電子材料物理：第三章 電子材料的電導(dǎo)

1、1第三章 電子材料的電導(dǎo)金屬：10-410-6.cm半導(dǎo)體： 10-3103.cm絕緣體： 109.cm23.1 電導(dǎo)的物理現(xiàn)象電導(dǎo)的主要參數(shù) 1）電阻率（電導(dǎo)率） 2）體積電阻 3）表面電阻 4）四電極法（四探針?lè)ǎ╇妼?dǎo)的分類 1）電子電導(dǎo) 2）離子電導(dǎo)3對(duì)一截均勻?qū)щ婓w，存在如下關(guān)系歐姆定律歐姆定律微分形式電阻率（電導(dǎo)率）電導(dǎo)率表示物質(zhì)傳送電荷的能力，單位為西門子/米（S/m）4物體的導(dǎo)電現(xiàn)象載流子在電場(chǎng)作用下的定向遷移。（微觀本質(zhì)）遷移率Sl5如果存在多種載流子，材料的電導(dǎo)率遷移率的特點(diǎn)： 單位是m2V-1s-1 與載流子類型有關(guān) 與雜質(zhì)濃度有關(guān) 與溫度有關(guān) 與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)6RV：體積電

2、阻；RS：表面電阻相應(yīng)地，存在v，s表面電阻、體積電阻 同一種導(dǎo)體其體積電阻和表面電阻處于并聯(lián)關(guān)系。7對(duì)板狀試樣hS如果 ,則稱為方塊電阻。單位/8對(duì)管狀試樣9對(duì)圓片試樣x10-消除電極非歐姆接觸對(duì)測(cè)量的影響直流四端電極法適用于高導(dǎo)電率材料11四探針?lè)?樣品尺寸較大如果 ,該公式的推導(dǎo)見(jiàn)電子材料與元器件測(cè)試技術(shù)（周東祥，潘曉光）12電流是電荷在空間的定向運(yùn)動(dòng)。任何一種物質(zhì)，只要存在帶電荷的自由粒子載流子，就可以在電場(chǎng)下產(chǎn)生導(dǎo)電電流。根據(jù)載流子種類的不同，電子材料的電導(dǎo)可分為：電子電導(dǎo)負(fù)電子/空穴，一般存在于固態(tài)導(dǎo)體(金屬)、半導(dǎo)體及強(qiáng)電場(chǎng)下的絕緣體；離子電導(dǎo)正、負(fù)離子及空位，一般存在于液態(tài)導(dǎo)體

3、、半導(dǎo)體及弱電場(chǎng)下的絕緣體；電導(dǎo)的分類13a.載流子：電子、空穴 b.特點(diǎn)：霍爾效應(yīng)電子電導(dǎo)-電子電導(dǎo)的特征ldw14霍爾效應(yīng)：金屬或半導(dǎo)體薄片置于沿z方向磁場(chǎng)中，當(dāng)在x方向有電流流過(guò)時(shí)，在Y方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的原因是電子在磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生橫向移動(dòng)產(chǎn)生電場(chǎng)，而離子的質(zhì)量比電子大許多，磁場(chǎng)作用力不足以使它產(chǎn)生橫向位移，所以純離子電導(dǎo)不呈現(xiàn)霍爾效應(yīng)?；魻栂禂?shù)ni 為載流子濃度正負(fù)號(hào)決定于載流子符號(hào)利用霍爾效應(yīng)可以檢驗(yàn)材料是否存在電子電導(dǎo)。15霍爾效應(yīng)為材料電阻率d為材料厚度KH為靈敏度系數(shù)說(shuō)明：1.根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾元件可以將被測(cè)量（電流、磁場(chǎng)、位移、速度

4、以及壓力等）轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)，因此，霍爾元件是一種將磁學(xué)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電學(xué)量信號(hào)的磁敏傳感器。2. 用來(lái)制作霍爾元件的材料一般為N型半導(dǎo)體材料。3. 霍爾元件的厚度越小，靈敏度越高，一般薄膜霍爾元件的厚度只有1m左右。 16a.載流子：離子 b.特點(diǎn)：電解效應(yīng)電解效應(yīng)：在直流電場(chǎng)作用下，離子發(fā)生遷移并在電極附近發(fā)生電子得失，產(chǎn)生新的物質(zhì)。（化學(xué)反應(yīng)） g=Q/F，g：電解物質(zhì)的量；F：法拉第常數(shù)；Q：通過(guò)的電量。離子電導(dǎo)17載流子濃度離子遷移率離子電導(dǎo)率電導(dǎo)率與擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系影響離子電導(dǎo)率的因素舉例3.2 離子電導(dǎo)18 離子晶體中的電導(dǎo)主要是離子電導(dǎo)。離子晶體具有離子電導(dǎo)的條件： a 電子載流子濃度

5、??； b 離子晶格缺陷濃度大且參與導(dǎo)電。根據(jù)載流子來(lái)源的不同，離子電導(dǎo)可分為本征電導(dǎo)和雜質(zhì)電導(dǎo)。 1 本征電導(dǎo)（intrinsic） 由于熱振動(dòng)晶格離子離開(kāi)晶格形成缺陷載流子，主要是Frankel和Schottky缺陷離子。一般在高溫下產(chǎn)生。 2 雜質(zhì)電導(dǎo) (impurity) 由雜質(zhì)離子做載流子。低溫占主導(dǎo)地位。離子電導(dǎo)19-對(duì)本征電導(dǎo)載流子濃度弗倫克爾缺陷：填隙離子濃度和空位濃度相等，可表示為Nf：填隙離子濃度或空位濃度N：?jiǎn)挝惑w積離子結(jié)點(diǎn)數(shù)(陽(yáng)離子個(gè)數(shù))Ef：弗倫克爾缺陷形成能肖特基缺陷：空位濃度可表示為Ns：肖特基空位濃度N：?jiǎn)挝惑w積離子對(duì)數(shù)Es：離解一個(gè)陰離子和一個(gè)陽(yáng)離子并達(dá)到表面所

6、需的能量201. Nf和Ns都是溫度T的指數(shù)函數(shù)。在常溫下，E kT，本征載流子濃度很小，本征離子電導(dǎo)很??；而在高溫下，E與kT差別不大，缺陷濃度顯著增加，本征離子電導(dǎo)占優(yōu)。2. 在晶體中，以上兩種缺陷都會(huì)同時(shí)發(fā)生，但哪一種缺陷占優(yōu)勢(shì)，便取決于Ef和Es的大小。3. 當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)緊密時(shí)，由于Es Ef，形成肖特基缺陷的可能性大些；4. 當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)比較松散，離子半徑很小時(shí)， Ef Es，形成弗倫克爾缺陷的可能性大些 說(shuō)明21 雜質(zhì)離子濃度與雜質(zhì)數(shù)量、種類有關(guān)。 雜質(zhì)離子的存在： 1、載流子數(shù)目增加 2、晶格點(diǎn)陣產(chǎn)生畸變，雜質(zhì)離子離解活化能下降。 低溫下，離子晶體的電導(dǎo)由雜質(zhì)電導(dǎo)決定。-對(duì)雜質(zhì)電導(dǎo)載

7、流子濃度22-以間隙離子在晶格間隙的擴(kuò)散為例設(shè)離子處于某一平衡位置，振動(dòng)頻率為，鄰近離子的束縛勢(shì)壘為U0，且離子濃度為n0，則沿某一規(guī)定方向，每秒鐘克服勢(shì)壘躍遷到新的平衡位置的離子數(shù)n：離子遷移率23設(shè)離子帶正電荷q，電場(chǎng)強(qiáng)度沿x正方向，為離子平均躍遷距離，離子在外電場(chǎng)作用下，每秒鐘內(nèi)在x方向產(chǎn)生的過(guò)剩遷移離子數(shù)等于：在弱電場(chǎng)下，U=1/2qE K3（K-V圖）72VM= MihPo21/4ePo2-1/4lg(Po2/Pa)lgMi（b）本征離子缺陷占優(yōu)K3K4 （K-V圖）VM”73載流子濃度-氧分壓、平衡常數(shù)的關(guān)系K-G和T的關(guān)系G -與缺陷形成能、ED、EA的電離能以及禁帶寬度Eg有關(guān)

8、系MO氧化物的能帶結(jié)構(gòu)-n和的關(guān)系組成缺陷的半導(dǎo)體高溫電導(dǎo)的影響因素743.4 界面電導(dǎo)晶界效應(yīng)（重點(diǎn)）表面效應(yīng)p-n結(jié)電導(dǎo)（在半導(dǎo)體物理中講授）75晶界效應(yīng)主要發(fā)生在n型多晶材料中。由于存在受主表面態(tài)使得在晶粒界面產(chǎn)生雙肖特基勢(shì)壘。該勢(shì)壘根據(jù)材料本身特性的不同，可表現(xiàn)出電壓敏效應(yīng)、PTC效應(yīng)等。將制備的n型多晶半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)處理后可以在晶界表面獲得受主表面態(tài)，處理的方法主要有兩種：（1）在氧化氣氛中緩慢冷卻；（2）摻入受主雜質(zhì)EDAcceptor states0rgraingrain雙肖特基勢(shì)壘+晶粒中N型電子電導(dǎo)的制備：(1)采用少量施主摻雜在空氣中燒結(jié)并冷卻；(2)在還原性氣氛中燒結(jié)760r77VI壓敏效應(yīng)對(duì)電壓變化敏感的非線性電阻效應(yīng)78ZnO+Bi2O3系列SrTiO3系列ZnO+Pr2O3系列廣泛用于半導(dǎo)體和電子儀器的穩(wěn)壓和過(guò)壓保護(hù)、靜電防護(hù)（EDS）以及設(shè)備的避雷器等方面。79PTC效應(yīng)施主摻雜的BaTiO3在居里溫度附近，電阻隨溫度的升高而急劇增大的現(xiàn)象。導(dǎo)電機(jī)理：在Tc處產(chǎn)生鐵電相變，TTc 為順電相，TTc時(shí)介電常數(shù)遵從居里-外斯定律：BaTiO3陶瓷的介電溫譜弱場(chǎng)下介電常數(shù)80PTC效應(yīng)鐵電相：r大，0??；順電相： r小，0大。產(chǎn)生PTC效應(yīng)。廣泛應(yīng)用于彩電、彩顯、冰箱、空調(diào)、汽