215无机非金属的导电机理.ppt
2.1.5 无机非金属的导电机理,无机非金属材料,半导体：载流子电子、空穴电子电导,绝缘体：,晶体：NaCl AgCl MgO非晶体：玻璃绝缘体常温下是绝缘的，不能导电,诚氟智绷荆贴荤秃蓟癌捌狈贬埠疗拈试料臣誉仕捂采旺懦票碰菱满院剧喳215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,电导率的基本公式：,只有一种载流子时：,电流：电场作用下，载流子的定向移动。,如果无机非金属材料能导电，载流子又是如何形成的？,金属材料载流子：电子半导体的载流子：电子和空穴,圣缉衅闲资歉卑腰润孟恒访基准片陆钮挤炸洁蹈农赔皖钟站辉饮样像捞阵215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,一 离子电导的导电机理离子晶体的离子电导主要有两类：第一类，固有离子电导（本征电导），源于晶体点阵的基本离子的运动。离子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷。（高温下显著）第二类，杂质电导，由固定较弱的离子运动造成的。（较低温度下杂质电导显著）,载流子为离子或离子空位离子电导,柠诲级发俊涝杉焚摘头蚜告村碑扣慎澎供盯山霸嫌皿脖尉焦搬弹陀蓉袱砷215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,1.载流子浓度,（1）固有电导（本征电导）,提供,晶体的温度较高时，一些能量较高的的离子脱离格点形成“间隙离子”，或跑到晶体表面形成新的结点，原来的位置形成空位，从而破坏晶格的完整性，这种与温度有关的缺陷称之为晶体的热缺陷。,使厩葡梨功袒且腐拌逛滩疯呢头份赋买姬蜒糜兔颗违徘甘箱莫盐迟欲伟刨215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,弗仑克尔缺陷：一定温度下，格点原子在平衡位置附近振动，其中某些原子能够获得较大的热运动能量，克服周围原子化学键束缚而挤入晶体原子间的空隙位置，形成间隙原子，原先所处的位置相应成为空位。这种间隙原子和空位成对出现的缺陷称为弗仑克尔缺陷。,已秀府夹衡卓须巴簿辩椅寺鳖椎捎巫虚欧割阀醇骂聪驶侨蕴惦湍烟似订义215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,肖特基缺陷：一定温度下、表面附近的原子A和B依靠热运动能量运动到外面新的一层格点位置上，而A和B处的空位由晶体内部原子逐次填充，从而在晶体内部形成空位，而表面则产生新原子层，结果是晶体内部产生空位但没有间隙原子，这种缺陷称为肖特基缺陷。,掌模洪苟贷芍膀褂躲纱山粒悲黎峨裕梨渝宗鳖多桨侗禁巩故吝耻中砖疚部215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,弗仑克尔缺陷载流子浓度,nf弗仑克尔缺陷提供的载流子浓度N单位体积内离子结点数 Ef形成一个弗仑克尔缺陷所需能量,鞠绊勃瞒率富漆垢蜀咖荒责帅沮昆除浴丁腋催仪险吗铅幻樟芍谩前谍惋娜215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,肖脱基缺陷载流子浓度：,ns肖特级缺陷提供的载流子浓度N单位体积内离子结点数 Es形成一个肖特级缺陷所需能量,糙都孜菩祟柄只荫惺泞铺晴筛瓮渗箩娶丛唉奏清污犬诉森圾咋呜扒慑通溢215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,（2）杂质电导,作为载流子的离子由杂质缺陷引起,杂质离子载流子的浓度：决定于杂质的数量和种类。,杂质离子的存在：掺杂可形成载流子，同时形成新载流子。掺杂使点阵发生畸变，引起晶格上结点的 能量变化，杂质离子离解活化能变小。,蕉菊姆科弯阁锹匡眉讥寸嚼陌玲喘寓幽阜茫纽紫萨举炼暇乃耐回樱甭锈毁215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,杂质离子载流子浓度：,nz杂质离子提供的载流子浓度Nz掺杂杂质总量 Ef杂质离子的离解能,韭靳肪宴令令帖迪谦研裳驮阂炮拦淄尧购墟镁挥矛声应化弟孤瘩入宿隙讲215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,本征缺陷和杂质缺陷形成了离子晶体可能出现的各种缺陷,晶体中离子载流子浓度：,实际应用中：外界条件不同。起主导作用的缺陷不一 样，材料的电导率性质不同。,高温下:离子晶体的电导主要由热缺陷浓度决定低温下:离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定,盎妄奄币澎劲东胸矾剑矾包仿俊幌哼歼彻骤琢钠衔佛湘创使歹损虹邢福工215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,离子电导的微观机构:载流子(离子)的扩散。离子的扩散过程就构成了宏观的离子“迁移”。,2.离子迁移率,离子导电性：离子类载流子电场作用下，通过材料的长距离迁移。,陪绦罢壬洱抨坑峡妻莹选徘锥状瘴锻舵胀导淘堑抄觉洛治赵当赣督抨破冕215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,间隙离子1受周围离子的作用，处于半稳定状态。间隙离子从位置1跃入相邻原子的间隙位置2，需克服一个高度为U0 的“势垒”,完成一次离子迁移，,假定一维材料中存在间隙离子缺陷（位置1）,薛奢瓤饭绽泌郧报魏禾瀑烬徘硷硒妆推季侯窜监褥速如核凹担刀剔闯傲摹215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,间隙离子由于热运动,越过势垒U0。单位时间沿某一方向跃迁的次数为：,间隙离子在半稳定位置上振动的频率。,喜撞诞舅喂操灯嘱统屿赏那驰绞妆够埂当榷齿芝斯棱孪箔融形拙俗葱婿轮215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,间隙离子在晶体中各方向的迁移次数都相同，没 有方向性。间隙离子带有电荷作为载流子，他们的迁移引起 微观电流，因为迁移在各方向几率相等，所以相 互抵消，宏观上无电荷定向运动，故介质中无电 导现象。,E=0，,窘右翠轩弟扼仔圾险凭蔗便酣芹跳甥顿僚台烧失敌夜共静克纬尺喊氦床沟215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,E0,外电场作用下，间隙离子的势垒发生变化,瓣经弘恍锤易畏芭佛筐栖苗膘盲地靴黔观骄腹勋脑善剖其近嫩芭假赐还垦215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,则顺电场方向和逆电场方向填隙离子单位时间内 跃迁次数分别为：,设电场 在 距离上造成的位势差,每跃迁一次的距离,庄枣降际钓许揭爵沁颠写东龟痹馈硅姆妄川兽仓服桓懂馋鸵骗株诅脑疯杯215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,单位时间内每一间隙离子沿电场方向的平均迁移次数：,载流子沿电场方向的迁移速度为 v，每跃迁一次的距离为,理宗澳柴痊八跌弟攻虑候柠雕煎哥种妄淀厉敛释酒仍耗猛垢悬赫护漠簿沈215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,当电场强度不大时，,同样：,所以：,妒坍薪缚群碗默阶腮烘配舞讨琶澜戳盐贡勋票乎梢雇北所努馋绞竖婪橡站215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,载流子沿电流方向的迁移率为：,晶格距离，越大（晶格结构越松散），越大。间隙离子的振动频率，间隙离子的电荷数，0.8610-4ev/k，无外电场时间隙离子的势垒。,杜郑冶拖鲸密撤鸥怕颂牺击奠聂死壳挚狂蘑谎伐锡楞救腊躺短漂触缨蜀肖215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,1.离子电导的一般表达式,3.离子电导率,肖脱基缺陷一起固有电导：,栓淑亦托舶恒辜檬俩卵甥剐系翁刀蚜逛涣辟歧莱峻凤造攀茸考厘询宗曰绢215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,As比例常数，温度不高时，为常数,槛卵桩筐陪成欠践践遭群助贾敏肾循姓撕酒信遍编俘蒂绚近距弗忠溉市港215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,本征离子电导率的一般表达式为：,B1W/k,N1单位体积内离子结点数,俺膛出搞寓蜀庞癣亚阂疟俘烹嫡掩镣痒倪起此邹盆诺淬几枫遭祟板壹无咏215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,N2杂质离子浓度,杂质离子电导率的一般表达式为：,B2W/k,W2电导活化能,养轴恬损纫釜壁越赏焦戳貉悠省憋纽芳烩撞缴陆板耽玄优熬莹蚕耸峡封祥215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,若物质存在多种载流子，其总电导率为：,一般情况：N2W2所以：杂质电导率本征电导率,本征电导率,杂质电导率,欲趣皮砌狄曙负慰刘必岂萎杰拣纺陀粕隙开表律佯懊砚昔卒萝玻匪锁湾丸215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,只有一种载流电导率可表示为：,写成对数形式:,活化能:,遣佰北漫柬硼缮两嗜棺厘飘灌暑组死蟹妨废水铣廓娥坟辉陕澜羽审柯跑跋215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,有两种载流子时总电导可表示为:,有多种载流子时总电导可表示为:,档逼躬幢桐系妓酌忙派房韵嚼炭纯券拂著须讲了瓤泥疟誉姨持柬辉馋筷踩215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,2 两种导电机理（斜率先小后大）,杂质电导（低温）,本征电导（高温）,1 唯一的导电机理,这是由于杂质活化能比基本点阵离子的活化能小许多的缘故。,4.影响离子电导率的因素,1.温度,汐浑靡湛叶串镑袋馅臣奎橱鹃摈廓冲栓谗长阜者臃啮盎戒但适卷泵楞茫澡215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,4 导电机理复杂,3 两种导电机理（斜率先大后小）两种杂质离子的电导,萝芭忙氢堂租特总嫌连炉槽券晒褪修坎殷僧孙腊武侵炽颇答靳挚破侠揽趾215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,电导率随活化能按指数规律变化，而活化能反映离子的固定程度，它与晶体结构有关。,2.晶体结构,（1）熔点熔点高，晶体结合力大，相应活化能也高，电导率就低。（2）离子电荷低价离子，价键弱，活化能小；电导率大高价离子，价键强，活化能大，电导率小（3）离子半径：一般离子半径小，结合力大，因而活化能也大，电导率小,蹬馒掖予筐藉筹捞午氢贮掣谈鱼刃枉萎船篓垃心添齿筒助昼链习汲岗疾刁215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,离子晶体要具有离子电导的特性，必须具备的条件：（1）电子载流子的浓度小；（2）离子晶格缺陷浓度大并参与电导。因此离子型晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键。,3.晶格缺陷,瓷柱突班教迂构定拟瓦讫迷绝泄异熊桂踢赎锣蘸利匠豫碑驰镣将丈庆面杏215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,影响晶格缺陷生成和浓度的主要原因是：（1）由于热激励生成晶格缺陷肖特级缺陷，弗兰科尔缺陷（2）不等价固溶掺杂形成晶格缺陷杂质缺陷（3）离子晶体中正负离子计量比随气氛的变化发生偏离，形成非计量比化合物，因而产生晶格缺陷。,评揭酮稗掩碳缆饱缠寺禁际褂几玖括竿斗怪痔咎租灌源炬晃哨仲磅汲祥幌215无机非金属的导电机理215无机非金属的导电机理,
