电介质及其介电特性电导课件.ppt

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1、电介质理论及其应用电介质理论及其应用关于电介质及其介电特性电导1现在学习的是第1页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用2现象：在外电场作用下，电介质中载流子沿电场方向迁移形成泄漏电流的物理现象电介质的电导。表征：用电阻率或电导率分别表示单位长度和单位截面积材料的电阻和电导。是表征材料导电性的宏观参数，与材料的几何尺寸无关。单位：.m 或 S/m 1.概述共性问题电导率：通过材料的电流密度与电场强度之比。在线性电介质中为常数。现在学习的是第2页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用31.1 一般关系式 如果介质中的载流子(自由电荷)密度n0、载流子在电场作用下平均迁移速度、和载

2、流子的电荷q 设电介质在均匀电场E作用下，在t时间之内通过截面积S的总电荷量 l=t 为载流子在t时间之内沿电场方向迁移的距离则电流密度：概述概述共性问题共性问题现在学习的是第3页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用4 在外电场作用下，载流子的宏观平均迁移速度与电场强度之间成比例关系：此式是表征电介质导电性能的宏观参数与其微观参数n0、q 的一般关系式，也是研究各种物质电导性质最基本的普适关系式。概述概述共性问题共性问题式中为载流子的迁移率，表示载流子在单位电场强度作用下所获得的宏观平均速度，单位为（m2/Vs）代入上式可得介质电导率 现在学习的是第4页，共70页电介质理论及其应用电

3、介质理论及其应用51.2 电导的分类 概述概述共性问题共性问题电介质电导电子电导离子电导胶粒电导按导电载流子种类分：电导率范围/（S/m）材料绝缘体10-1610-8聚乙烯、各种高分子聚合物、聚氯乙烯、云母、变压器油、碱玻璃半导体10-810-2有机半导体、蒽、CuO、Si、Ge导体10-2108Ni、Cu、Ag根据常温常压下电导率的大小分：现在学习的是第5页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用6概述概述共性问题共性问题气态液态固态金属绝缘体导体导体锗绝缘体导体导体（常温）绝缘体（0 K）碳导体(非晶和片状晶态)绝缘体(正四面体)NaCl绝缘（常压）导体（极高压力）物质的导电性与其凝

4、聚状态及组成结构有关：电介质电导固体电导液体电导气体电导现在学习的是第6页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用7p 电子（空穴）载流子是通过热激发、光激发、电极注入等方式产生。从能带理论来看，电介质的禁带宽度较大，常温下热激发载流子很少，在光照或强场电极注入的情况下才有明显的电子电导。p 弱电场作用下，固体和液体电介质中的载流子主要是离子，离子的来源可能是组成介质的分子离解或是杂质的离解，前者为本征离子后者为杂质离子。p 参与介质导电的载流子并非介质中的全部离子，而是与主体结构联系较弱或易于迁移的部分活化离子。这些活化离子的产生和在电场作用下的定向迁移都与质点的热运动有关，所以也有“

5、热离子电导”之称。概述概述共性问题共性问题现在学习的是第7页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用8离子晶体的离子电导离子晶体的离子电导q离子晶体是正负离子以离子键相结合，并有周期性。q离子晶体中绝大部分离子都处于晶格点阵的格点上作热运动，并不直接参与导电。q参与导电的载流子，是由于热激发从格点上跃迁到点阵间的填隙离子和点阵上失去了离子的点阵空位，从而构成离子电导和离子空位电导。q讨论介质电导主要是研究载流子的产生、浓度和迁移。2.离子晶体的离子电导 现在学习的是第8页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用92.1 晶体中缺陷的产生 离子晶体中载流子的形成与晶体中缺陷的产生有关

6、，晶体中的缺陷主要有两类：弗兰凯尔（Frenkel）缺陷：p 离子晶体中如含有半径较小的离子，由于热激发这些离子有可能从晶格点位置跃迁到点阵间形成填隙离子，同时在点阵上产生一个空位。这种填隙离子和离子空位，同时成对产生的缺陷。离子晶体的离子电导离子晶体的离子电导现在学习的是第9页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用10肖特基（Shottky）缺陷：p 离子半径较大，难以进入点阵间形成稳定的填隙离子；离子将达到晶体的表面构成新的晶格点阵，晶格内只留下空位而无填隙离子，形成单一的离子空位缺陷。p 由于热运动，离子晶体中的缺陷不断的产生又不断地复合消失。在一定温度下，缺陷的产生和复合处于动

7、态平衡，缺陷的浓度保持一恒定值。根据热力学和统计力学，可以计算出在一定温度下平衡状态离子缺陷的浓度值离子晶体中的载流子浓度。离子晶体的离子电导离子晶体的离子电导现在学习的是第10页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用11q 根据热力学定律，体系自由能F与体系内能 U和熵S有：2.2 晶体中的缺陷浓度离子晶体的离子电导离子晶体的离子电导q 系统的熵S与系统的微观状态数W遵从：式中式中k为玻尔兹曼常数。为玻尔兹曼常数。系统的内能U及微观状态数W均与缺陷浓度n有关，当系统处于平衡状态下应有 由此就可确定离子晶体中的缺陷浓度。现在学习的是第11页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用

8、12此时微观状态数：设：晶体点阵上格点浓度为N；晶体点阵间位置的浓度为N；晶体点阵上的离子空位浓度为nf；晶体点阵间的填隙离子浓度nf；uf 为晶体点阵上离子到达点阵间形成填隙离子和空位所需的能量。离子晶体的离子电导离子晶体的离子电导弗兰凯尔缺陷浓度：现在学习的是第12页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用13如离开点阵上格点的离子都跃迁到点阵间成为填隙离子，则 nf=nf ，有 根据平衡态条件可求得弗兰凯尔缺陷浓度离子晶体的离子电导离子晶体的离子电导 通常现在学习的是第13页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用14离子晶体的离子电导离子晶体的离子电导肖特基缺陷浓度：设：晶

9、体点阵上的离子空位浓度为ns；晶体点阵上的离子浓度N；us 为点阵上离子离开格点到达晶体表面所需的能量。此时晶体的微观状态数：则 根据平衡态条件可求得肖特基缺陷浓度：通常 N ns，则有现在学习的是第14页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用15p本征载流子浓度，由晶体结构的紧密程度和离子半径的大小决定。导电离子半径大，晶体结构紧密，则形成肖特基缺陷，由离子空位产生电导；反之则形成弗兰凯尔缺陷，由点阵空间的填隙离子及点阵上的离子空位形成离子电导和空位电导。p载流子在电场作用下的迁移具有热跃迁的性质。如由于热运动离开格点进入点阵间的填隙离子，可以称为活化离子。p活化离子也非完全自由，仍

10、被周围邻近离子所束缚，而处在一最低势能位置作热运动。当离子的热振动能超过周围临近分子对它的束缚势垒时，离子才能离开其原先的位置而迁移。p由于热振动而引起的离子迁移，在无外电场作用时也存在。电场则改变了离子在不同方向的迁移数，从而产生了宏观的定向迁移。离子晶体的离子电导离子晶体的离子电导现在学习的是第15页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用16p 假设离子沿三个轴线互相垂直的六个方向跃迁的几率相等。因此活化离子的浓度为n0时，在每一个方向可跃迁的活化离子浓度应为n0/6。p离子热振动的能量服从玻尔兹曼分布，热振动的频率为，因此可以得到，沿某一规定方向，每秒钟内克服跃迁势垒u0，跃迁到

11、新的平衡位置的活化离子浓度n为：2.3 离子的迁移离子晶体的离子电导离子晶体的离子电导现在学习的是第16页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用17 设活化的填隙离子带正电q，电场沿x正方向。由于电场的作用，离子沿x方向由A向B迁移所需克服的势垒将降低u，而由B向A迁移所需克服的势垒则上升u。每秒沿X方向产生的过剩迁移离子数：离子晶体的离子电导离子晶体的离子电导现在学习的是第17页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用18弱电场下，则有：若离子每次跃迁的距离为，则弱电场下活化离子沿电场方向的平均漂移速度和迁移率离子晶体的离子电导离子晶体的离子电导现在学习的是第18页，共70页电

12、介质理论及其应用电介质理论及其应用19离子晶体的离子电导离子晶体的离子电导弱电场作用下，填隙离子所引起的离子电导率：强电场下，弱电场作用下，离子空位所引起的离子电导率：现在学习的是第19页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用20离子晶体的离子电导离子晶体的离子电导电导率随温度的变化规律可写成简化形式：介质中同时具有两种导电机制时，如本征离子电导和杂质离子电导，则电导率随温度的变化：如式中1表示本征离子电导，2表示杂质离子（或弱束缚离子）电导，则A1A2,B1B2,u1u2 。，杂质对KCl晶体导电率的影响 1、2、3、4，分别含SrCl2（19、6.1、1.9、0）10-4现在学习的

13、是第20页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用21离子晶体的离子电导离子晶体的离子电导 根据多种碱卤晶体的电导率与温度关系，求得离子电导总势垒u表明：碱卤晶体中的负离子半径按F、Cl、Br、I次序增大，离子电导势垒显著下降（右图）。熔点亦降低，这说明晶体结构的松弛，引起离子活化能及跃迁势垒的降低，故电导总势垒下降。现在学习的是第21页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用22p 石英、高分子有机介质、液体介质等非离子性介质，它们主要由共价键分子组成。p 这类介质在弱电场下的电导主要是由杂质离子引起，但也会存在电子及胶体产生的电导。一般电导率很低。p 其电阻率随温度的变化也都遵

14、从热离子电导相似的规律：非离子性介质的离子电导非离子性介质的离子电导3.非离子性介质的离子电导 1-电工瓷电工瓷 2-高频瓷高频瓷 3-超高频瓷超高频瓷 4-刚玉瓷刚玉瓷 现在学习的是第22页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用23 根据液体介质中的离子来源，液体介质离子电导可分为本征离子电导和杂质离子电导。本征离子电导是介质本身的基本分子热离解而产生的离子所形成，在强极性液体介质中（如有机酸、醇、酯类等）才明显存在。杂质离子是外来杂质分子（如水、酸、有机盐等）或液体的基本分子老化的产物（如有机酸、醇、酯、酚等）离解而产生的离子，往往是液体介质中离子的主要来源。液体介质的离子电导 非

15、离子性介质的离子电导非离子性介质的离子电导（1）离子的来源 现在学习的是第23页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用24p 极性液体分子和杂质分子在液体中，仅有极少的一部分离解成为离子参与导电。非离子性介质的离子电导非离子性介质的离子电导分子（AB）离解形成正负离子（A+、B-）：分子离解形成正负离子，必须越过势垒ua，即分子离解的活化能。如果分子的浓度为N0，AB原子团之间的相对热振动频率为0，且分子热振动能量分布服从波尔兹曼分布，则单位体积内，每秒钟离解的分子数N为：uuar0 r1u0其中K0 表示每秒钟能发生离解的有效热振动次数：分子的离解速率N与分子浓度成正比，并与温度呈指

16、数关系增加。现在学习的是第24页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用25复合速率Z为：非离子性介质的离子电导非离子性介质的离子电导正负离子（A+、B-）碰撞复合成分子（AB）：离子的离子的复合系数复合系数在动态平衡条件下，N=Z，由此可得离子浓度：分子的离解度：n0和 均随温度的增高呈指数关系而增加。现在学习的是第25页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用26离子的迁移率与固体中离子热跃迁相似，在弱电场下：非离子性介质的离子电导非离子性介质的离子电导（2）离子的迁移及电导率与温度的关系 得到离子电导率与温度及物质特性参数的关系：当外加电场强度远小于击穿场强时，液体介质的离子

17、电导率为一与电场强度无关的常数，其导电规律遵从欧姆定律。在考虑温度变化时，可忽略系数项随温度的变化，则：现在学习的是第26页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用27液体介质的电泳电导与华尔屯定律液体介质的电泳电导与华尔屯定律 在液体介质中，往往存在一些不同组成的胶粒，如变压器油中的杂质，水分进入某些液体介质也可能形成乳化状态的胶体溶液。这些胶粒均带有一定的电荷。当胶粒的介电常数大于液体的介电常数时，胶粒往往带正电；反之，胶粒带负电。4.液体介质的电泳电导与华尔屯定律 华尔屯定律 定律表明：液体介质的电泳电导率和粘度虽然都与温度有关，但电泳电导率与粘度的乘积为一与温度无关的常数。华尔屯

18、定律对本征离子电导近似符合，不适用杂质离子电导，这也是区别胶体电导和杂质离子电导机理的方法之一。现在学习的是第27页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用28电介质的强场电导电介质的强场电导1.材料的电接触特性2.载流子的增殖过程 3.载流子的输运过程4.强场下的电流特性 现在学习的是第28页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用29强场电导的基本特征：强场电导的基本特征：电介质的强场电导电介质的强场电导l 载流子主要是电子l 电导非欧姆性l 具有非线性伏安特性现在学习的是第29页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用30物 理 性 质典型的半导体如硅、锗等典型的绝 缘

19、 体 如NaCl、聚合物等禁 带 Eg(eV)0.81.25.0本征载流子浓度(m-3)T=300 K 2.81012T=300K T=500 K10-18 1载流子迁移率(m2V-1s-1)10-4 1 10-8本征电导率(m)-14.510-50.4510-45 10-27电离杂质浓度(m-3)10181024大多在室温下电离210-9 105杂质电导率(m-1)1.610-51.610510-35 210-22半导体与绝缘体的电性能比较 电介质的强场电导电介质的强场电导现在学习的是第30页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用311.材料的电接触特性表面与界面问题电接触：金属与非

20、金属介质/半导体的接触接触界面的作用：载流子容易注入 阻挡载流子注入如何描述界面特性？材料的电接触特性材料的电接触特性现在学习的是第31页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用32（1）经典电子论 假设金属中自由电子为势阱中的自由质点，E0表示电子摆脱金属束缚必须做的功。1.1 功函数 在热电子发射现象研究中发现，发射电流随温度基本上按指数规律变化：功函数功函数材料的电接触特性材料的电接触特性现在学习的是第32页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用33 即功函数=E0 为势阱深度。则电子服从经典统计分布：发射电流密度：材料的电接触特性材料的电接触特性比较现在学习的是第33页，

21、共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用34由于热发射电子的能量m2/2 必须高于E0，亦有（2）量子理论 假设E0表示导带底部电子离开金属必须做的功。利用费米分布函数得到：材料的电接触特性材料的电接触特性现在学习的是第34页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用35具有与经典电子论相同的温度依赖关系。但对功函数给出了不同于经典理论的解释：功函数的大小直接反映费米能级的高低。所以：同样可得发射电流密度：材料的电接触特性材料的电接触特性现在学习的是第35页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用36金属中：m=E0-EFm，E0为势阱深度，取决于材料的结构和表面条件非金属中：=

22、X+（Ec-EF）EF费米能级，位于禁带中，是温度、杂质浓度和外界压力的函数。EC为导带能级 X为电子亲和势。表示一个电子从表面上导带底部移至真空所需能量。材料的电接触特性材料的电接触特性现在学习的是第36页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用371.2 接触电势 两种不同的材料A、B相接触，就会带电并产生不同的电势VA、VB，二者之差称为接触电势。p以金属为例：A、B不同，反映费米能级EF的高低不同。EF 代表电子的化学势 当A、B接触交换电子时，发生从化学势高到化学低的电子流动；电子由A流到B,使A表面带正电，B表面带负电，从而产生静电势。VA0,VB0材料的电接触特性材料的电接

23、触特性现在学习的是第37页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用38使A、B中的电子产生附加势能-eVA 0 从能级图看，表现为A图下降-eVA，B图上升eVB 使A和B的费米能级相接近以至拉平两边的电子化学势变为相等。电子将停止净流动，系统达到平衡。材料的电接触特性材料的电接触特性现在学习的是第38页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用39此时有：通过接触电势差来补偿A、B之间费米能级的差别，从而使电子达到统计平衡。接触电势差：材料的电接触特性材料的电接触特性现在学习的是第39页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用401.3 电接触类型 介质内产生正空间电荷，即产

24、生一个从接触界面扩展至介质体内部的耗尽区。如：金属与半导体的接触（1）阻挡接触材料的电接触特性材料的电接触特性现在学习的是第40页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用41（2）欧姆接触 在接触处载流子密度比介质体内高很多。如：金属与绝缘体的接触 产生欧姆接触的方法：降低有效热电子发射的势垒。减薄势垒 产生隧道效应。材料的电接触特性材料的电接触特性现在学习的是第41页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用42 固体表面实际上是固体与真空的界面，也会发生表面能带的弯曲。由于固体晶格在其表面突然终断，使周期性势场受到破坏，产生近表面处能带结构的畸变，以使表面处费米能级与体内保持一致

25、。（3）中性接触接触面两侧区域为电中性，不存在空间电荷。接触处载流子浓度与介质体内的浓度相等的接触，如M-S-M接触。（4）表面态材料的电接触特性材料的电接触特性现在学习的是第42页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用431.4 外电场对接触势垒的影响 外加电压作用对界面能带弯曲的影响（V4V3V2V10）材料的电接触特性材料的电接触特性现在学习的是第43页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用442.载流子的增殖过程（n0）强场下的电导主要是电子电导。在禁带宽度较小的介质和薄层介质中明显存在。介质中的导电电子来自电极和介质体内的热电子发射、场致冷发射及碰撞电离。载流子的增殖

26、过程载流子的增殖过程现在学习的是第44页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用45载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第45页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用462.1 电极效应电接触接触电势强场下能带发生变化易于电子发射电极发射电子、空穴离开电极进入到介质中高温下，电子获得足够动能离开电极，产生热电子发射电流：载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第46页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用47（1）场助热电子发射肖特基效应 由于外电场的存在而使有效功函数降低的效应。高场强下，电子被电场拉出金属，产生场致发射电流。E=0 时:瑞卡得逊瑞卡得逊 德

27、西门公式德西门公式电极发射电子、孔穴离开电极场助发射介于热电子发射和场致发射之间载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第47页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用48 金属与真空的边界 可用矩形势垒表示。金属与介质的边界 电子溢出金属的势垒发生变化，为电子与金属表面感应正电荷之间静电引力形成势垒。载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第48页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用49 阴极发射 设电子在金属外无限远处的势能为零，在x负方向加一电场，克服电像力的阻碍,使电子容易脱离金属表面，则合成势垒下降为：用镜像法，可求得在金属表面数个原子层外，载流子的增殖过程载

28、流子的增殖过程现在学习的是第49页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用50亦为 E 0 时热电子发射的必要条件。求极值：因此，外电场使热电子所需克服的势垒降低：s肖特基系数若总势垒则肖特基效应的必要条件：载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第50页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用51可得出场助电子发射电流密度：其中：取对数载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第51页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用52 场致发射电流是在强电场下，由量子隧道效应形成的电流，与温度关系不大。不同于热电子在较高温下出现，故称冷发射电流。（2）场致发射实验发现，电子

29、增殖明显。约为108V/m载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第52页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用53电极效应：（1）阴极介质导带（2）介质价带阳极 体效应：（3）介质价带介质导带（4）杂质能级介质导带 强场下隧道效应从电极进入介质的可能过程：载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第53页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用54 为与电极介质功函数有关的常数，与温度关系不大。在过程（1）中，透射系数：介质中加电场E，从电极进入介质导带的隧道电流密度与场强的关系（符勒朗得亥姆公式）：载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第54页，共70页电介质理论

30、及其应用电介质理论及其应用55 ZnO边界层强场效应器件在强电场下的电流密度与电场强度的关系曲线载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第55页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用56 气体介质中的正离子在电场中加速，冲击金属表面，发射出带电与不带电的粒子。不带电粒子可为：正离子+电子 原子 带电粒子为：二次电子 或负离子（3）表面电子发射载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第56页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用572.2 体效应非晶态电介质及杂质缺陷的存在破坏理想晶格长程有序禁带内产生陷阱能级影响载流子的产生与消失影响介质导电性介质内部受到库仑电势约束的

31、电子，如带正电的陷阱中心所俘获的电子等内肖特基效应电场使介质陷阱中心的库仑势垒降低，使发射载流子数迅速增加，称为普尔弗伦凯尔效应 载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第57页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用58（1）普尔弗伦凯尔效应F 普尔弗伦凯尔系数在电场E存在时，载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第58页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用59类似于晶体介质中电子电导的分析方法，忽略沿电场方向的热电子发射电流，可得 因电子间静电力作用距离故故现在学习的是第59页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用60由此：普尔弗伦凯尔效应和肖特基效应具有

32、相似的JE规律，且b=b，故很难区分。电导为体限制时，观察到普尔弗伦凯尔效应。电导为电极控制时，观察到肖特基效应。载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第60页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用61 W 分子的电离能，x为自由行程（2）电子碰撞电离效应 自由电子获得足够能量后，与介质中粒子发生碰撞，碰撞电离产生新电子。一般发生在气体介质中。满足的条件：载流子的增殖过程载流子的增殖过程现在学习的是第61页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用623.载流子的输运过程（）单晶介质常指金属与半导体 散射电子从一个稳态跃迁到另一个稳态 声子离子偏离格点的运动组成晶体中的格波，

33、格波的 能量是量子化的，格波的量子称为声子。实验证明：在金属与半导体单晶中，随温度下降而增 大，表明晶格振动对散射起主导作用。而 散射是影响载流子输运的主要因素。3.1单晶介质的能带导电模型扩展态迁移率载流子的输运过程载流子的输运过程现在学习的是第62页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用63晶体中共有化运动的电子在离子产生的周期性势场中运动。离子偏离平衡位置使周期势场破坏，附加的偏离周期性势场可看为微扰，使电子跃迁，产生散射。载流子的输运过程载流子的输运过程现在学习的是第63页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用64 特点：1)平均自由程比原子间距离大得多，电子能量高。在

34、半导体中产生碰撞电离。2)电介质晶体禁带很宽，导带窄，电子易 受到带边散射，平均自由程很低，小。3)杂质进入产生中间能级晶体中的电子电导 主要由杂质引起。所以，电子晶格相互作用，称为电子与声子相互作用。其本质为金属中电子和离子之间的电磁作用。可得电子迁移率：载流子的输运过程载流子的输运过程现在学习的是第64页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用653.2 非晶态介质局域态迁移率 绝缘材料大多由非晶体，或非晶与晶体相共存。远程无序，近程有序。电子迁移可通过热电子跃迁或隧道效应。载流子的输运过程载流子的输运过程现在学习的是第65页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用66空间电荷

35、空间电荷指局部空间出现的非平衡电荷或过剩电荷指局部空间出现的非平衡电荷或过剩电荷热阴极注入到真空中的电子空间电荷热阴极注入到真空中的电子空间电荷 半导体半导体P N结载流子耗尽区结载流子耗尽区 固体电介质中的空间电荷固体电介质中的空间电荷 4.强场下的电流特性4.1 陷阱态与空间电荷陷阱或俘获中心陷阱或俘获中心能够俘获载流子形成空间电荷的局域态能够俘获载流子形成空间电荷的局域态库仑吸引中心库仑吸引中心库仑中性中心库仑中性中心库仑排斥中心库仑排斥中心强场下的电流特性强场下的电流特性现在学习的是第66页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用674.2 空间电荷限制电流 电极注入电流Ic,介

36、质体内电流Ib。1）稳态Ic=Ib,；当IcIb时，电流不连续，出现空间电荷。2）Ic Ib，在阴极形成正空间电荷，加强阴极处场强，增加阴极注入电流。3）Ic Ib，形成负空间电荷，削弱阴极表面的电场，使Ic降低，同时由于介质中电子空间电荷的存在，引起空间电荷限制电流Is，使Ic=Ib+Is平衡 形成原因：介质中因结构缺陷或杂质形成大量陷阱态。陷阱态测量方法：TSC（电介质），少子寿命（半导体）强场下的电流特性强场下的电流特性现在学习的是第67页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用684.3 晶界势垒控制电流 多晶介质晶粒与晶界组合ZnOZnO晶粒晶界层强场下的电流特性强场下的电流特性现在学习的是第68页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用69(1)晶粒内为导带的扩展态电导；晶界处为局域态跃迁，迁移率很小。(2)晶界存在高势垒，介质电导由势垒控制，产生场助热电子发射。(3)电场很高时，发生隧道效应，电导增加，介质电导由晶界控制过度为晶粒控制。所有晶粒均匀分布，晶界同时过度，介质体内可均匀通过大电流而不破坏。(4)若使低势垒晶界变为高势垒，则由晶粒控制转变为晶界控制。介质由低阻变为高阻状态。强场下的电流特性强场下的电流特性现在学习的是第69页，共70页电介质理论及其应用电介质理论及其应用05.04.2023感感谢谢大大家家观观看看现在学习的是第70页，共70页