh)增加（2）離解能和晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般肖特基缺陷形成能比弗侖克爾形成能小很多。2.雜質(zhì)電導(dǎo)： 載流子濃度取決于雜質(zhì)數(shù)量和種類。無論替代式和間隙式質(zhì)，不僅使載流子數(shù)目增加，而且使晶格點陣畸變，其離解能小，在低溫下明顯。共六十二頁3.2.2 離子(lz)遷移率（u） 1. 離子載流子遷移的微觀(wigun)機制（圖

6、3.11） 離子擴散共六十二頁2.離子遷移率離子在彭衡位置作熱振動，當(dāng)振動能量超過臨近離子對它的束縛勢壘時，離子才能離開平衡位置而遷移(qiny)，每個方向單位時間越過勢壘到新的平衡位置的離子數(shù) n0 ：離子濃度，v：離子平衡位置的振動頻率(pnl)， u：臨近離子對其的束縛勢壘高度）在無外場情況下，由于沿所有方向的離子遷移幾率均等，所以總的遷移率等于零，無定向電流 。 共六十二頁 有外場作用（圖3.12）：離子電荷q，電場(din chng)沿x正向。沿X向的宏觀(hnggun)飄移速度和遷移率為：V=; u=共六十二頁離子(lz)電導(dǎo)率 離子電導(dǎo)(din do)的一般表達式（ ）若為本征半

7、導(dǎo)體（肖特基半導(dǎo)體）=式中（電導(dǎo)活化能= 共六十二頁 對雜質(zhì)電導(dǎo)（間隙(jin x)，替位） 一般情況A1：在溫度(wnd)變化不大時是常數(shù)共六十二頁擴散(kusn)與離子電導(dǎo) 1） 離子擴散機制 離子電導(dǎo)是在電場作用下的擴散現(xiàn)象，主要有5種擴散機制： （1）易位擴散：正負(fù)離子直接易位，活化能最大 （2）環(huán)行擴散：同種離子相互易位，實際可能性小 （3）間隙擴散：對較大離子，困難 （4）準(zhǔn)間隙擴散：較易 （5）空位擴散：活化能最小，最常見(chn jin)的方式 五種擴散機制中，易位擴散所需活化能最大；同種離子間的環(huán)形擴散也較難；空位擴散所需要的活化能最小。空位擴散是最常見的擴散機制！共六十二頁

8、圖3.13共六十二頁 擴散(kusn)電流： 在熱平衡條件下（擴散電流(dinli)與位移電流(dinli)必須相反?？傠娏?dinli)為0）兩下式代入上式，得： 2） 能斯特愛因斯坦方程（離子電導(dǎo)與擴散系數(shù)間的關(guān)系式）共六十二頁3.2.4 影響離子(lz)電導(dǎo)率的因素 溫度 本征離子電導(dǎo)： 雜質(zhì)： 隨著溫度的升高，電導(dǎo)率指數(shù)規(guī)律增加（3.14）2 晶體結(jié)構(gòu) 電導(dǎo)率隨活化能（包括電離能和遷移能）w指數(shù)變化，而活化能反映粒子的固定程度，與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)： 熔點(rngdin)高的晶體晶體結(jié)合力大活化能高-遷移率低電導(dǎo)率低 離子電荷大小與活化能有關(guān):正離子電價高活化能高遷移率低共六十二頁3 晶格缺

9、陷影響晶體缺陷生成和濃度(nngd)的主要原因（1）熱激勵 弗倫克爾 肖特基缺陷（2）不等價固溶摻雜形成晶體缺陷（3）離子晶體中正負(fù)離子計量比隨氣氛變化發(fā)生變化，形成非化學(xué)計量比化合物，因而產(chǎn)生晶體缺陷例如穩(wěn)定型ZrO2由于氧脫離形成氧空位： 共六十二頁3.2.5 固體(gt)電解質(zhì)ZrO2固體電解質(zhì)：具有離子電導(dǎo)的固體物質(zhì)只有離子晶體才能成為固體電解質(zhì)，共價鍵晶體和分子晶體都不能成為固體電解質(zhì)離子晶體具有離子電導(dǎo)特性，必須具備(jbi)（1）電子載流子濃度小（2）離子晶格缺陷濃度大并參與導(dǎo)電ZrO2固溶CaO，Y2O3，固溶過程中產(chǎn)生如下反應(yīng)生成共六十二頁3.3 電子電導(dǎo)3.3.1 電子遷移

10、率1電子的有效質(zhì)量2 電子的遷移率3.3.2 載流子濃度(nngd)1 本征半導(dǎo)體載流子濃度2 雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度3.3.3 電子電導(dǎo)率1 本征半導(dǎo)體電導(dǎo)率2 非本征半導(dǎo)體電導(dǎo)率 3 散射(snsh)的種類3.3.4影響電導(dǎo)率的因素1溫度對電導(dǎo)率的影響2雜質(zhì)和缺陷的影響共六十二頁3.3 電子(dinz)電導(dǎo) 電子電導(dǎo)(din do)的載流子:電子和空穴 主要發(fā)生在導(dǎo)體和半導(dǎo)體中電子由于晶格熱振動，雜質(zhì)，錯位和裂縫等因素導(dǎo)致固體周期性的破壞，使其運動受阻，進而導(dǎo)致有限遷移率。 電場周期破壞的來源是：晶格熱振動、雜質(zhì)的引入、位錯和裂縫等。下面我們?nèi)詮妮d流子的遷移率以及濃度兩個方面來討論電子電導(dǎo)問

11、題。共六十二頁3.3.1 電子(dinz)遷移率1. 電子的有效(yuxio)質(zhì)量共六十二頁區(qū)：區(qū)：區(qū)： 禁帶區(qū)(1)自由電子 (2) 晶體(jngt)中的電子 由能態(tài)(電子與晶格間的相互作用)決定M變化(binhu)見圖3.16共六十二頁2. 電子遷移率電子和聲子、雜質(zhì)(zzh)和缺陷相互碰撞而散射，設(shè)碰撞間隔為t討論：（1) 摻雜濃度和溫度對遷移率有影響，本質(zhì)上是對散射的影響。散 射越弱，碰撞間隔(jin g)越長，遷移率越高（2）有效質(zhì)量決定于晶格 氧化物 堿性鹽 (3) 電子和空穴的有效質(zhì)量不同共六十二頁3 散射的種類（1）晶格散射：由晶格振動引起的散射低摻雜半導(dǎo)體中T遷移率（2）電離

12、雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)周圍產(chǎn)生庫侖場，當(dāng)載流子經(jīng)過時產(chǎn)生散射摻雜濃度散射機會(j hu)遷移率溫度載流子運動速度散射作用遷移率高摻雜時，遷移率隨溫度變化很小共六十二頁3.3.2 載流子濃度(nngd) 晶體結(jié)構(gòu)的能帶模型：導(dǎo)帶和價帶一般情況：電子多處于價帶中，導(dǎo)帶中的電子（參與(cny)導(dǎo)電）很少共六十二頁金屬(jnsh)、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)圖共六十二頁本征半導(dǎo)體中載流子的濃度(nngd)(ne=nh)本征電導(dǎo)：導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴同時參與導(dǎo)電無外界作用時：價帶中的電子不能躍至導(dǎo)帶中有外界作用（熱和光輻射）時：價帶中的電子獲得能量(nngling)躍至導(dǎo)帶中，由此在導(dǎo)帶中出現(xiàn)電子，在價帶

13、中留下空穴，所以空穴導(dǎo)電也屬于電子導(dǎo)電的一種本征半導(dǎo)體的載流子由熱激發(fā)產(chǎn)生，其濃度與溫度成指數(shù)關(guān)系共六十二頁導(dǎo)帶中電子(dinz)濃度電子為費米子，其能量(nngling)分布函數(shù)為費米狄拉克函數(shù)： 在室溫下kT=0.025ev 導(dǎo)帶電子狀態(tài)密度共六十二頁價帶中的空穴(kn xu)濃度半導(dǎo)體中，價帶中的空穴(kn xu)濃度和導(dǎo)帶中的電子濃度相等，所以空穴(kn xu)的分布函數(shù)：只要 ，便有價帶的空穴狀態(tài)密度 共六十二頁由 得價帶有效狀態(tài)(zhungti)密度 共六十二頁禁帶寬度(kund) 為等效(dn xio)狀態(tài)密度 共六十二頁 雜質(zhì)(zzh)半導(dǎo)體中載流子濃度 雜質(zhì)半導(dǎo)體中的電子和空

14、穴，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為n型和p型半導(dǎo)體，見能級(nngj)圖（圖3.20）在n型半導(dǎo)體中，施主能級離導(dǎo)帶很近（0.05eV），施主能級上的電子很容易激發(fā)到導(dǎo)帶中；p型半導(dǎo)體中，受主能級離價帶很近（0.045ev），價帶中的電子很容易激發(fā)到受主能級上共六十二頁共六十二頁 施主(shzh)雜質(zhì)幾乎全部電離 施主雜質(zhì)基本沒有電離 施主雜質(zhì)有1/3電離。2/3沒有電離 討論(toln)（1）雜質(zhì)能級與費米能級的相對位置明顯反映了電子和空穴占據(jù)雜質(zhì)能級的情況共六十二頁（2）費米能級的求導(dǎo)含有一種施主雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體（p型半導(dǎo)體可類似處理施主雜質(zhì)濃度 導(dǎo)帶電子濃度 價帶空穴濃度整個(zhngg)半導(dǎo)體是電中性

15、的，條件 將（3.62）和（3.64）代入有 由此寫出費米能級表達式比較困難，為簡化分成不同(b tn)的溫度區(qū)域討論共六十二頁（i）低溫區(qū)域因為在半導(dǎo)體中，雜質(zhì)電離能比禁帶寬度小很多，所以在低溫區(qū)域以電離雜質(zhì)電導(dǎo)為主，本征激發(fā)可以(ky)不計電中性條件（具體推導(dǎo)下） 為施主(shzh)電離能 共六十二頁討論（1）當(dāng)溫度T很低時（2）當(dāng)溫度增至雜質(zhì)全部電離，導(dǎo)帶中電子(dinz)濃度=施主雜質(zhì)濃度，并與溫度無關(guān)-雜質(zhì)飽和電離 （T0，)共六十二頁（ii）過渡區(qū)域 同時考慮飽和(boh)電離和本征激發(fā)提供的載流子本征激發(fā)(jf)的載流子濃 導(dǎo)帶中的電子濃度和價帶中的空穴濃度共六十二頁利用(lyn

16、g) （iii）高溫(gown)本征激發(fā)區(qū)共六十二頁3.3.3 電子(dinz)電導(dǎo)率本征半導(dǎo)體 截距 直線(zhxin)斜率為 見圖3.21 非本征半導(dǎo)體由于雜質(zhì)能級存在，電導(dǎo)率隨溫度的變化比較復(fù)雜見圖3.22共六十二頁（a）一種(y zhn)電子躍遷機構(gòu)；（b）低溫雜質(zhì)電導(dǎo)、高溫本征電導(dǎo)；（c）同時存在兩種雜質(zhì)時 Ln共六十二頁3.3.4影響電導(dǎo)(din do)的因素 主要有溫度(wnd)、雜質(zhì)和缺陷1.溫度對電導(dǎo)的影響 電子濃度n和遷移率均與溫度有關(guān) 聲子和載流子的碰撞馳豫時間與溫度有關(guān)，所以電子電導(dǎo)（遷移率）與溫度有關(guān)。遷移率受散射影響分兩部分 （1）聲子對遷移率的影響（2）雜質(zhì)離子對

17、遷移率的影響共六十二頁結(jié)論低溫下雜質(zhì)離子散射項起主要作用；高溫下聲子散射項起主要作用（圖3.24）雖然 ，但一般 受T的影響比電子濃度(nngd)n(T)受溫度的影響要小得多，因此電導(dǎo)率對溫度的依賴關(guān)系主要取決于濃度(nngd)項 共六十二頁2 雜質(zhì)以及(yj)缺陷的影響（雜質(zhì)缺陷、組分缺陷和晶格缺陷）（1）雜質(zhì)缺陷：由于摻雜產(chǎn)生非本征缺陷雜質(zhì)對半導(dǎo)體性能的影響是由于雜質(zhì)離子（原子）引起的局部能級（禁帶中的雜質(zhì)能級） 如 +微量稀土元素價控半導(dǎo)體 （2）組分缺陷：非化學(xué)(huxu)計量配比化合物中，由于晶體化學(xué)(huxu)組成的偏差， 形成離子空位或間隙離子等缺陷稱為組分缺陷 （陽離子空位，陰

18、離子空位，間隙離子） 共六十二頁3.5 半導(dǎo)體材料的界面(jimin)電導(dǎo)內(nèi)容：3.5.1晶界效應(yīng)1 壓敏效應(yīng)（Varistor Effect）2 PTC效應(yīng)3.5.2 表面效應(yīng)1 半導(dǎo)體表面空間電荷層的形成2 半導(dǎo)體表面吸附氣體時電導(dǎo)率的變化(binhu)5.5.3 P-n結(jié)導(dǎo)電1 p-n結(jié)勢壘的形成2 偏壓下的p-n結(jié)勢壘和整流作用共六十二頁 3.5.1 晶界效應(yīng) 1.壓敏效應(yīng) 概念：壓敏效應(yīng)是指對電壓變化敏感的非線性電阻效應(yīng)，即在某一臨界電壓以下(yxi)，因電阻很大，幾乎無電流流過，而當(dāng)電壓超過該臨界電壓（敏感電壓）電阻迅速降低，有電流通過。（見圖3.35， 壓敏電阻特性曲線）可用公式

19、 共六十二頁 物理(wl)解釋共六十二頁2.PTC效應(yīng)(xioyng) PTC現(xiàn)象(xinxing)共六十二頁3.5.2 表面(biomin)效應(yīng) 1.半導(dǎo)體表面空間電荷層的形成 形成（以p-n結(jié)為例）當(dāng)半導(dǎo)體表面能級低于半導(dǎo)體內(nèi)P能級時（受主能級）表面能級從半導(dǎo)體內(nèi)P俘獲電子而帶負(fù)電(fdin)，內(nèi)P帶正電，從而在表面附近形成空間電荷層。 分類： 積累層：空間電荷層中多子濃度大于半導(dǎo)體內(nèi) 耗盡層：空間電荷層中多子濃度小于半導(dǎo)體內(nèi) 反型層：空間電荷層中多子濃度小于半導(dǎo)體內(nèi),而少子大于半導(dǎo)體內(nèi)多子2. 半導(dǎo)體內(nèi)表面吸附氣體時電導(dǎo)率的變化 表面電荷層為耗盡層 ： ；為積累層： N型負(fù)電吸附；P型正

20、電吸附此外：半導(dǎo)體表面吸附對電導(dǎo)率的影響隨溫度晶界不同而不同。共六十二頁3.5.3 P-N型結(jié)電導(dǎo)(din do) 1P-N結(jié)勢壘的形成（圖3.41）雜質(zhì)半導(dǎo)體 P型：空穴（多子(du z)），電離受主（負(fù)電） N型：電子（多子）,電離施主（正電） P-N結(jié)：擴散運動VS 漂移運動。平衡條件：evd=共六十二頁 2 偏壓下的P-N結(jié)勢壘和整流(zhngli)作用（圖3.42B）正偏壓(pin y) （P正N負(fù)）：evd (v0)多子擴散所以 =Iexp(ev/kt)-1流過P-N結(jié)電流：負(fù)偏壓（p 負(fù)n正）：V0.少子擴散，小電流。當(dāng)負(fù)偏壓較大時，能帶彎曲變大，隧道效應(yīng)反擊穿。共六十二頁 3.6 超導(dǎo)體3.6.1超導(dǎo)體的發(fā)展 過渡金屬 3.6.2 約瑟夫遜效應(yīng)(Josephson)定義：由兩塊超導(dǎo)體之間加入極薄的絕緣層而成的夾心結(jié)構(gòu)稱為約瑟夫結(jié)。超導(dǎo)電子通過約瑟夫結(jié)的現(xiàn)象稱為約瑟夫效