无机非金属的导电机理

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1、2.1.5无机非金属的导电机理Eg价带导带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：NaClAgClMgO非晶体：玻璃绝缘体常温下是绝缘的，不能导电电导率的基本公式：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

2、导显著）载流子为离子或离子空位——离子电导1.载流子浓度（1）固有电导（本征电导）提供载流子由晶体本身热缺陷——弗仑克尔缺陷肖脱基缺陷晶体的温度较高时，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。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。肖特基缺陷：一定温度下、表

3、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。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（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：①掺杂可

4、形成载流子，同时形成新载流子。②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。新的载流子杂质离子——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

5、场作用下，通过材料的长距离迁移。①间隙离子1受周围离子的作用，处于半稳定状态。②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）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。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，E≠0外电场作用下，间隙离子的势垒发生变化则顺电场方向和逆

6、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δ——每跃迁一次的距离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δ当电场强度不大时，同样：所以：载流子沿电流方向的迁移率为：——晶格距离，δ越大（晶格结构越松散），μ越大。——间隙离子的振动频率，——间隙离子的电荷数，——0.86×10-4ev/k，——无外电场时间隙离子的势垒。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：Ws——电导活化能缺陷形成能E迁移能UAs——比例常数，温度不高时，为常数本征离子电导率的一般表达式为

7、：B1——W/kW1——本征电导活化能缺陷形成能E迁移能UN1——单位体积内离子结点数N2——杂质离子浓度杂质离子电导率的一般表达式为：B2——W/kW2——电导活化能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只有一种载流电导率可表示为：写成对数形式:活化能: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:31242两种导电机理（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

8、4导电机理复杂3两种导电