材料的电导基本问题及离子电导PPT学习教案.pptx

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1、会计学1材料的电导基本材料的电导基本(jbn)问题及离子电导问题及离子电导第一页，共53页。本章主要讲授材料电导的概念、种类与机制。本章主要讲授材料电导的概念、种类与机制。本章的重点是电子电导与离子本章的重点是电子电导与离子(lz)(lz)电导类型、特点与导电导类型、特点与导电机理。难点是能带理论及电子电导的载流子迁移率和浓度电机理。难点是能带理论及电子电导的载流子迁移率和浓度与能带理论的关系。与能带理论的关系。第1页/共53页第二页，共53页。第二章第二章 材料材料(cilio)(cilio)的导的导电性电性 材料的导电性是指在电场作用下，材料中的带电粒子发生定向移动从而形成宏观电流的现象，

2、属于材料的电荷输运特性。材料的导电性是指在电场作用下，材料中的带电粒子发生定向移动从而形成宏观电流的现象，属于材料的电荷输运特性。根据导电性机理，根据材料导电性的高低，可将材料划分为：导体、半导体、绝缘体。另外，还有一类电阻趋于零的超导材料，它可以承载非常高密度的电流而不发热，目前虽然还没在输电中得到实际应用，在一些特殊领域中具有很独特根据导电性机理，根据材料导电性的高低，可将材料划分为：导体、半导体、绝缘体。另外，还有一类电阻趋于零的超导材料，它可以承载非常高密度的电流而不发热，目前虽然还没在输电中得到实际应用，在一些特殊领域中具有很独特(dt)的效果。的效果。了解材料的导电性规律性、微观机

3、理及其影响因素，对于控制材料的导电性使其满足各种具体的实际需求，以及对于开发新的材料是非常必要的。了解材料的导电性规律性、微观机理及其影响因素，对于控制材料的导电性使其满足各种具体的实际需求，以及对于开发新的材料是非常必要的。第2页/共53页第三页，共53页。一一.电导的宏观电导的宏观(hnggun)(hnggun)参数参数 1 1电导率和电阻率电导率和电阻率 一个长一个长L L，横截面，横截面S S的均匀导电体，的均匀导电体，两端加电压两端加电压V(V(图图5.15.1）根据欧姆定律）根据欧姆定律（1）电流密度）电流密度J定义定义:单位单位(dnwi)面积通过的电流量。单位面积通过的电流量。

4、单位(dnwi)：安：安/cm2 对于形状规则的均匀材料，各处的电流密度对于形状规则的均匀材料，各处的电流密度J是相同的。所以，是相同的。所以，总电流强度为：总电流强度为：I=SJ欧姆定律示意图2.1材料材料(cilio)的导电性概述的导电性概述各类材料各类材料(cilio)的导电性概况的导电性概况第3页/共53页第四页，共53页。第4页/共53页第五页，共53页。n n 陶瓷中的载流子陶瓷中的载流子陶瓷中的载流子陶瓷中的载流子电子电子电子电子(负电子，空穴负电子，空穴负电子，空穴负电子，空穴)、离子离子离子离子(正、负离子，空位正、负离子，空位正、负离子，空位正、负离子，空位(kn(kn w

5、i)wi)。n n 载流子为离子的电导称为离子电导，载流子载流子为离子的电导称为离子电导，载流子载流子为离子的电导称为离子电导，载流子载流子为离子的电导称为离子电导，载流子为电子的电导称为电子电导。为电子的电导称为电子电导。为电子的电导称为电子电导。为电子的电导称为电子电导。n n 有些陶瓷材料能够类似于金属材料，依靠核有些陶瓷材料能够类似于金属材料，依靠核有些陶瓷材料能够类似于金属材料，依靠核有些陶瓷材料能够类似于金属材料，依靠核外未满的次外层上的电子参与导电。表现出半导外未满的次外层上的电子参与导电。表现出半导外未满的次外层上的电子参与导电。表现出半导外未满的次外层上的电子参与导电。表现出

6、半导体特性的陶瓷材料，主要依靠价带空穴和导带电体特性的陶瓷材料，主要依靠价带空穴和导带电体特性的陶瓷材料，主要依靠价带空穴和导带电体特性的陶瓷材料，主要依靠价带空穴和导带电子导电；子导电；子导电；子导电；n n 陶瓷材料中特有的导电现象是离子导电，其陶瓷材料中特有的导电现象是离子导电，其陶瓷材料中特有的导电现象是离子导电，其陶瓷材料中特有的导电现象是离子导电，其中电流是通过各种正、负离子响应电场作用产生中电流是通过各种正、负离子响应电场作用产生中电流是通过各种正、负离子响应电场作用产生中电流是通过各种正、负离子响应电场作用产生净定向扩散而传导。离子键结合的陶瓷材料显示净定向扩散而传导。离子键结

7、合的陶瓷材料显示净定向扩散而传导。离子键结合的陶瓷材料显示净定向扩散而传导。离子键结合的陶瓷材料显示这种特性，其中，电子导电还必须非常弱。这种特性，其中，电子导电还必须非常弱。这种特性，其中，电子导电还必须非常弱。这种特性，其中，电子导电还必须非常弱。第5页/共53页第六页，共53页。离离子子电电导导(din(din do)do)：载载流流子子为为离离子子的的电电导导(din(din do)do)称称为离子电导为离子电导(din do)(din do)；电电子子电电导导(din(din do)do)：载载流流子子为为电电子子的的电电导导(din(din do)do)称称为电子电导为电子电导(d

8、in do)(din do)。2.2.电子电子(dinz)(dinz)电导和离子电导和离子电导电导第6页/共53页第七页，共53页。8典型材料的电导典型材料的电导(din(din do)do)值如下：值如下：第7页/共53页第八页，共53页。3 3、区别电子电导和离子电导的方法：、区别电子电导和离子电导的方法：(1)(1)霍尔效应霍尔效应 若在若在X X方向通以电流方向通以电流(dinli)(dinli)，在，在z z方向上加以磁场，则在方向上加以磁场，则在Y Y方向电极两侧开始聚方向电极两侧开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场称霍尔效应积异号电荷而产生相应的附加电场称霍尔效应 RH为霍尔系数

9、：为霍尔系数：霍尔迁移率霍尔迁移率H：反映霍尔效应强弱的重要参数反映霍尔效应强弱的重要参数第8页/共53页第九页，共53页。判断的方法是按图一所示的电流和磁场的方向，若测得的V 的值是正值，样品属N型，否则，为P型。判断时一定(ydng)要注意到电流、磁场和霍尔电压的值必同时为正时才成立。纯离子电导不呈现霍尔效应利用霍尔效应可检验材料是否存在电子电导。第9页/共53页第十页，共53页。要得到大的霍尔电压关键是选择霍尔系数大（即迁移率高、电阻率低）。半导体迁移率高电阻率适中是制造霍尔元件较理想(lxing)的材料。由于电子迁移率比空穴迁移率大，所以霍尔元件多采用N型材料。其次，霍尔电压大小与材料

10、的厚度成反比，因此，薄型的霍尔器件输出电压较片状要高得的多。霍尔器件对材料霍尔器件对材料(cilio)(cilio)的要求的要求霍尔效应的起源：源于磁场中运动霍尔效应的起源：源于磁场中运动(yndng)电荷所产生的洛仑兹力，电荷所产生的洛仑兹力，导致载流子在磁场中产生洛仑兹偏导致载流子在磁场中产生洛仑兹偏转。该力所作用的方向即与电荷运转。该力所作用的方向即与电荷运动动(yndng)的方向垂直，也与磁场的方向垂直，也与磁场方向垂直。方向垂直。第10页/共53页第十一页，共53页。(2)(2)电解效应电解效应 电解现象：离子的迁移伴随电解现象：离子的迁移伴随着一定的质量变化，离子在着一定的质量变化

11、，离子在电极附近发生电极附近发生(fshng)(fshng)电电子得失，产生新的物质，这子得失，产生新的物质，这就是电解现象。就是电解现象。电解(dinji)效应可以检验材料是否存在离子电导，并且可以判定载流子是正离子还是负离子法拉第电解定律法拉第电解定律(dngl)(dngl)：电解物质与通过的电量成正比电解物质与通过的电量成正比:g=CQ=Q/F g=CQ=Q/F g g为电解物质的量，为电解物质的量，Q Q为通过的为通过的电量，电量，C C为电化当量，为电化当量，F F为法拉为法拉第常数。第常数。第11页/共53页第十二页，共53页。13 单位体积内参加导电的自由电荷为nq。在外电场作用

12、下。每一载流子在E方向发生漂移(pio y)平均速度为v(cm/s)。则单位时间(1s)通过单位截面S的电荷量为：J =nqv 4.4.迁移率和电导率迁移率和电导率 物体物体(wt)(wt)的导电现象的微的导电现象的微观本质：载流子在电场作用下的定向迁移观本质：载流子在电场作用下的定向迁移 介质处在外电场中，则作用介质处在外电场中，则作用于每一个载流子的力等于于每一个载流子的力等于qEqE。第12页/共53页第十三页，共53页。14载流子的迁移载流子的迁移(qiny)率率:令令=v/E为载流子的迁移为载流子的迁移(qiny)率。率。物理意义物理意义:载流子在单位电场中的迁移载流子在单位电场中的

13、迁移(qiny)速度。速度。电导率：电导率：=nq和和 J =nqv 电导率电导率:=J/E=nqv/E宏观(hnggun)电导率与微观载流子的浓度n，每一种载流子的电荷量q以及每种载流子的迁移率有关。第13页/共53页第十四页，共53页。n n从材料电导率的表达式可以看出，影响材料电导从材料电导率的表达式可以看出，影响材料电导从材料电导率的表达式可以看出，影响材料电导从材料电导率的表达式可以看出，影响材料电导率的主要因素是材料中载流子的体积密度与迁移率的主要因素是材料中载流子的体积密度与迁移率的主要因素是材料中载流子的体积密度与迁移率的主要因素是材料中载流子的体积密度与迁移率。率。率。率。n

14、 n对于半导体：对于半导体：对于半导体：对于半导体：n n 载流子载流子载流子载流子导带的电子（体积密度导带的电子（体积密度导带的电子（体积密度导带的电子（体积密度n n，迁移率，迁移率，迁移率，迁移率e e）、价带的空穴（体积密度）、价带的空穴（体积密度）、价带的空穴（体积密度）、价带的空穴（体积密度p p，迁移率，迁移率，迁移率，迁移率 h h）。则半导体的电导率表达式为。则半导体的电导率表达式为。则半导体的电导率表达式为。则半导体的电导率表达式为n n对于金属对于金属对于金属对于金属(jnsh)(jnsh)：n n 载流子载流子载流子载流子只有自由电子（体积密度只有自由电子（体积密度只有

15、自由电子（体积密度只有自由电子（体积密度n n，迁移，迁移，迁移，迁移率率率率e e）。则金属。则金属。则金属。则金属(jnsh)(jnsh)的电导率表达式为的电导率表达式为的电导率表达式为的电导率表达式为（2-4）第14页/共53页第十五页，共53页。n n自由电子在电场自由电子在电场自由电子在电场自由电子在电场E E作用下获得的漂移速度为：作用下获得的漂移速度为：作用下获得的漂移速度为：作用下获得的漂移速度为：n n v=-eE/me v=-eE/men n自由电子的迁移率为自由电子的迁移率为自由电子的迁移率为自由电子的迁移率为:n n e=-e/me e=-e/men n金属率表达式：金

16、属率表达式：金属率表达式：金属率表达式：n n式中，式中，式中，式中，为自由电子的平均自由运动时间；为自由电子的平均自由运动时间；为自由电子的平均自由运动时间；为自由电子的平均自由运动时间；nene为自为自为自为自由电子体积密度；由电子体积密度；由电子体积密度；由电子体积密度；mm为电子的质量。为电子的质量。为电子的质量。为电子的质量。n n经典自由电子理论存在着严重缺陷。原因：认为所经典自由电子理论存在着严重缺陷。原因：认为所经典自由电子理论存在着严重缺陷。原因：认为所经典自由电子理论存在着严重缺陷。原因：认为所有的自由电子都参与导电有的自由电子都参与导电有的自由电子都参与导电有的自由电子都

17、参与导电(d(d odin)odin)。根源：经典。根源：经典。根源：经典。根源：经典自由电子理论没有认识到金属中自由电子的能量、自由电子理论没有认识到金属中自由电子的能量、自由电子理论没有认识到金属中自由电子的能量、自由电子理论没有认识到金属中自由电子的能量、波矢或速度状态的量子化特征。波矢或速度状态的量子化特征。波矢或速度状态的量子化特征。波矢或速度状态的量子化特征。（2-5）（2-6）第15页/共53页第十六页，共53页。材料材料(cilio)导电性理论导电性理论n导电性的物理本质研究的三个理导电性的物理本质研究的三个理 论阶段论阶段 n（1 1）经典自由电子理论）经典自由电子理论(ll

18、n)(lln)n（2 2）量子自由电子理论）量子自由电子理论(lln)(lln)n（3 3）能带理论）能带理论(lln)(lln)第16页/共53页第十七页，共53页。1.1.经典电子经典电子经典电子经典电子(dinz(dinz)理论理论理论理论 经经经经典典典典电电电电子子子子理理理理论论论论认认认认为为为为：正正正正离离离离子子子子形形形形成成成成的的的的电电电电场场场场是是是是均均均均匀匀匀匀的的的的，自自自自由由由由电电电电子子子子运运运运动动动动(yndng)(yndng)(yndng)(yndng)的的的的规规规规律律律律遵遵遵遵循循循循经经经经典典典典力力力力学学学学气气气气体体

19、体体分分分分子子子子的的的的运运运运动动动动(yndng)(yndng)(yndng)(yndng)规律。规律。规律。规律。在在在在没没没没有有有有外外外外电电电电场场场场作作作作用用用用时时时时，金金金金属属属属中中中中的的的的自自自自由由由由电电电电子子子子沿沿沿沿各各各各方方方方向向向向运运运运动动动动(yndng)(yndng)(yndng)(yndng)的的的的几几几几率率率率相相相相同同同同，不不不不产产产产生生生生电电电电流流流流；施施施施加加加加外外外外电电电电场场场场后后后后，自自自自由由由由电电电电子子子子获获获获得得得得附附附附加加加加速速速速度度度度，沿沿沿沿外外外外电

20、电电电场场场场方方方方向向向向发发发发生生生生定定定定向向向向的的的的移移移移动动动动，形形形形成成成成电电电电流流流流。自自自自由由由由电电电电子子子子在在在在定定定定向向向向移移移移动动动动的的的的过过过过程程程程不不不不断断断断与与与与正正正正离离离离子子子子发发发发生生生生碰碰碰碰撞撞撞撞，使使使使电子移动受阻，因而产生电阻。电子移动受阻，因而产生电阻。电子移动受阻，因而产生电阻。电子移动受阻，因而产生电阻。第17页/共53页第十八页，共53页。+金属金属(j nsh)中的离子与自由电子示意图中的离子与自由电子示意图第18页/共53页第十九页，共53页。2.2.量子自由电子量子自由电子

21、量子自由电子量子自由电子(z yu din z(z yu din z)理论理论理论理论 量量量量子子子子自自自自由由由由电电电电子子子子理理理理论论论论的的的的主主主主要要要要内内内内容容容容：金金金金属属属属中中中中正正正正离离离离子子子子形形形形成成成成(xngchng)(xngchng)(xngchng)(xngchng)的的的的电电电电场场场场是是是是均均均均匀匀匀匀的的的的，价价价价电电电电子子子子不不不不被被被被原原原原子子子子所所所所束束束束缚缚缚缚，可可可可以以以以在在在在整个金属中自由地运动。整个金属中自由地运动。整个金属中自由地运动。整个金属中自由地运动。它它它它与与与与经

22、经经经典典典典电电电电子子子子理理理理论论论论的的的的根根根根本本本本区区区区别别别别是是是是自自自自由由由由电电电电子子子子的的的的运运运运动动动动必必必必须须须须服服服服从从从从量子力学的规律。量子力学的规律。量子力学的规律。量子力学的规律。第19页/共53页第二十页，共53页。n 思考：思考：前两种理论都忽略了前两种理论都忽略了金属金属(jnsh)离子的作用，同时离子的作用，同时还假设在金属还假设在金属(jnsh)内部存在内部存在均匀的势能。事实上电子是在由均匀的势能。事实上电子是在由金属金属(jnsh)离子组成的非均匀离子组成的非均匀势场中运动的。因而得出的导电势场中运动的。因而得出的

23、导电机理有很大的局限性，能带理论机理有很大的局限性，能带理论就解决了这个问题。就解决了这个问题。第20页/共53页第二十一页，共53页。3.3.固体固体固体固体(gt(gt)能带理论能带理论能带理论能带理论n n孤孤孤孤立立立立原原原原子子子子的的的的外外外外层层层层电电电电子子子子(dinz)(dinz)(dinz)(dinz)处处处处于于于于能能能能级级级级分分分分立立立立的的的的轨轨轨轨道道道道上上上上。但但但但当当当当原原原原子子子子彼彼彼彼此此此此靠靠靠靠近近近近时时时时，外外外外层层层层电电电电子子子子(dinz)(dinz)(dinz)(dinz)就就就就不不不不再再再再仅仅仅仅

24、受受受受原原原原来来来来所所所所属属属属原原原原子子子子的的的的作作作作用用用用，还还还还要要要要受受受受到到到到其其其其他他他他原原原原子子子子的的的的作作作作用用用用，原原原原子子子子间间间间距距距距减减减减小小小小时时时时，电电电电子子子子(dinz)(dinz)(dinz)(dinz)云云云云重重重重叠叠叠叠，能能能能级级级级发发发发生生生生分分分分裂裂裂裂，孤孤孤孤立立立立原原原原子子子子的的的的每每每每个个个个能能能能级级级级将将将将演演演演化化化化成成成成由由由由密密密密集集集集能能能能级级级级组组组组成成成成的的的的准准准准连连连连续续续续能能能能带带带带。若若若若晶晶晶晶体体

25、体体由由由由N N N N个个个个原原原原子子子子（或或或或原原原原胞胞胞胞）组组组组成成成成，则则则则每每每每个个个个能能能能带带带带包包包包括括括括N N N N个个个个能能能能级级级级，其其其其中中中中每每每每个个个个能能能能级级级级可可可可被被被被两两两两个个个个自自自自旋旋旋旋相相相相反反反反的的的的电电电电子子子子(dinz)(dinz)(dinz)(dinz)所所所所占占占占有有有有，故故故故每每每每个个个个能能能能带带带带最最最最多多多多可可可可容容容容纳纳纳纳2N2N2N2N个个个个电电电电子子子子(dinz)(dinz)(dinz)(dinz)（见泡利不相容原理）。（见泡利

26、不相容原理）。（见泡利不相容原理）。（见泡利不相容原理）。第21页/共53页第二十二页，共53页。n n依据能带理论，固体材料中电子状态的显著特点在于其依据能带理论，固体材料中电子状态的显著特点在于其依据能带理论，固体材料中电子状态的显著特点在于其依据能带理论，固体材料中电子状态的显著特点在于其能带结构特征。能带结构特征。能带结构特征。能带结构特征。n n在所有的固体材料中，电子的波矢空间在所有的固体材料中，电子的波矢空间在所有的固体材料中，电子的波矢空间在所有的固体材料中，电子的波矢空间(或速度空间或速度空间或速度空间或速度空间)分分分分割成不同的布里渊区。一个布里渊区内电子的能量随着割成不

27、同的布里渊区。一个布里渊区内电子的能量随着割成不同的布里渊区。一个布里渊区内电子的能量随着割成不同的布里渊区。一个布里渊区内电子的能量随着速度准连续变化，具有能量间隔很小的能级。速度准连续变化，具有能量间隔很小的能级。速度准连续变化，具有能量间隔很小的能级。速度准连续变化，具有能量间隔很小的能级。n n在相邻布里渊区的边界在相邻布里渊区的边界在相邻布里渊区的边界在相邻布里渊区的边界(binji)(binji)(binji)(binji)上，电子的能量随着速上，电子的能量随着速上，电子的能量随着速上，电子的能量随着速度不是连续变化的，而是发生突变。度不是连续变化的，而是发生突变。度不是连续变化的

28、，而是发生突变。度不是连续变化的，而是发生突变。n n在一般固体材料中，布里渊区边界在一般固体材料中，布里渊区边界在一般固体材料中，布里渊区边界在一般固体材料中，布里渊区边界(binji)(binji)(binji)(binji)两侧的电子两侧的电子两侧的电子两侧的电子能量差在几个至十几个电子伏特能量差在几个至十几个电子伏特能量差在几个至十几个电子伏特能量差在几个至十几个电子伏特(ev)(ev)(ev)(ev)，比一个布里渊区，比一个布里渊区，比一个布里渊区，比一个布里渊区内相邻能级之间的能量差要高出多个数量级。内相邻能级之间的能量差要高出多个数量级。内相邻能级之间的能量差要高出多个数量级。内

29、相邻能级之间的能量差要高出多个数量级。n n另外，在半导体和绝缘体材料中，在相邻能带之间出现另外，在半导体和绝缘体材料中，在相邻能带之间出现另外，在半导体和绝缘体材料中，在相邻能带之间出现另外，在半导体和绝缘体材料中，在相邻能带之间出现能带间隙。能带间隙。能带间隙。能带间隙。第22页/共53页第二十三页，共53页。n n满带：全带中每一能级都被都被两个电子占据的能带。满带：全带中每一能级都被都被两个电子占据的能带。满带：全带中每一能级都被都被两个电子占据的能带。满带：全带中每一能级都被都被两个电子占据的能带。n n 在能带图中满带是在最下方，该处电子能量低，不在能带图中满带是在最下方，该处电子

30、能量低，不在能带图中满带是在最下方，该处电子能量低，不在能带图中满带是在最下方，该处电子能量低，不足以参加物理过程（除非受激发），因此满带没有导电性。足以参加物理过程（除非受激发），因此满带没有导电性。足以参加物理过程（除非受激发），因此满带没有导电性。足以参加物理过程（除非受激发），因此满带没有导电性。n n空带：所属各能级上没电子的能带。因此也无导电性。空带：所属各能级上没电子的能带。因此也无导电性。空带：所属各能级上没电子的能带。因此也无导电性。空带：所属各能级上没电子的能带。因此也无导电性。n n价带：与原子中价电子的能量相对应的能带。价带：与原子中价电子的能量相对应的能带。价带：与原

31、子中价电子的能量相对应的能带。价带：与原子中价电子的能量相对应的能带。n n 在半导体或电绝缘体中，价带是满带中能量最高的在半导体或电绝缘体中，价带是满带中能量最高的在半导体或电绝缘体中，价带是满带中能量最高的在半导体或电绝缘体中，价带是满带中能量最高的能带。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，价带可能能带。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，价带可能能带。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，价带可能能带。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，价带可能失去少量电子，留下空穴，从而产生空穴导电性。失去少量电子，留下空穴，从而产生空穴导电性。失去少量电子，留下空穴，从而产生空穴导电性。失去少量电子，

32、留下空穴，从而产生空穴导电性。n n导带：最靠近价带而能量较高的能带。导带：最靠近价带而能量较高的能带。导带：最靠近价带而能量较高的能带。导带：最靠近价带而能量较高的能带。n n 这是除去完全这是除去完全这是除去完全这是除去完全(wnqun)(wnqun)被电子充满的一系列能带被电子充满的一系列能带被电子充满的一系列能带被电子充满的一系列能带外，还有部分被填表满的能带。此带中，电子能自由活动。外，还有部分被填表满的能带。此带中，电子能自由活动。外，还有部分被填表满的能带。此带中，电子能自由活动。外，还有部分被填表满的能带。此带中，电子能自由活动。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，导带出现少量

33、电由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，导带出现少量电由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，导带出现少量电由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，导带出现少量电子，从而产生电子导电性。子，从而产生电子导电性。子，从而产生电子导电性。子，从而产生电子导电性。n n禁带：又称能隙。禁带：又称能隙。禁带：又称能隙。禁带：又称能隙。n n 不允许自由电子和空穴存在的各能带之间的能量间不允许自由电子和空穴存在的各能带之间的能量间不允许自由电子和空穴存在的各能带之间的能量间不允许自由电子和空穴存在的各能带之间的能量间距，较常指价带之上，导带之下的一段能量区间。为了产距，较常指价带之上，导带之下的一段能量区间。为了

34、产距，较常指价带之上，导带之下的一段能量区间。为了产距，较常指价带之上，导带之下的一段能量区间。为了产生电导，必需将电子激发，越过禁带，进入生电导，必需将电子激发，越过禁带，进入生电导，必需将电子激发，越过禁带，进入生电导，必需将电子激发，越过禁带，进入第23页/共53页第二十四页，共53页。导体、半导体、绝缘体的能带中电子分布的情况各导体、半导体、绝缘体的能带中电子分布的情况各具有明显的特征，导体中存在未满带具有明显的特征，导体中存在未满带(由于电子未充满由于电子未充满(chngmn)(chngmn)或能带重叠或能带重叠)。绝缘体的特征是价电子所处的能。绝缘体的特征是价电子所处的能带都是满带

35、，且满带与相邻的空带之间存在一个较宽的禁带都是满带，且满带与相邻的空带之间存在一个较宽的禁带。半导体的能带与绝缘体的相似，但半导体的禁带要狭带。半导体的能带与绝缘体的相似，但半导体的禁带要狭窄得多窄得多(一般在一般在1eV1eV左右左右)。第24页/共53页第二十五页，共53页。导体导体导体导体(d(dotot)、半导体、半导体、半导体、半导体(d(dotot)、绝缘体的区别。、绝缘体的区别。、绝缘体的区别。、绝缘体的区别。（a）导 体 （b)半导体 (c)绝缘体图2.1 导体(dot)、半导体(dot)和绝缘体的能带模型示意图第25页/共53页第二十六页，共53页。27第二节第二节 离子离子

36、(lz)(lz)电导电导离子导电离子导电(dodin)(dodin)的种类的种类本征离子电导：本征离子电导：晶格点阵上的离子定向运动晶格点阵上的离子定向运动(热缺陷的运热缺陷的运动动)本征电导在高温下特别显著。本征电导在高温下特别显著。弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷：填隙离子：填隙离子-空位对。空位对。肖特基缺陷肖特基缺陷：阳离子空位：阳离子空位-阴离子空位对。阴离子空位对。杂质电导：杂质电导：杂质离子的定向运动实现电导杂质离子的定向运动实现电导 主要杂质离子有填隙杂质或置换杂质（溶质）主要杂质离子有填隙杂质或置换杂质（溶质）。杂。杂质离子是弱联系离子。质离子是弱联系离子。杂质电导在较低温度下表现得

37、显著。杂质电导在较低温度下表现得显著。第26页/共53页第二十七页，共53页。28一、载流子浓度一、载流子浓度(nngd)(nngd)弗仑克尔缺陷浓度：弗仑克尔缺陷浓度：Nf=N exp(-Ef /2kT)肖特基空位浓度：肖特基空位浓度：Ns=N exp(-Es/2kT)本征载流子浓度：本征载流子浓度：影响本征载流子的浓度的因素影响本征载流子的浓度的因素温温度度T高高时时,热热缺缺陷陷浓浓度度才才显显著著,即即本本征征电电导导在在高高温温下下显显著。著。E和和晶晶体体结结构构有有关关(yugun)，在在离离子子晶晶体体中中，肖肖待待基基缺缺陷陷形形成成能能比比弗弗仑仑克克尔尔缺缺陷陷形形成成能

38、能低低。只只有有在在结结构构很很松松，离离子子半半径径很很小小的的情情况况下下，易易形形成成弗弗仑仑克克尔尔缺缺陷陷，如如AgC1晶体。晶体。杂质杂质(zzh)离子载流子的浓度离子载流子的浓度 决定于杂质决定于杂质(zzh)的数量和种类，杂质的数量和种类，杂质(zzh)离子离解活化离子离解活化能小。在低温下，离子晶体的电导主要由杂质能小。在低温下，离子晶体的电导主要由杂质(zzh)载流子浓载流子浓度决定。度决定。式式中中N N为为单单位位何何种种内内离离子子结结点点数数，E Ef f为为形形成成一一个个弗弗仑仑克克尔尔缺缺陷陷(即即同同时时生生成成一一个个填填隙隙离离子子和和一一个个空空位位)

39、所所需需要要的的能能量量，k k为为波波尔尔兹兹曼曼常数，常数，T T为热力学温度。为热力学温度。第27页/共53页第二十八页，共53页。29NaClKClKBr离解正离子能量(弗仑克尔陷）4.624.474.23离解负离子能量(弗仑克尔陷)5.184.794.60一对离子的晶格能(肖特基缺陷)7.947.186.91阴离子空位扩散能0.56阳离子空位扩散能0.51填隙离子的扩散能2.9一对离子的扩散能0.380.44碱金属卤化物晶体的离解碱金属卤化物晶体的离解(l ji)能与缺陷的扩散能能与缺陷的扩散能第28页/共53页第二十九页，共53页。30二、离子迁移率二、离子迁移率 离子电导的微观离

40、子电导的微观(wigun)(wigun)机构机构-载流子载流子的扩散。的扩散。间隙离子从一个间隙位置克服一个高度为U0的“势垒”后跃入相邻原子的间隙位置。完成一次跃迁，又处于新的平间隙位置上。最终扩散过程就构成(guchng)了宏观的离子“迁移”热振运动能是间隙离子迁移所需要热振运动能是间隙离子迁移所需要(xyo)能量的主要来源。能量的主要来源。间隙原子由于热振动能量起伏,会获得足够的能量,跳到相邻的间隙位置上。1.间隙离子电导间隙离子电导U0第29页/共53页第三十页，共53页。312.间隙离子的间隙离子的“迁移迁移(qiny)”1)离子跃迁的基本知识：离子跃迁的基本知识：在温度在温度T时，

41、粒子具有能量为时，粒子具有能量为U0的几率和的几率和exp(-U0/kBT)呈正比呈正比例例;单位时间内填隙原子试图越过势垒的次数为单位时间内填隙原子试图越过势垒的次数为0；单位时间内填隙原子越过势垒的次数为单位时间内填隙原子越过势垒的次数为:P=0 exp(U0/kT)P-一个填隙原子在单位时间内从一个间隙位置跳到相邻间一个填隙原子在单位时间内从一个间隙位置跳到相邻间隙位置的几率；隙位置的几率；=1/P-填隙原子从一个间隙位置跳到相邻间隙位置需等待的填隙原子从一个间隙位置跳到相邻间隙位置需等待的时间。时间。单位时间沿某一方向跃迁的次数为：单位时间沿某一方向跃迁的次数为：第30页/共53页第三

42、十一页，共53页。322 2）在外电场存在时，间隙离子的势垒变化）在外电场存在时，间隙离子的势垒变化F=qEaEE+F/2EF/2 电场力的作用，晶体中间隙离子的势垒不再对称，对于正离子，受电场力作用，F=qE，F与E同方向，因而(yn r)正离子顺电场方向“迁移”容易，反电场方向“迁移”困难。第31页/共53页第三十二页，共53页。33顺电场方向(fngxing)和逆电场方向(fngxing)填隙离子单位时间内跃迁的次数：单位时间内每一间隙离子(lz)沿电场方向的剩余跃迁次数：每跃迁(yuqin)一次的距离为,则载流子沿电场方向的迁移速度V：第32页/共53页第三十三页，共53页。34当Uk

43、T：（U=qE/2）载流子沿电流载流子沿电流(dinli)方向的迁移率方向的迁移率:第33页/共53页第三十四页，共53页。35一般一般(ybn)(ybn)离子的迁移率为离子的迁移率为10-1310-1310-16 m2/(sV)10-16 m2/(sV)。载流子沿电流载流子沿电流(dinli)方向的迁方向的迁移率移率:式中式中为相邻半稳定位置为相邻半稳定位置(wi zhi)间的距离，等于晶格距离间的距离，等于晶格距离(cm)，0为间隙离子的振动频率为间隙离子的振动频率(s-1)，q为间隙离子的电荷数为间隙离子的电荷数(C)，k的数的数值为值为0.8610-4(eVK)；U0为无外电场时间隙离

44、子的势垒为无外电场时间隙离子的势垒(eV)第34页/共53页第三十五页，共53页。36三、离子三、离子(lz)(lz)电导率电导率1 1离子离子(lz)(lz)电导率电导率:=nq:=nq本征电导率本征电导率:Ws称为(chn wi)电导活化能。它包括缺陷形成能和迁移能。杂质杂质(zzh)离子电导离子电导率：率：杂质离子浓度远小于晶格格点数；杂质离子浓度远小于晶格格点数；杂质离子的活化能小于热缺陷移动的活化能；杂质离子的活化能小于热缺陷移动的活化能；离子晶体的电导主要为杂质电导。离子晶体的电导主要为杂质电导。杂质导电与本征导电的比较：杂质导电与本征导电的比较：第35页/共53页第三十六页，共5

45、3页。37只有只有(zhyu)一种载流子的电导率：一种载流子的电导率：ln=0 B/T 以以1n和和1/T为坐标，可绘得一直线，从直线斜为坐标，可绘得一直线，从直线斜率率B可求出活化能可求出活化能 W=BK 碱卤晶体(jngt)的电导率：多种载流子时的电导率多种载流子时的电导率：第36页/共53页第三十七页，共53页。38晶体BW=BK(10-19J)(eV)石英（/C轴）210002.881.81方镁石135001.851.16白云母87501.20.75晶体晶体(jngt)(jngt)的活化能的活化能A1(-1m-1)W1(kJ/mol)A2(-1m-1)W2(kJ/mol)NaF2108

46、216NaCl51071695082NaBr21071682077Nal1106118659本征导电与杂质导电的数据本征导电与杂质导电的数据(shj)(shj)比较比较第37页/共53页第三十八页，共53页。392 2、计算、计算(j sun)NaCl(j sun)NaCl的电导率，其中的电导率，其中T=300KT=300K，课堂练习：1 1、晶格、晶格(jn)(jn)常数常数a=510-8 cma=510-8 cm，振动频率，振动频率1012Hz1012Hz，势垒势垒0.5eV0.5eV，常常温温300K300K，求其迁移率。，求其迁移率。第38页/共53页第三十九页，共53页。40空位每秒

47、可越过势垒的次数为：空位每秒可越过势垒的次数为：P1=P1=01 exp(01 exp(U1/kBT)U1/kBT)空位每跳一步所必须的时间为：空位每跳一步所必须的时间为：1=1=（1/1/01 01）exp(U1/kBT)exp(U1/kBT)0101为空位邻近原子的振动为空位邻近原子的振动(zhndng)(zhndng)频率。频率。U1-U1-空位的扩散能空位的扩散能2 2、空位、空位(kn wi)(kn wi)的电导的电导U1第39页/共53页第四十页，共53页。41 3 3扩散扩散(kusn)(kusn)与离子电导与离子电导(1)(1)离子扩散离子扩散(kusn)(kusn)机构机构

48、离子电导是在电场作用下离子的扩散离子电导是在电场作用下离子的扩散(kusn)(kusn)现象。主要有：现象。主要有：(1)(1)空位扩散空位扩散(kusn)(kusn)，(2)(2)间隙扩散间隙扩散(kusn)(kusn)；(3)(3)亚晶格间隙扩散亚晶格间隙扩散(kusn)(kusn)。离子载流子的扩散(kusn)方式是其迁移的基础。迁移(qiny)路线迁移距离一般而言，负离子作为骨架，正离子通过空位来迁移。第40页/共53页第四十一页，共53页。42Ag+Ci-Ag+Cl-Cl-Ag+Ci-Ag+Ag+Ci-Ag+Cl-Cl-Ag+Ci-Ag+Ag+Ci-Ag+Cl-Ag+12第41页/共

49、53页第四十二页，共53页。43能斯脱能斯脱-爱因斯坦方程爱因斯坦方程:(2)能斯脱能斯脱爱因斯坦方程爱因斯坦方程(fngchng)（扩散系数与电导率）（扩散系数与电导率）扩散系数扩散系数D和离子迁移率和离子迁移率的关系的关系:B称为离子绝对迁移率。=nq和 D D0 exp(-W/kT)W为扩散活化能。第42页/共53页第四十三页，共53页。44四、影响离子电导率的因素四、影响离子电导率的因素1温度温度只有一种载流子的电导率：只有一种载流子的电导率：ln=0 B/T 以以1n和和1/T为坐标为坐标(zubio)，可绘得一直线。，可绘得一直线。固有电导(din do)起主要作用。也有可能有电子

50、电导(din do)杂质电导(din do)占主要地位 碱卤晶体的电导率碱卤晶体的电导率：第43页/共53页第四十四页，共53页。452晶体结构晶体结构离子晶体中阳离子电荷(dinh)对电导的影响2）晶体结构状态对离子活化能的影响 结构紧密的离子晶体，间隙小，间隙离子迁移(qiny)困难，即其活化能高，电导率较低。熔点高的晶体，晶体结合力大，相应(xingyng)活化能也高，电导率就低。1）离子电荷对活化能的影响 一价正离子尺寸小，电荷少，活化能小，高价正离子，价键强，所以活化能大，故迁移率较低。第44页/共53页第四十五页，共53页。463晶格缺陷晶格缺陷 具有离子电导的固体物质称为具有离子