第四講離子類載流子導電演示文稿

第四講離子類載流子導電演示文稿當前1頁，總共28頁。優(yōu)選第四講離子類載流子導電當前2頁，總共28頁。晶體缺陷：圖4.1晶體中的各種點缺陷1-大的置換原子；2-肖脫基空位；3-異類間隙原子；4-復合空位；5－弗蘭克爾空位；6-小的置換原子當前3頁，總共28頁。類型:弗侖克爾缺陷（Frenkeldefect）和肖特基缺陷（Schottkydefect）定義:熱缺陷亦稱為本征缺陷，是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質(zhì)點（原子或離子）。熱缺陷—點缺陷Frenkel缺陷Schottky缺陷圖4.2弗侖克爾缺陷與肖特基缺陷示意圖當前4頁，總共28頁。

弗侖克爾缺陷的填隙離子和空位的濃度相等。都可表示為：肖特基空位濃度，在離子晶體中可表示為：一般肖特基缺陷形成能比弗侖克爾缺陷形成能低許多。當前5頁，總共28頁。二.離子遷移率高度為U0的“勢壘”

某一間隙離子由于熱運動,越過位勢壘。根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律，單位時間沿某一方向躍遷的次數(shù)為：——間隙離子在半穩(wěn)定位置上振動的頻率。無外加電場——無電荷定向運動有外加電場——電荷定向運動當前6頁，總共28頁。當前7頁，總共28頁。

則順電場方向和逆電場方向填隙離子單位時間內(nèi)躍遷次數(shù)分別為：當前8頁，總共28頁。

則單位時間內(nèi)每一間隙離子沿電場方向的剩余躍遷次數(shù)為：δ－相鄰半穩(wěn)定位置間的距離每躍遷一次距離為δ，遷移速度為當前9頁，總共28頁。當電場強度不大時，同樣：當前10頁，總共28頁。遷移率:

是指載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移速度，即載流子在電場作用下運動速度的快慢的量度，運動得越快，遷移率越大；運動得慢，遷移率小。

同一種半導體材料中，載流子類型不同，遷移率不同，一般是電子的遷移率高于空穴。如室溫下，低摻雜硅材料中，電子的遷移率為1350cm2/（VS），而空穴的遷移率僅為480cm2/(VS)。當前11頁，總共28頁。遷移率主要影響到晶體管的兩個性能：一是影響半導體材料的電導率；二是影響器件的工作頻率。載流子沿電流方向的遷移率為：當前12頁，總共28頁。1.離子電導的一般表達式三.離子電導率——電導激活能，它包括缺陷形成能和遷移能。當前13頁，總共28頁。本征離子電導率的一般表達式為：雜質(zhì)離子：式中：N2——雜質(zhì)離子濃度若物質(zhì)存在多種載流子，其總電導率為：當前14頁，總共28頁。4.2離子電導與擴散離子導電是離子在電場作用下的擴散現(xiàn)象。離子擴散機構(gòu)主要有：①空位擴散；②間隙擴散；③亞晶格間隙擴散。一般間隙擴散比空位擴散需更大的能量。間隙-亞晶格擴散相對來講晶格變形小，比較容易產(chǎn)生。圖4.5離子擴散機構(gòu)示意圖(a)空位擴散(b)間隙擴散(c)亞晶格間隙擴散當前15頁，總共28頁。能斯特-愛因斯坦（Nernst-Einstein）方程電流密度：擴散通量：（用J表示）

n為載流子單位體積濃度；x為擴散方向；q為離子電荷量；D為擴散系數(shù)。當前16頁，總共28頁。

當存在電場E時，其產(chǎn)生的電流密度J2可用歐姆定律微分形式表示，即：濃度梯度熱擴散和電場同時存在時，總電流密度應為：玻耳茲曼（Boltzmann）分布，在存在電場時，濃度可表示為：當前17頁，總共28頁。n0為常數(shù)，因此，濃度梯度為：熱平衡條件下，Ji=0，因此：當前18頁，總共28頁。(4.25)式在離子電導率和離子擴散系數(shù)之間建立了聯(lián)系，稱為能斯特-愛因斯坦方程。B——離子絕對遷移率當前19頁，總共28頁。溫度↑→離子熱振動加劇→電導率(σ)↑B—與材料有關(guān)的常數(shù)A211—低溫區(qū)的雜質(zhì)導電2—高溫區(qū)的本征導電4.3離子電導的影響因素1.溫度當前20頁，總共28頁。2.離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)的影響導電激活能：

下標‘ion’代表參與導電的某種離子，A為常數(shù)，E為激活能。當前21頁，總共28頁。2.離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)的影響材料熔點高→離子間結(jié)合力大→離子活性↓→導電激活能↑→σ↓離子半徑大→離子間結(jié)合力↓→離子活性↑→σ↑離子價數(shù)↑→離子鍵力↑→離子活性↓→σ↓晶體間隙大→離子移動自由程↑→σ↑當前22頁，總共28頁。離子晶體要具有離子電導的特性，必須具備以下條件：1）電子載流子的濃度?。?）離子晶格缺陷濃度大并參與電導。因此離子型晶格缺陷的生成及其濃度大小是決定離子電導的關(guān)鍵。影響晶格缺陷生成和濃度的主要原因是：1）由于熱激勵生成晶格缺陷；2）不等價固溶摻雜形成晶格缺陷；3）離子晶體中正負離子計量比隨氣氛的變化發(fā)生偏離，形成非計量比化合物，因而產(chǎn)生晶格缺陷。3.缺陷當前23頁，總共28頁?？瘴?、間隙原子或摻雜原子（使空位產(chǎn)生）均可參與導電→σ↑

當晶體中離子擴散方向與外電場力方向一致時，離子的濃度梯度愈大，導電性愈好。濃度梯度當前24頁，總共28頁。固體電解質(zhì)——具有離子導電的固體物質(zhì)?？祀x子導體——電導率較高的固體電解質(zhì)。4.4快離子導體4.4.1快離子導體的發(fā)展歷史

1834年M.法拉第首先觀察到AgS中的離子傳輸現(xiàn)象；1914年，Tubandt和Lorenz發(fā)現(xiàn)銀的化合物在恰低于其熔點時，AgI的電導率要比熔融態(tài)的AgI的電導率高約20％；1934年，Strock系統(tǒng)研究了AgI的高溫相有異乎尋常的離子導電性，并首次提出了熔融晶格導電模型；當前25頁，總共28頁。20世紀60年代中期，發(fā)現(xiàn)了復合碘化銀和Na+離子為載流子的β-Al2O3快離子導體，其電導率可達到10-1S·cm-1;20世紀70年代，美國福特汽車公司已把Na-β

-Al2O3快離子導體制成Na-S電池，鋰快離子制成的電池用于計算機、電子表、心臟起搏器等。

目前，快離子導體制作的化學傳感器、電池等已廣泛的應用于生產(chǎn)、生活各個方面。當前26頁，總共28頁。4.4.2快離子導體的特征

圖4.6各種離子導體電導率與溫度的關(guān)系E在1~2eVE<0.5eV當前27頁，總共28頁?？祀x子導體的晶格特點: