《无机非金属的导电机理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无机非金属的导电机理（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2.1.5 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,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。（较低温度下杂质电导显著）,
2、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,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
3、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：掺杂可形成载流子，同时形成新载流子。 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。,杂质离子载流子浓
4、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：离子类载流子电场作用下， 通过材料的长距离迁移。, 间隙离子1受周围离子的作用，处于半稳定状态。 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
5、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，,E0,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,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：,
6、载流子沿电场方向的迁移速度为 v， 每跃迁一次的距离为,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，越大（晶格结构越松散），越大。 间隙离子的振动频率， 间隙离子的电荷数， 0.8610-4ev/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：,As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：,B1W/k,N1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：,B2W/k,W2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,
7、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:,2 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,4 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,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,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,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。,
