2.1.5 无机非金属的导电机理

nullnull2.1.5 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null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null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null1.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。null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。null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。null 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null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null（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掺杂可形成载流子，同时形成新的载流子。 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。null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null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null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。null① 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）null 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。null 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，null E≠0外电场作用下，间隙离子的势垒发生变化null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：δ——每跃迁一次的距离null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δnull当电场强度不大时，同样：所以：null载流子沿电流方向的迁移率为：null1.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：nullAs——比例常数，温度不高时，为常数null本征离子电导率的一般表达式为： B1——W/kN1——单位体积内离子结点数nullN2——杂质离子浓度杂质离子电导率的一般表达式为： B2——W/k W2——电导活化能null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null只有一种载流电导率可表示为：写成对数形式:活化能:null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:null2 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null4 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null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null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null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。