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1、LOGO5 材料的电导性能5.1 电导的基本性能5.2 离子电导5.3 电子电导5.4 金属材料的电导5.5 固体材料的电导5.6 多晶半导体材料Materials PLOGO5.6 多晶 半导体材料Materials Physics半导体陶瓷具有半导体特性 、 电导率约在 10-6 105S/m的陶瓷 。主要特征 ： 电导率随外界条件 (温度 、 光照 、 电场 、气氛和湿度等 ) 变化而发生显著的变化 。敏感元件热敏电阻器 压敏电阻器 气敏传感器LOGO5.6 多晶 半导体材料5.6.1 p-n结Materials Physics半导化在禁带中形成附加能级 ， 这些附加能级的电离能都比较低
2、 ， 受到激发就会产生载流子而形成半导体 。在氧化物晶体中产生附加能级主要有两个途径 ：(1) 不含杂质的氧化物主要通过 化学计量比偏离 ， 在晶体中存在固有缺陷 。(2) 在氧化物中 掺入少量杂质 ， 在晶体中存在杂质缺陷 。(1) 氧化物陶瓷的半导化怎样能形成附加能级 ？怎样能形成附加能级 ？LOGO5.6 多晶 半导体材料Materials Physics半导瓷的制备通常要经过高温烧结阶段 ， 如果烧结在氮气或氢气气氛中 ， 其氧分压低于某一临界值 ， 则晶粒内部的氧将向外界扩散而产生氧不足 ， 而在冷却过程中在高温热平衡状态下产生的氧不足会保留下来 ， 造成化学计量比偏离 。组分缺陷
3、氧不足 氧空位或填隙金属离子缺陷施主能级LOGO5.6 多晶 半导体材料Materials Physics出现的固有缺陷有两种可能 ： 产生氧空位固有缺陷 ； 产生填隙金属离子固有缺陷 。MO MO1-x氧离子晶格位置过剩氧离子晶格位置过剩这两种可能情况都会在晶格周围中产生过剩的电子 ， 这些过剩的电子被氧空位或填隙金属离子形成的正电中心所束缚 ， 且处于一种弱束缚状态 ，在导带下面形成施主能级 。例如 ： TiO2-x例如 ： Zn1+xOLOGOMaterials Physics5.6 多晶 半导体材料例如 ： TiO2等金属氧化物还原气氛焙烧半导化缺陷反应式 ：)g(O21e2VO2OO
4、+= Vo Vo_ _ _Vo EgEcEvEDLOGOMaterials Physics例如 ： ZnO在 Zn蒸气中加热半导化缺陷反应式 ：eZnZneZnZn)g(O21ZnZnOiiii2i+=+=+= Mi Mi_ _ _Mi EgEcEvED5.6 多晶 半导体材料LOGOMaterials Physics 氧过剩 金属离子空位缺陷受主能级高温烧结半导瓷如果烧结在氧气气氛中 ， 含氧量较高 ， 其氧分压超过某一临界值时 ， 则气相中的氧将向瓷体内部扩散 ， 在达到气一固平衡时就会在晶体中产生超过化学计量比的氧过剩 ， 这氧过剩可能在降温时大部分保留下来 ， 从而使最终产品显著地偏离
5、严格的化学计量比 。5.6 多晶 半导体材料LOGOMaterials Physics出现的固有缺陷有两种可能 ： 产生填隙氧离子固有缺陷 ； 产生金属离子空位固有缺陷 。MO MO1 x氧离子过剩氧离子过剩后者的金属离子一般为二价 ， 一旦氧过剩 ， 为保持电中性 ， 一部分阳离子变成正三价 ， 视为俘获一个空穴 ， 形成弱束缚空穴 ， 在价带上方形成受主能级 。可能性很小例如 ： Mn1-xO5.6 多晶 半导体材料LOGOMaterials Physics例如 ： MnO在氧化气氛下烧结半导化缺陷反应式 ：+=+=+=hVVhVVO2V)g(O21MMMMOM2 VM VMVMEgEcE
6、vEA5.6 多晶 半导体材料LOGOMaterials Physics半导体中的杂质原子可以使电子在其周围运动而形成量子态 ， 杂质量子态的能级处在禁带之中 。杂质缺陷 替位高价杂质 ： 在半导体晶体能带的 导带底附近 的位置产生附加的施主能级 。替位低价杂质 ： 在半导体晶体能带的 价带顶附近 的位置产生附加的受主能级 。5.6 多晶 半导体材料LOGOMaterials Physics + + +EgEcEvEDrED+LaBa弱束缚电子和自由电子例如 ： 掺杂 La实现 BaTiO3的半导化缺陷反应式 ：)g(O21O2e2La2OLa2OBa32+= 替位高价杂质 施主能级 n型半导
7、体5.6 多晶 半导体材料LOGOMaterials Physics例如 ： NiO中掺杂 Li2O半导化缺陷反应式 ：+=+ONi22O2h2iL2)g(O21OLi - - -EgEcEvEArEA-价电子LiNih 替位低价杂质 受主能级 p型半导体5.6 多晶 半导体材料LOGOMaterials Physics小结n型半导体陶瓷还原气氛或阳离子金属蒸气中烧结替位高价杂质p型半导体陶瓷氧化气氛中烧结替位低价杂质5.6 多晶 半导体材料LOGOMaterials Physicsp 型 、 n 型半导体的简化图示多数载流子空穴少数载流子电子多数载流子电子少数载流子空穴杂质 型半导体多子和少
8、子的移动都能形成电流 。但由于数量的关系 ， 起导电作用的主要是多子 。近似认为多子与杂质浓度相等 。带负电的电离受主带正电的电离施主p 型半导体 n 型半导体5.6 多晶 半导体材料LOGO5.6.1 p-n结Materials Physics载流子的两种运动 扩散运动和漂移运动(2) 空间电荷区的形成扩散运动 ：漂移运动 ：电中性的半导体中 ， 载流子从浓度高的区域向浓度较低区域的运动 。在电场作用下 ， 载流子有规则的定向运动 。5.6 多晶 半导体材料LOGO5.6.1 p-n结Materials PhysicsP区N区多子的扩散运动浓度差形成空间电荷区扩散的结果使空间电荷区 变宽 。
9、内电场少子的漂移运动内电场越强 ， 漂移运内电场越强 ， 漂移运动越强 ， 而漂移使空间动越强 ， 而漂移使空间电荷区电荷区变薄变薄。扩散和漂移这一对相反的运动最终达到扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡 ， 空间电荷区的厚度固定不变 。动态平衡 ， 空间电荷区的厚度固定不变 。空穴自由电子电离受主电离施主5.6 多晶 半导体材料LOGO5.6.1 p-n结Materials Physics ECEfnEVECEf pEV- - - - - -(3) p-n结能带及势垒p型 n型p型半导体的 Efp在禁带的下半部 ， 接近满带 。n型半导体的 Efn在禁带的上半部 ， 接近导带 。5.6
10、 多晶 半导体材料LOGO5.6.1 p-n结Materials PhysicsEF qVDqVDx空间电荷区当两种半导体结合形成 p-n结时 ， 电子将从费米能级高的 n区流向费米能级低的 p区 ， 空穴则相反 ，结果使 Efp不断上移 ， Efn不断下移 ， 直到 Efp=Efn时为止 ， 此时 p-n结中有统一的费米能级 Ef， p-n结处于平衡状态 。能带相对移动的原因是 p-n空间电荷区中内建电场的作用结果能带相对移动的原因是 p-n空间电荷区中内建电场的作用结果5.6 多晶 半导体材料LOGOMaterials PhysicsxV(x)Vd-xpxnx空间电荷区内电势由 np区不断
11、下降 ， 电子的电势能由 np区不断升高 ， 电子从势能低的 n区向势能高的 p区运动 ， 必须克服势能高坡才能到达 p区 ， 同理空穴也是如此 。势垒高度pFnFd)E()E(eV -=5.6.1 p-n结 eVdeVdxeV(x)0xn-xp5.6 多晶 半导体材料LOGO5.6.1 p-n结Materials Physics(4) 偏压下的 p-n结势垒和整流作用np+ E内电场1） 加入正偏压 V， n区的电势比 p区的电势高 VDV， 势垒下降 ， 空间电荷区变薄 ， 载流子扩散增强 ， 载流子产生净电流 。 正向偏压P 区 N 区内 电场外电场IF5.6 多晶 半导体材料LOGO5
12、.6.1 p-n结Materials Physics 反向偏压np+ E内电场P 区 N 区内电场外电场IR2） 加入负偏压 V， n区的电势比 p区的电势高 VD+V， 势垒上高 ， 空间电荷区变厚 ， 载流子扩散减弱 ， 少数载流子产生净电流极小 。5.6 多晶 半导体材料LOGO5.6.1 p-n结Materials Physics 高负偏压3） 负压过大 ， 势垒很大 ， 能带弯曲变大 ， 空间电荷区变薄 ， p-n结产生 隧道效应 ， 即 n区的导带和 p区的价带具有相同的能量量子态 。np+ E隧道效应5.6 多晶 半导体材料LOGO5.6.1 p-n结Materials Phys
13、ics(4) 光生伏特效应npnp+_En区空穴P区电子5.6 多晶 半导体材料LOGO5.6.1 p-n结Materials Physics光生伏特效应 ：1） 用能量 等于或大于 禁带宽度的光子照射 p-n结 ；2） p、 n区都产生电子 空穴对 ， 产生非平衡载流子 ， 非平衡载流子破坏原来的热平衡 ；4） 非平衡载流子在内建电场作用下 ， n区空穴向 p区扩散 ， p区电子向 n区扩散 ；5） 若 p-n结开路 ， 在结的两边积累电子 空穴对 ,产生开路电压 。5.6 多晶 半导体材料LOGO5.6.1 p-n结Materials Physics太阳能电池v工作原理 ：光伏效应当电池受到阳光照射时 ， 光与半导体相互作用 产生光生载流子 ， 所产生的电子 -空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极 ， 正负电荷分别被上下电极收集 。 由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载 。5.6 多晶 半导体材料LOGO5
