《無機材料物理性能》第6講 (2)

1、本部分的主要內(nèi)容本部分的主要內(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) 無機非金屬材料電導(dǎo)無機非金屬材料電導(dǎo) 電導(dǎo)的應(yīng)用電導(dǎo)的應(yīng)用iiiiiiqn本部分的關(guān)鍵：本部分的關(guān)鍵：理解并掌握如下公式的含義理解并掌握如下公式的含義歐姆定律示意圖歐姆定律示意圖11 1cmcmLSR 2A/cm EJu載流子遷移率:V) (S/ cm 2Even不同材料的電導(dǎo)率不同材料的電導(dǎo)率差異巨大，橫跨差異巨大，橫跨27個數(shù)量級個數(shù)量級導(dǎo)體：導(dǎo)體：107-1m-1半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：10-6104-1m-1絕緣體：絕緣體：10-110-20-1m-1SVIIISVRRR111電流電流:電阻電阻

2、:VVIVR SSIVR ShRvv體積電阻體積電阻Rv反映材料的導(dǎo)電能力，與材反映材料的導(dǎo)電能力，與材料性質(zhì)及樣品幾何尺寸的關(guān)系料性質(zhì)及樣品幾何尺寸的關(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體積電阻率體積電阻率, ,為描寫材料電阻為描寫材料電阻 性能的參數(shù)性能的參數(shù)管狀試樣管狀試樣12ln21221rrlxldxRvrrvv圓片式樣體積電阻率的測量圓片式樣體積電阻率的測量g21rhShIVRvvvIVhrv21片狀試樣片狀試樣精確測定結(jié)果精確測定結(jié)果: :221)(4rrSIVhrrv4)(2212214rrhRvv板狀式樣板狀式樣blR

3、ss圓片試樣圓片試樣VIabgr1r22)ln(21221rrxdxRsrrss：具有電荷的自由粒子，在電場作用下具有電荷的自由粒子，在電場作用下可產(chǎn)生電流?？僧a(chǎn)生電流。現(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，方向上加磁場，y y方方向上將產(chǎn)生電場。向上將產(chǎn)生電場。實質(zhì)實質(zhì)：運動電荷在磁場中受力所致，但此處：運動電荷在磁場中受力所致，但此處的運動電荷只能是電子，因其質(zhì)量小、的運動電荷只能是電子，因其質(zhì)量小、運動容易，故此現(xiàn)象只出現(xiàn)于電子電運動容易，故此現(xiàn)象只出現(xiàn)于電子電導(dǎo)時，即可用霍爾效應(yīng)的存在與否檢導(dǎo)時，即可用霍爾效應(yīng)的存在與否檢驗材料是否存在電子電導(dǎo)。驗材料是否存

4、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)率霍爾遷移率霍爾遷移率霍爾效應(yīng)可檢驗材料是否存霍爾效應(yīng)可檢驗材料是否存 在電子電導(dǎo)在電子電導(dǎo) 運動的離子在電極附近發(fā)生電子得運動的離子在電極附近發(fā)生電子得失而形成新的物質(zhì)，稱為電解效應(yīng)。失而形成新的物質(zhì)，稱為電解效應(yīng)。用此可檢驗材料中是否存在離子電導(dǎo)。用此可檢驗材料中是否存在離子電導(dǎo)。 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Eviiiiiiqn本征電導(dǎo)本征電導(dǎo)：源于晶體點陣的基本離子的運動，：源于晶體點陣的基本離子的運動，高溫下特別顯著。高溫下特別顯著。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

5、：由固定較弱的離子（雜質(zhì)）離子 的運動造成，低溫顯著。的運動造成，低溫顯著。nq注意：電導(dǎo)的基本公式：注意：電導(dǎo)的基本公式： 只有一種載流子時：只有一種載流子時： 有多種載流子時：有多種載流子時： nqiiiqnnq離子電導(dǎo)要研究的主要內(nèi)容：離子電導(dǎo)要研究的主要內(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本征電導(dǎo)本征電導(dǎo)：源于晶體點陣的基本離子源于晶體點陣的基本離子的運動。的運動。固有電導(dǎo)中，載流子由晶體本身的熱固有電導(dǎo)中，載流子由晶體本身的熱缺陷提供。缺陷提供。nq晶體的熱缺陷主要有兩類：晶體的熱缺陷主

6、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 nq雜質(zhì)電導(dǎo)：由固定較弱的離子（雜質(zhì)）離子雜質(zhì)電導(dǎo)：由固定較弱的離子（雜質(zhì)）離子 的運動造成。的運動造成。電導(dǎo)的基本公式電導(dǎo)的基本公式只有一種載流子時：只有一種載流子時：有多種載流子時：有多種載流子時： nq iiiqn nq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)點數(shù)為單位體積內(nèi)離子結(jié)點數(shù)E Ef f為同時生成一個填隙離子和一個空位所需要為同時生成一個填隙離子和一個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)離子對的數(shù)目為單位體積內(nèi)離子對的數(shù)目Es為

7、離解一個陰離子和一個陽離子并到達表為離解一個陰離子和一個陽離子并到達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一般肖特基缺陷形成能比弗侖克爾缺陷形成能低許多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離子晶體的電導(dǎo)主要由熱缺陷濃度決定定低溫下低溫下: : 離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定度決定v 離子電導(dǎo)的微觀機制為載離子電導(dǎo)的微觀機制為載流子流子 離子的擴散離子的擴散 。v 間隙離子的擴散過程就構(gòu)間隙離子的擴散過程就構(gòu)成了宏觀的離子成了宏觀的離子“遷移遷移”。nq間隙離子的勢壘間隙離子的勢壘nq間隙離子的勢壘

8、變化間隙離子的勢壘變化離子電導(dǎo)率的一般表達方式離子電導(dǎo)率的一般表達方式如果本征電導(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寫成對數(shù)形式寫成對數(shù)形式: :TB0lnln活化能活化能: :BkW nqnq離子電導(dǎo)率呈指數(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。雜質(zhì)離子電導(dǎo)與溫度的關(guān)系雜質(zhì)離子電導(dǎo)與

9、溫度的關(guān)系離子電導(dǎo)率離子電導(dǎo)率離子電導(dǎo)率iien散射的兩個原因散射的兩個原因1、晶格散射、晶格散射晶格振動引起的散射叫做晶格散射；溫度越高，晶格振動引起的散射叫做晶格散射；溫度越高，晶格振動越強，對載流子的晶格散射也將增強，遷晶格振動越強，對載流子的晶格散射也將增強，遷移率降低。移率降低。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)相遇而被散射的機會也就越多。溫載流子和電離雜質(zhì)相遇而被散射的機會也就越多。溫度越高，散射作用越弱。高摻雜時，溫度越高，遷移度越高，散射作用越弱。高摻雜時，溫度越高，遷移率越小率

10、越小。根據(jù)能帶理論，只有導(dǎo)帶中的電子或價帶根據(jù)能帶理論，只有導(dǎo)帶中的電子或價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)金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)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，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。空帶中的電子導(dǎo)電和價帶中的空穴導(dǎo)電同空帶中的電子導(dǎo)電和價帶中的空穴導(dǎo)電同時存在，載流子電子和空穴和濃度是相等的。時存在，載流子電子和空穴和濃度是相等的。本征電導(dǎo)本征電導(dǎo)本征半導(dǎo)體本征

11、半導(dǎo)體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)對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很大雜質(zhì)對半導(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)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。本征半導(dǎo)體和高溫時的雜質(zhì)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率本征半導(dǎo)體和高溫時的雜質(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：kTEg2/exp0電阻率與溫度的

12、關(guān)系：電阻率與溫度的關(guān)系：kTEkTEgg2lnln2/exp00實際晶體的導(dǎo)電機構(gòu)與溫度關(guān)系如下：實際晶體的導(dǎo)電機構(gòu)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構(gòu)；中表示在該溫度區(qū)間具有始終如一的電子躍遷機構(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存在兩種雜質(zhì)時的電導(dǎo)特性。中表示在同一晶體中同時存在兩種雜質(zhì)時的電導(dǎo)特性。在含有堿金屬離子的玻璃中，基本上表現(xiàn)在含有堿金屬離子的玻璃中，基本上表現(xiàn)為離子電導(dǎo)。為離子電導(dǎo)。玻璃體的結(jié)構(gòu)比晶體疏松，堿金屬離

13、子能玻璃體的結(jié)構(gòu)比晶體疏松，堿金屬離子能夠穿過大于其原子大小的距離而遷移，同夠穿過大于其原子大小的距離而遷移，同時克服一些位壘。時克服一些位壘。 玻璃與晶體不同，玻璃中堿金屬離子的能玻璃與晶體不同，玻璃中堿金屬離子的能阱不是單一的數(shù)值，有高有低，這些位壘阱不是單一的數(shù)值，有高有低，這些位壘的體積平均值就是載流子的活化能。的體積平均值就是載流子的活化能。一價正離子在玻璃中的位壘一價正離子在玻璃中的位壘位置位置純凈玻璃的電導(dǎo)率一般較小，但含有少純凈玻璃的電導(dǎo)率一般較小，但含有少量的堿金屬離子可使電導(dǎo)大大地增加。量的堿金屬離子可使電導(dǎo)大大地增加。在玻璃體中，電導(dǎo)率在玻璃體中，電導(dǎo)率與堿金屬含量間與堿

14、金屬含量間的關(guān)系，到一定限度時，電導(dǎo)率指數(shù)增的關(guān)系，到一定限度時，電導(dǎo)率指數(shù)增長。長。實際中生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)：利用雙堿效應(yīng)和壓實際中生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)：利用雙堿效應(yīng)和壓堿效應(yīng)，可以減少玻璃的電導(dǎo)率，甚至堿效應(yīng)，可以減少玻璃的電導(dǎo)率，甚至可以使玻璃電導(dǎo)率降低可以使玻璃電導(dǎo)率降低4-54-5個數(shù)量級。個數(shù)量級。當玻璃中堿金屬離子總濃度較大時當玻璃中堿金屬離子總濃度較大時( (占玻璃占玻璃組成組成25-30%)25-30%)，在堿金屬離子總濃度相同情況下，在堿金屬離子總濃度相同情況下，含兩種堿金屬離子比含一種堿金屬離子的玻璃含兩種堿金屬離子比含一種堿金屬離子的玻璃電導(dǎo)率要小；當兩種堿金屬濃度比例適當時，電導(dǎo)率要小

15、；當兩種堿金屬濃度比例適當時，電導(dǎo)可降到最低。電導(dǎo)可降到最低。硼鉀鋰玻璃電導(dǎo)率與鋰、鉀含量的關(guān)系硼鉀鋰玻璃電導(dǎo)率與鋰、鉀含量的關(guān)系含堿玻璃中加入二價金屬氧化物，含堿玻璃中加入二價金屬氧化物，可使玻璃電導(dǎo)率降低。相應(yīng)的陽離可使玻璃電導(dǎo)率降低。相應(yīng)的陽離子半徑越大，這種效應(yīng)越強。子半徑越大，這種效應(yīng)越強。因為二價離子與玻璃體中氧離子結(jié)因為二價離子與玻璃體中氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以致堵住了離子的遷移通道，使堿以致堵住了離子的遷移通道，使堿金屬離子移動困難，從而減小了玻金屬離子移動困難，從而減小了玻璃的電導(dǎo)率降低。璃的電導(dǎo)率降低。含堿玻璃中加入二價金屬

16、氧化物，可使玻璃含堿玻璃中加入二價金屬氧化物，可使玻璃電導(dǎo)率降低。相應(yīng)的陽離子半徑越大，這種效應(yīng)電導(dǎo)率降低。相應(yīng)的陽離子半徑越大，這種效應(yīng)越強。越強。q多晶多相固體材料的電導(dǎo)多晶多相固體材料的電導(dǎo)q 次級現(xiàn)象次級現(xiàn)象q 無機材料電導(dǎo)的混合法則無機材料電導(dǎo)的混合法則1 、 微 晶 相 、 玻 璃 相 電 導(dǎo) 較 高 玻璃相結(jié)構(gòu)松馳，微晶相缺陷較多，活化能較低。多晶多相固體材料的電導(dǎo)多晶多相固體材料的電導(dǎo)多晶多相固體材料的電導(dǎo)多晶多相固體材料的電導(dǎo)、含玻璃相的陶瓷的電導(dǎo)很大程度上決定于玻璃相。含有大量堿性氧化物的無定形相的陶瓷材料的電導(dǎo)率較高。3、陶瓷材料的導(dǎo)電機構(gòu)有電子電導(dǎo)又有離子電導(dǎo)。4、晶界

17、對多晶材料的電導(dǎo)影響與離子運動的自由程和電子運動的自由程有關(guān)。5、對于少量氣孔分散相，氣孔率增加，陶瓷材料的電導(dǎo)率減少。6、無機材料的電導(dǎo)，在很大程度上取決于電子電導(dǎo)。空間電荷效應(yīng)空間電荷效應(yīng)電流吸收現(xiàn)象電流吸收現(xiàn)象 吸收現(xiàn)象的原因，外電場作用下，電介質(zhì)(如瓷體)內(nèi)自由電荷重新分布的結(jié)果。 吸收電流是指隨時間變化的這部分電流。 漏電流是指最后恒定的電流。v空間電荷的形成主要是因為陶瓷內(nèi)部具有微觀不均勻結(jié)構(gòu)，因而各部分的電導(dǎo)率不一樣。v電流吸收現(xiàn)象主要發(fā)生在離子電導(dǎo)為主的陶瓷材料中。電化學老化電化學老化指在電場作用下，由化學變化引起指在電場作用下，由化學變化引起材料電性能不可逆的惡化。材料電性能

18、不可逆的惡化。其主要原因其主要原因是離子在電極附近發(fā)生的氧化還原是離子在電極附近發(fā)生的氧化還原過程。有如下幾種情況：過程。有如下幾種情況： 陽離子陽離子- -陽離子電導(dǎo)陽離子電導(dǎo) 陰離子陰離子- -陽離子電導(dǎo)陽離子電導(dǎo) 電子電子- -陽離子電導(dǎo)陽離子電導(dǎo) 電子電子- -陰離子電導(dǎo)陰離子電導(dǎo)陶瓷材料則由晶粒、晶界、氣孔等所組成陶瓷材料則由晶粒、晶界、氣孔等所組成的復(fù)雜的顯微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜的顯微結(jié)構(gòu), ,總電導(dǎo)率為：總電導(dǎo)率為：nBBnGGnTVV晶粒電導(dǎo)率晶粒電導(dǎo)率G B晶界的電導(dǎo)率晶界的電導(dǎo)率V 為體積分數(shù)為體積分數(shù)n= -1n= -1相當于串聯(lián)狀態(tài)相當于串聯(lián)狀態(tài); ;n= 1n= 1相當于并聯(lián)狀

19、態(tài)相當于并聯(lián)狀態(tài); ; n n0 0相當于混合狀態(tài)相當于混合狀態(tài)層狀與復(fù)合材料層狀與復(fù)合材料陶瓷電導(dǎo)的對數(shù)混合法則陶瓷電導(dǎo)的對數(shù)混合法則BBGGTVV lnlnln 各種模式的各種模式的t t/G G和和V VB B的關(guān)系的關(guān)系晶界效應(yīng)晶界效應(yīng) 表面效應(yīng)表面效應(yīng) 西貝克效應(yīng)西貝克效應(yīng) 半導(dǎo)體的應(yīng)用半導(dǎo)體的應(yīng)用 壓敏效應(yīng)指對電壓變化敏感的非線壓敏效應(yīng)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，電性電阻效應(yīng)，即在某一臨界電壓以下，電阻值非常高，幾乎無電流通過；超過該臨阻值非常高，幾乎無電流通過；超過該臨界電壓界電壓( (敏壓電壓敏壓電壓) )，電阻迅速降低，讓電，電阻迅速降低，讓電流通

20、過。流通過。壓敏效應(yīng)壓敏效應(yīng)(Varistor effect)壓敏效應(yīng)壓敏效應(yīng)(Varistor effect)CVI I I為壓敏電阻器流過的電流，為壓敏電阻器流過的電流，V V為施加電壓，為施加電壓， 為非線性指數(shù)，為非線性指數(shù)，C C為相當于電阻值的量。為相當于電阻值的量。壓敏電阻器的電壓壓敏電阻器的電壓- -電流電流 性近似表示：性近似表示：PTC現(xiàn)象現(xiàn)象指價控型指價控型BaTiO3半導(dǎo)體最大特征是在材料半導(dǎo)體最大特征是在材料的正方相的正方相 立方相相變點（居里點）附近，立方相相變點（居里點）附近，電阻率隨溫度上升發(fā)生突變，增大了電阻率隨溫度上升發(fā)生突變，增大了34個數(shù)個數(shù)量級的現(xiàn)象。

21、量級的現(xiàn)象。晶界效應(yīng)PCT電阻率電阻率-溫度特性溫度特性PTC現(xiàn)象現(xiàn)象晶界效應(yīng)Heywang認為：認為： n型半導(dǎo)體陶瓷晶界具有表面能級，它可以型半導(dǎo)體陶瓷晶界具有表面能級，它可以捕獲載流子，從而在兩邊晶粒內(nèi)產(chǎn)生一層電子耗捕獲載流子，從而在兩邊晶粒內(nèi)產(chǎn)生一層電子耗損層，形成肖特基勢壘，其高度與介電常數(shù)有關(guān)。損層，形成肖特基勢壘，其高度與介電常數(shù)有關(guān)。在鐵電相范圍內(nèi)，介電系數(shù)大，勢壘低。當溫度在鐵電相范圍內(nèi)，介電系數(shù)大，勢壘低。當溫度超過居里超過居里-外斯定律，材料的介電系數(shù)急劇減少，外斯定律，材料的介電系數(shù)急劇減少，勢壘增高，從而引起勢壘增高，從而引起電阻率電阻率的急劇增加。的急劇增加。晶界效應(yīng)1、半導(dǎo)體表面空間電荷層的形成、半導(dǎo)體表面空間電荷層的形成半導(dǎo)體表面存在著各種表面能級，這些表半導(dǎo)體表面存在著各種表面能級，這些表面能級將作為施主或受主和半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)面能級將作為施主或受主