電介質(zhì)及其介電特性電導(dǎo)

1、電介質(zhì)及其介電特性電導(dǎo)1第一頁(yè)，共69頁(yè)。1.概述共性問(wèn)題概述共性問(wèn)題現(xiàn)象：在外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中載流子沿電場(chǎng)方向遷移形成泄漏電流的物理現(xiàn)象電介質(zhì)的電導(dǎo)。表征：用電阻率或電導(dǎo)率分別表示單位長(zhǎng)度和單位截面積材料的電阻和電導(dǎo)。是表征材料導(dǎo)電性的宏觀參數(shù)，與材料的幾何尺寸無(wú)關(guān)。單位：.m 或 S/m 電導(dǎo)率：通過(guò)材料的電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度之比。在線性電介質(zhì)中為常數(shù)。2第二頁(yè)，共69頁(yè)。1.1 一般關(guān)系式 如果介質(zhì)中的載流子(自由電荷)密度n0、 載流子在電場(chǎng)作用下平均遷移速度、和載流子的電荷q 設(shè)電介質(zhì)在均勻電場(chǎng)E作用下，在t時(shí)間之內(nèi)通過(guò)截面積S的總電荷量 l= t 為載流子在t時(shí)間之內(nèi)沿電場(chǎng)方向遷

2、移的距離則電流密度： 概述共性問(wèn)題3第三頁(yè)，共69頁(yè)。 在外電場(chǎng)作用下，載流子的宏觀平均遷移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度之間成比例關(guān)系： 此式是表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的宏觀參數(shù)與其微觀參數(shù)n0、q 的一般關(guān)系式，也是研究各種物質(zhì)電導(dǎo)性質(zhì)最基本的普適關(guān)系式。概述共性問(wèn)題式中為載流子的遷移率，表示載流子在單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下所獲得的宏觀平均速度，單位為（m2/Vs）代入上式可得介質(zhì)電導(dǎo)率 4第四頁(yè)，共69頁(yè)。1.2 電導(dǎo)的分類(lèi) 概述共性問(wèn)題電介質(zhì)電導(dǎo)電子電導(dǎo)離子電導(dǎo)膠粒電導(dǎo)按導(dǎo)電載流子種類(lèi)分：電導(dǎo)率范圍/（S/m）材料絕緣體10-1610-8聚乙烯、各種高分子聚合物、聚氯乙烯、云母、變壓器油、堿玻璃半導(dǎo)體10-810

3、-2有機(jī)半導(dǎo)體、蒽、CuO 、Si、 Ge導(dǎo)體10-2108Ni、Cu、Ag根據(jù)常溫常壓下電導(dǎo)率的大小分：5第五頁(yè)，共69頁(yè)。概述共性問(wèn)題氣態(tài)液態(tài)固態(tài)金屬絕緣體導(dǎo)體導(dǎo)體鍺絕緣體導(dǎo)體導(dǎo)體（常溫）絕緣體（0 K）碳導(dǎo)體(非晶和片狀晶態(tài))絕緣體(正四面體)NaCl絕緣（常壓）導(dǎo)體（極高壓力）物質(zhì)的導(dǎo)電性與其凝聚狀態(tài)及組成結(jié)構(gòu)有關(guān)：電介質(zhì)電導(dǎo)固體電導(dǎo)液體電導(dǎo)氣體電導(dǎo)6第六頁(yè)，共69頁(yè)。 電子（空穴）載流子是通過(guò)熱激發(fā)、光激發(fā)、電極注入等方式產(chǎn)生。從能帶理論來(lái)看，電介質(zhì)的禁帶寬度較大，常溫下熱激發(fā)載流子很少，在光照或強(qiáng)場(chǎng)電極注入的情況下才有明顯的電子電導(dǎo)。 弱電場(chǎng)作用下，固體和液體電介質(zhì)中的載流子主要是

4、離子，離子的來(lái)源可能是組成介質(zhì)的分子離解或是雜質(zhì)的離解，前者為本征離子后者為雜質(zhì)離子。 參與介質(zhì)導(dǎo)電的載流子并非介質(zhì)中的全部離子，而是與主體結(jié)構(gòu)聯(lián)系較弱或易于遷移的部分活化離子。這些活化離子的產(chǎn)生和在電場(chǎng)作用下的定向遷移都與質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，所以也有“熱離子電導(dǎo)”之稱。概述共性問(wèn)題7第七頁(yè)，共69頁(yè)。離子晶體的離子電導(dǎo)離子晶體是正負(fù)離子以離子鍵相結(jié)合，并有周期性。離子晶體中絕大部分離子都處于晶格點(diǎn)陣的格點(diǎn)上作熱運(yùn)動(dòng)，并不直接參與導(dǎo)電。參與導(dǎo)電的載流子，是由于熱激發(fā)從格點(diǎn)上躍遷到點(diǎn)陣間的填隙離子和點(diǎn)陣上失去了離子的點(diǎn)陣空位，從而構(gòu)成離子電導(dǎo)和離子空位電導(dǎo)。討論介質(zhì)電導(dǎo)主要是研究載流子的產(chǎn)生、濃度

5、和遷移。2.離子晶體的離子電導(dǎo) 8第八頁(yè)，共69頁(yè)。2. 1 晶體中缺陷的產(chǎn)生 離子晶體中載流子的形成與晶體中缺陷的產(chǎn)生有關(guān)，晶體中的缺陷主要有兩類(lèi)： 弗蘭凱爾（Frenkel）缺陷： 離子晶體中如含有半徑較小的離子，由于熱激發(fā)這些離子有可能從晶格點(diǎn)位置躍遷到點(diǎn)陣間形成填隙離子，同時(shí)在點(diǎn)陣上產(chǎn)生一個(gè)空位。這種填隙離子和離子空位，同時(shí)成對(duì)產(chǎn)生的缺陷。離子晶體的離子電導(dǎo)9第九頁(yè)，共69頁(yè)。肖特基（Shottky）缺陷： 離子半徑較大，難以進(jìn)入點(diǎn)陣間形成穩(wěn)定的填隙離子；離子將達(dá)到晶體的表面構(gòu)成新的晶格點(diǎn)陣，晶格內(nèi)只留下空位而無(wú)填隙離子，形成單一的離子空位缺陷。 由于熱運(yùn)動(dòng)，離子晶體中的缺陷不斷的產(chǎn)生

6、又不斷地復(fù)合消失。在一定溫度下，缺陷的產(chǎn)生和復(fù)合處于動(dòng)態(tài)平衡，缺陷的濃度保持一恒定值。根據(jù)熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)，可以計(jì)算出在一定溫度下平衡狀態(tài)離子缺陷的濃度值離子晶體中的載流子濃度。離子晶體的離子電導(dǎo)10第十頁(yè)，共69頁(yè)。 根據(jù)熱力學(xué)定律，體系自由能F與體系內(nèi)能 U和熵S有：2. 2 晶體中的缺陷濃度離子晶體的離子電導(dǎo) 系統(tǒng)的熵S與系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)W遵從 ：式中k為玻爾茲曼常數(shù)。 系統(tǒng)的內(nèi)能U及微觀狀態(tài)數(shù)W均與缺陷濃度n有關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下應(yīng)有 由此就可確定離子晶體中的缺陷濃度。 11第十一頁(yè)，共69頁(yè)。此時(shí)微觀狀態(tài)數(shù)：設(shè)：晶體點(diǎn)陣上格點(diǎn)濃度為N； 晶體點(diǎn)陣間位置的濃度為N； 晶體點(diǎn)陣上的離

7、子空位濃度為nf； 晶體點(diǎn)陣間的填隙離子濃度nf ； uf 為晶體點(diǎn)陣上離子到達(dá)點(diǎn)陣間形成填隙離子和空位所需的能量。離子晶體的離子電導(dǎo)弗蘭凱爾缺陷濃度：12第十二頁(yè)，共69頁(yè)。如離開(kāi)點(diǎn)陣上格點(diǎn)的離子都躍遷到點(diǎn)陣間成為填隙離子，則 nf = nf ， 有 根據(jù)平衡態(tài)條件可求得弗蘭凱爾缺陷濃度離子晶體的離子電導(dǎo) 通常13第十三頁(yè)，共69頁(yè)。離子晶體的離子電導(dǎo)肖特基缺陷濃度：設(shè)：晶體點(diǎn)陣上的離子空位濃度為ns； 晶體點(diǎn)陣上的離子濃度N ； us 為點(diǎn)陣上離子離開(kāi)格點(diǎn)到達(dá)晶體表面所需的能量。此時(shí)晶體的微觀狀態(tài)數(shù)： 則 根據(jù)平衡態(tài)條件可求得肖特基缺陷濃度： 通常 N ns ，則有14第十四頁(yè)，共69頁(yè)。

8、本征載流子濃度，由晶體結(jié)構(gòu)的緊密程度和離子半徑的大小決定。導(dǎo)電離子半徑大，晶體結(jié)構(gòu)緊密，則形成肖特基缺陷，由離子空位產(chǎn)生電導(dǎo)；反之則形成弗蘭凱爾缺陷，由點(diǎn)陣空間的填隙離子及點(diǎn)陣上的離子空位形成離子電導(dǎo)和空位電導(dǎo)。載流子在電場(chǎng)作用下的遷移具有熱躍遷的性質(zhì)。如由于熱運(yùn)動(dòng)離開(kāi)格點(diǎn)進(jìn)入點(diǎn)陣間的填隙離子，可以稱為活化離子?；罨x子也非完全自由，仍被周?chē)徑x子所束縛，而處在一最低勢(shì)能位置作熱運(yùn)動(dòng)。當(dāng)離子的熱振動(dòng)能超過(guò)周?chē)R近分子對(duì)它的束縛勢(shì)壘時(shí)，離子才能離開(kāi)其原先的位置而遷移。由于熱振動(dòng)而引起的離子遷移，在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)也存在。電場(chǎng)則改變了離子在不同方向的遷移數(shù)，從而產(chǎn)生了宏觀的定向遷移。離子晶體的離子

9、電導(dǎo)15第十五頁(yè)，共69頁(yè)。 假設(shè)離子沿三個(gè)軸線互相垂直的六個(gè)方向躍遷的幾率相等。因此活化離子的濃度為n0時(shí)，在每一個(gè)方向可躍遷的活化離子濃度應(yīng)為n0/6。離子熱振動(dòng)的能量服從玻爾茲曼分布，熱振動(dòng)的頻率為，因此可以得到，沿某一規(guī)定方向，每秒鐘內(nèi)克服躍遷勢(shì)壘u0，躍遷到新的平衡位置的活化離子濃度n為： 2. 3 離子的遷移離子晶體的離子電導(dǎo)16第十六頁(yè)，共69頁(yè)。 設(shè)活化的填隙離子帶正電q，電場(chǎng)沿x正方向。由于電場(chǎng)的作用，離子沿x方向由A向B遷移所需克服的勢(shì)壘將降低u，而由B向A遷移所需克服的勢(shì)壘則上升u。每秒沿X方向產(chǎn)生的過(guò)剩遷移離子數(shù)：離子晶體的離子電導(dǎo)17第十七頁(yè)，共69頁(yè)。弱電場(chǎng)下， 則

10、有：若離子每次躍遷的距離為，則弱電場(chǎng)下活化離子沿電場(chǎng)方向的平均漂移速度和遷移率離子晶體的離子電導(dǎo)18第十八頁(yè)，共69頁(yè)。離子晶體的離子電導(dǎo)弱電場(chǎng)作用下，填隙離子所引起的離子電導(dǎo)率： 強(qiáng)電場(chǎng)下， 弱電場(chǎng)作用下，離子空位所引起的離子電導(dǎo)率： 19第十九頁(yè)，共69頁(yè)。離子晶體的離子電導(dǎo)電導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律可寫(xiě)成簡(jiǎn)化形式： 介質(zhì)中同時(shí)具有兩種導(dǎo)電機(jī)制時(shí)，如本征離子電導(dǎo)和雜質(zhì)離子電導(dǎo)，則電導(dǎo)率隨溫度的變化： 如式中1表示本征離子電導(dǎo)，2表示雜質(zhì)離子（或弱束縛離子）電導(dǎo)，則A1A2, B1B2, u1u2 。， 雜質(zhì)對(duì)KCl晶體導(dǎo)電率的影響 1、2、3、4，分別含SrCl2（19、6.1、1.9、0）1

11、0-420第二十頁(yè)，共69頁(yè)。離子晶體的離子電導(dǎo) 根據(jù)多種堿鹵晶體的電導(dǎo)率與溫度關(guān)系，求得離子電導(dǎo)總勢(shì)壘u表明：堿鹵晶體中的負(fù)離子半徑按F、Cl、Br、I次序增大，離子電導(dǎo)勢(shì)壘顯著下降（右圖）。熔點(diǎn)亦降低，這說(shuō)明晶體結(jié)構(gòu)的松弛，引起離子活化能及躍遷勢(shì)壘的降低，故電導(dǎo)總勢(shì)壘下降。21第二十一頁(yè)，共69頁(yè)。 石英、高分子有機(jī)介質(zhì)、液體介質(zhì)等非離子性介質(zhì)，它們主要由共價(jià)鍵分子組成。 這類(lèi)介質(zhì)在弱電場(chǎng)下的電導(dǎo)主要是由雜質(zhì)離子引起，但也會(huì)存在電子及膠體產(chǎn)生的電導(dǎo)。一般電導(dǎo)率很低。 其電阻率隨溫度的變化也都遵從熱離子電導(dǎo)相似的規(guī)律：非離子性介質(zhì)的離子電導(dǎo)3.非離子性介質(zhì)的離子電導(dǎo) 1-電工瓷 2-高頻瓷

12、3-超高頻瓷 4-剛玉瓷 22第二十二頁(yè)，共69頁(yè)。 根據(jù)液體介質(zhì)中的離子來(lái)源，液體介質(zhì)離子電導(dǎo)可分為本征離子電導(dǎo)和雜質(zhì)離子電導(dǎo)。 本征離子電導(dǎo)是介質(zhì)本身的基本分子熱離解而產(chǎn)生的離子所形成，在強(qiáng)極性液體介質(zhì)中（如有機(jī)酸、醇、酯類(lèi)等）才明顯存在。 雜質(zhì)離子是外來(lái)雜質(zhì)分子（如水、酸、有機(jī)鹽等）或液體的基本分子老化的產(chǎn)物（如有機(jī)酸、醇、酯、酚等）離解而產(chǎn)生的離子，往往是液體介質(zhì)中離子的主要來(lái)源。液體介質(zhì)的離子電導(dǎo) 非離子性介質(zhì)的離子電導(dǎo)（1）離子的來(lái)源 23第二十三頁(yè)，共69頁(yè)。 極性液體分子和雜質(zhì)分子在液體中，僅有極少的一部分離解成為離子參與導(dǎo)電。非離子性介質(zhì)的離子電導(dǎo)分子（AB）離解形成正負(fù)離子

13、（A+、B-）：分子離解形成正負(fù)離子，必須越過(guò)勢(shì)壘ua，即分子離解的活化能。如果分子的濃度為N0，AB原子團(tuán)之間的相對(duì)熱振動(dòng)頻率為0，且分子熱振動(dòng)能量分布服從波爾茲曼分布，則單位體積內(nèi)，每秒鐘離解的分子數(shù)N為：uuar0 r1u0其中K0 表示每秒鐘能發(fā)生離解的有效熱振動(dòng)次數(shù)：分子的離解速率N與分子濃度成正比，并與溫度呈指數(shù)關(guān)系增加。24第二十四頁(yè)，共69頁(yè)。復(fù)合速率Z為： 非離子性介質(zhì)的離子電導(dǎo)正負(fù)離子（A+、B-）碰撞復(fù)合成分子（AB）：離子的復(fù)合系數(shù)在動(dòng)態(tài)平衡條件下，N = Z ，由此可得離子濃度：分子的離解度：n0和 均隨溫度的增高呈指數(shù)關(guān)系而增加。25第二十五頁(yè)，共69頁(yè)。離子的遷移

14、率與固體中離子熱躍遷相似，在弱電場(chǎng)下：非離子性介質(zhì)的離子電導(dǎo)（2）離子的遷移及電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系 得到離子電導(dǎo)率與溫度及物質(zhì)特性參數(shù)的關(guān)系： 當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，液體介質(zhì)的離子電導(dǎo)率為一與電場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)的常數(shù)，其導(dǎo)電規(guī)律遵從歐姆定律。在考慮溫度變化時(shí)，可忽略系數(shù)項(xiàng)隨溫度的變化，則：26第二十六頁(yè)，共69頁(yè)。液體介質(zhì)的電泳電導(dǎo)與華爾屯定律 在液體介質(zhì)中，往往存在一些不同組成的膠粒，如變壓器油中的雜質(zhì)，水分進(jìn)入某些液體介質(zhì)也可能形成乳化狀態(tài)的膠體溶液。 這些膠粒均帶有一定的電荷。當(dāng)膠粒的介電常數(shù)大于液體的介電常數(shù)時(shí)，膠粒往往帶正電；反之，膠粒帶負(fù)電。4.液體介質(zhì)的電泳電導(dǎo)與華爾屯定律 華

15、爾屯定律 定律表明：液體介質(zhì)的電泳電導(dǎo)率和粘度雖然都與溫度有關(guān)，但電泳電導(dǎo)率與粘度的乘積為一與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)。華爾屯定律對(duì)本征離子電導(dǎo)近似符合，不適用雜質(zhì)離子電導(dǎo)，這也是區(qū)別膠體電導(dǎo)和雜質(zhì)離子電導(dǎo)機(jī)理的方法之一。27第二十七頁(yè)，共69頁(yè)。電介質(zhì)的強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)1. 材料的電接觸特性2. 載流子的增殖過(guò)程 3. 載流子的輸運(yùn)過(guò)程4. 強(qiáng)場(chǎng)下的電流特性 28第二十八頁(yè)，共69頁(yè)。強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)的基本特征： 電介質(zhì)的強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo) 載流子主要是電子 電導(dǎo)非歐姆性 具有非線性伏安特性29第二十九頁(yè)，共69頁(yè)。物 理 性 質(zhì)典型的半導(dǎo)體如硅 、鍺等典型的絕 緣 體 如NaCl 、聚合物等禁 帶 Eg(eV)0.81.25

16、.0本征載流子濃度(m-3)T=300 K 2.81012T=300K T=500 K10 -18 1載流子遷移率(m2V-1s-1)10 -4 1 10-8本征電導(dǎo)率(m)-14.510-50.4510-45 10-27電離雜質(zhì)濃度 (m-3) 10181024大多在室溫下電離210-9 105雜質(zhì)電導(dǎo)率 (m-1 )1.610-51.610510-35 210-22半導(dǎo)體與絕緣體的電性能比較 電介質(zhì)的強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)30第三十頁(yè)，共69頁(yè)。1.材料的電接觸特性表面與界面問(wèn)題電接觸：金屬與非金屬介質(zhì)/半導(dǎo)體的接觸接觸界面的作用：載流子容易注入 阻擋載流子注入如何描述界面特性？材料的電接觸特性31第三

17、十一頁(yè)，共69頁(yè)。（1）經(jīng)典電子論 假設(shè)金屬中自由電子為勢(shì)阱中的自由質(zhì)點(diǎn)，E0表示電子擺脫金屬束縛必須做的功。1.1 功函數(shù) 在熱電子發(fā)射現(xiàn)象研究中發(fā)現(xiàn)，發(fā)射電流隨溫度基本上按指數(shù)規(guī)律變化：功函數(shù)材料的電接觸特性32第三十二頁(yè)，共69頁(yè)。 即功函數(shù) =E0 為勢(shì)阱深度。則電子服從經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分布：發(fā)射電流密度：材料的電接觸特性比較33第三十三頁(yè)，共69頁(yè)。由于熱發(fā)射電子的能量m2/2 必須高于E0，亦有（2）量子理論 假設(shè)E0表示導(dǎo)帶底部電子離開(kāi)金屬必須做的功。利用費(fèi)米分布函數(shù)得到：材料的電接觸特性34第三十四頁(yè)，共69頁(yè)。具有與經(jīng)典電子論相同的溫度依賴關(guān)系。但對(duì)功函數(shù)給出了不同于經(jīng)典理論的解釋?zhuān)?/p>

18、 功函數(shù)的大小直接反映費(fèi)米能級(jí)的高低。 所以：同樣可得發(fā)射電流密度：材料的電接觸特性35第三十五頁(yè)，共69頁(yè)。金屬中： m=E0-EFm， E0為勢(shì)阱深度， 取決于材料的結(jié)構(gòu)和表面條件非金屬中：=X+（Ec-EF） EF費(fèi)米能級(jí)，位于禁帶中，是溫度、雜質(zhì)濃度和外界壓力的函數(shù)。 EC為導(dǎo)帶能級(jí) X為電子親和勢(shì)。表示一個(gè)電子從表面上導(dǎo)帶底部移至真空所需能量。材料的電接觸特性36第三十六頁(yè)，共69頁(yè)。1.2 接觸電勢(shì) 兩種不同的材料A、B相接觸，就會(huì)帶電并產(chǎn)生不同的電勢(shì)VA、VB，二者之差稱為接觸電勢(shì)。以金屬為例：A、B不同，反映費(fèi)米能級(jí)EF的高低不同。EF 代表電子的化學(xué)勢(shì) 當(dāng)A、B接觸交換電子時(shí)

19、，發(fā)生從化學(xué)勢(shì)高到化學(xué)低的電子流動(dòng)；電子由A流到B, 使A表面帶正電，B表面帶負(fù)電，從而產(chǎn)生靜電勢(shì)。 VA0, VB0材料的電接觸特性37第三十七頁(yè)，共69頁(yè)。使A、B中的電子產(chǎn)生附加勢(shì)能 -eVA 0 從能級(jí)圖看，表現(xiàn)為A圖下降-eVA，B圖上升eVB 使A和B的費(fèi)米能級(jí)相接近以至拉平兩邊的電子化學(xué)勢(shì)變?yōu)橄嗟?。電子將停止凈流?dòng)，系統(tǒng)達(dá)到平衡。 材料的電接觸特性38第三十八頁(yè)，共69頁(yè)。此時(shí)有： 通過(guò)接觸電勢(shì)差來(lái)補(bǔ)償A、B之間費(fèi)米能級(jí)的差別，從而使電子達(dá)到統(tǒng)計(jì)平衡。 接觸電勢(shì)差：材料的電接觸特性39第三十九頁(yè)，共69頁(yè)。1.3 電接觸類(lèi)型 介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生正空間電荷，即產(chǎn)生一個(gè)從接觸界面擴(kuò)展至介質(zhì)體

20、內(nèi)部的耗盡區(qū)。 如：金屬與半導(dǎo)體的接觸（1）阻擋接觸材料的電接觸特性40第四十頁(yè)，共69頁(yè)。（2）歐姆接觸 在接觸處載流子密度比介質(zhì)體內(nèi)高很多。 如：金屬與絕緣體的接觸 產(chǎn)生歐姆接觸的方法： 降低有效熱電子發(fā)射的勢(shì)壘。 減薄勢(shì)壘 產(chǎn)生隧道效應(yīng)。材料的電接觸特性41第四十一頁(yè)，共69頁(yè)。 固體表面實(shí)際上是固體與真空的界面，也會(huì)發(fā)生表面能帶的彎曲。由于固體晶格在其表面突然終斷，使周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞，產(chǎn)生近表面處能帶結(jié)構(gòu)的畸變，以使表面處費(fèi)米能級(jí)與體內(nèi)保持一致。 （3）中性接觸接觸面兩側(cè)區(qū)域?yàn)殡娭行?，不存在空間電荷。接觸處載流子濃度與介質(zhì)體內(nèi)的濃度相等的接觸，如M-S-M接觸。（4）表面態(tài)材料的電接

21、觸特性42第四十二頁(yè)，共69頁(yè)。1.4 外電場(chǎng)對(duì)接觸勢(shì)壘的影響 外加電壓作用對(duì)界面能帶彎曲的影響（V4V3V2V10） 材料的電接觸特性43第四十三頁(yè)，共69頁(yè)。2. 載流子的增殖過(guò)程（n0） 強(qiáng)場(chǎng)下的電導(dǎo)主要是電子電導(dǎo)。 在禁帶寬度較小的介質(zhì)和薄層介質(zhì)中明顯存在。 介質(zhì)中的導(dǎo)電電子來(lái)自電極和介質(zhì)體內(nèi)的熱電子發(fā)射、場(chǎng)致冷發(fā)射及碰撞電離。載流子的增殖過(guò)程44第四十四頁(yè)，共69頁(yè)。載流子的增殖過(guò)程45第四十五頁(yè)，共69頁(yè)。2.1 電極效應(yīng)電接觸接觸電勢(shì)強(qiáng)場(chǎng)下能帶發(fā)生變化易于電子發(fā)射電極發(fā)射電子、空穴離開(kāi)電極進(jìn)入到介質(zhì)中高溫下， 電子獲得足夠動(dòng)能離開(kāi)電極，產(chǎn)生熱電子發(fā)射電流： 載流子的增殖過(guò)程46第

22、四十六頁(yè)，共69頁(yè)。（1）場(chǎng)助熱電子發(fā)射肖特基效應(yīng) 由于外電場(chǎng)的存在而使有效功函數(shù)降低的效應(yīng)。 高場(chǎng)強(qiáng)下， 電子被電場(chǎng)拉出金屬，產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射電流。E=0 時(shí):瑞卡得遜 德西門(mén)公式電極發(fā)射電子、孔穴離開(kāi)電極場(chǎng)助發(fā)射介于熱電子發(fā)射和場(chǎng)致發(fā)射之間載流子的增殖過(guò)程47第四十七頁(yè)，共69頁(yè)。 金屬與真空的邊界 可用矩形勢(shì)壘表示。 金屬與介質(zhì)的邊界 電子溢出金屬的勢(shì)壘發(fā)生變化，為電子與金屬表面感應(yīng)正電荷之間靜電引力形成勢(shì)壘。 載流子的增殖過(guò)程48第四十八頁(yè)，共69頁(yè)。 陰極發(fā)射 設(shè)電子在金屬外無(wú)限遠(yuǎn)處的勢(shì)能為零，在x負(fù)方向加一電場(chǎng)，克服電像力的阻礙, 使電子容易脫離金屬表面，則合成勢(shì)壘下降為： 用鏡像法，

23、可求得在金屬表面數(shù)個(gè)原子層外，載流子的增殖過(guò)程49第四十九頁(yè)，共69頁(yè)。亦為 E 0 時(shí)熱電子發(fā)射的必要條件。求極值：因此，外電場(chǎng)使熱電子所需克服的勢(shì)壘降低：s肖特基系數(shù)若總勢(shì)壘則肖特基效應(yīng)的必要條件：載流子的增殖過(guò)程50第五十頁(yè)，共69頁(yè)。可得出場(chǎng)助電子發(fā)射電流密度：其中：取對(duì)數(shù)載流子的增殖過(guò)程51第五十一頁(yè)，共69頁(yè)。 場(chǎng)致發(fā)射電流是在強(qiáng)電場(chǎng)下，由量子隧道效應(yīng)形成的電流，與溫度關(guān)系不大。不同于熱電子在較高溫下出現(xiàn)，故稱冷發(fā)射電流。 （2）場(chǎng)致發(fā)射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電子增殖明顯。約為108V/m載流子的增殖過(guò)程52第五十二頁(yè)，共69頁(yè)。電極效應(yīng)：（1）陰極介質(zhì)導(dǎo)帶（2）介質(zhì)價(jià)帶陽(yáng)極 體效應(yīng)：（3）介

24、質(zhì)價(jià)帶介質(zhì)導(dǎo)帶（4）雜質(zhì)能級(jí)介質(zhì)導(dǎo)帶 強(qiáng)場(chǎng)下隧道效應(yīng)從電極進(jìn)入介質(zhì)的可能過(guò)程：載流子的增殖過(guò)程53第五十三頁(yè)，共69頁(yè)。 為與電極介質(zhì)功函數(shù)有關(guān)的常數(shù)，與溫度關(guān)系不大。在過(guò)程（1）中，透射系數(shù)：介質(zhì)中加電場(chǎng)E ，從電極進(jìn)入介質(zhì)導(dǎo)帶的隧道電流密度與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系（符勒朗得亥姆公式 ）：載流子的增殖過(guò)程54第五十四頁(yè)，共69頁(yè)。 ZnO邊界層強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)器件在強(qiáng)電場(chǎng)下的電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線載流子的增殖過(guò)程55第五十五頁(yè)，共69頁(yè)。 氣體介質(zhì)中的正離子在電場(chǎng)中加速，沖擊金屬表面，發(fā)射出帶電與不帶電的粒子。 不帶電粒子可為：正離子+電子 原子 帶電粒子為：二次電子 或負(fù)離子 （3）表面電子發(fā)射載流子的

25、增殖過(guò)程56第五十六頁(yè)，共69頁(yè)。2.2 體效應(yīng)非晶態(tài)電介質(zhì)及雜質(zhì)缺陷的存在破壞理想晶格長(zhǎng)程有序禁帶內(nèi)產(chǎn)生陷阱能級(jí)影響載流子的產(chǎn)生與消失影響介質(zhì)導(dǎo)電性介質(zhì)內(nèi)部受到庫(kù)侖電勢(shì)約束的電子，如帶正電的陷阱中心所俘獲的電子等內(nèi)肖特基效應(yīng)電場(chǎng)使介質(zhì)陷阱中心的庫(kù)侖勢(shì)壘降低，使發(fā)射載流子數(shù)迅速增加，稱為普爾弗倫凱爾效應(yīng) 載流子的增殖過(guò)程57第五十七頁(yè)，共69頁(yè)。（1）普爾弗倫凱爾效應(yīng)F 普爾弗倫凱爾系數(shù)在電場(chǎng)E存在時(shí)，載流子的增殖過(guò)程58第五十八頁(yè)，共69頁(yè)。類(lèi)似于晶體介質(zhì)中電子電導(dǎo)的分析方法，忽略沿電場(chǎng)方向的熱電子發(fā)射電流，可得 因電子間靜電力作用距離故59第五十九頁(yè)，共69頁(yè)。由此： 普爾弗倫凱爾效應(yīng)和肖

26、特基效應(yīng)具有相似的JE規(guī)律，且b=b，故很難區(qū)分。 電導(dǎo)為體限制時(shí)，觀察到普爾弗倫凱爾效應(yīng)。 電導(dǎo)為電極控制時(shí)，觀察到肖特基效應(yīng)。載流子的增殖過(guò)程60第六十頁(yè)，共69頁(yè)。 W 分子的電離能，x為自由行程 （2）電子碰撞電離效應(yīng) 自由電子獲得足夠能量后，與介質(zhì)中粒子發(fā)生碰撞，碰撞電離產(chǎn)生新電子。 一般發(fā)生在氣體介質(zhì)中。 滿足的條件： 載流子的增殖過(guò)程61第六十一頁(yè)，共69頁(yè)。3. 載流子的輸運(yùn)過(guò)程（） 單晶介質(zhì)常指金屬與半導(dǎo)體 散射電子從一個(gè)穩(wěn)態(tài)躍遷到另一個(gè)穩(wěn)態(tài) 聲子離子偏離格點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)組成晶體中的格波，格波的 能量是量子化的，格波的量子稱為聲子 。 實(shí)驗(yàn)證明：在金屬與半導(dǎo)體單晶中， 隨溫度下降而增 大，表明晶格振動(dòng)對(duì)散射起主導(dǎo)作用。而 散射是影響載流子輸運(yùn)的主要因素。3.1單晶介質(zhì)的能帶導(dǎo)電模型擴(kuò)展態(tài)遷移率載流子的輸運(yùn)過(guò)程62第六十二頁(yè)，共69頁(yè)。晶體中共有化運(yùn)動(dòng)的電子在離子產(chǎn)生的周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。 離子偏離平衡位置使周期勢(shì)場(chǎng)破壞，附加的偏離周期性勢(shì)場(chǎng)可看為微擾，使電子躍遷，產(chǎn)生散射。 載流子的輸運(yùn)過(guò)程63第六十三頁(yè)，共69頁(yè)。 特點(diǎn)：1) 平均自由程比原子間距離大得多，電子能量高。 在半導(dǎo)