材料的电导性能资料.ppt

? (b) 双碱效应 ? 应用条件：当碱金属离子 总 浓 度 较 大 时 （ 占 玻 璃 25-30% ），在碱金属离 子总浓度相同情况下，含 两种碱比含一种碱的电导 率要小，比例恰当时，可 降到最低 ( 降低 4 ～ 5 个数 量级 ) 。 (3) 压碱效应 ? 含碱玻璃中加入二价金属氧化物，尤其是重金属 氧化物，可使玻璃电导率降低，这是因为二价离 子与玻璃体中氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃 网络结构，以致堵住了离子的迁移通道，使碱金 属离子移动困难， 从而减小了玻璃的电导率。也 可这样理解，二价金属离子的加入，加强玻璃的 网络形成，从而降低了碱金属离子的迁移能力。 ? 半导体玻璃作为新型材料非常引人注目： ? （ 1 ）金属氧化物玻璃（ SiO 2 等）； ? （ 2 ）硫属化物玻璃（ S,Se,Te 等与金属的化合 物）； ? （ 3 ） Ge,Si,Se 等元素非晶态半导体。 （ 2 ）玻璃半导体 4.3 电子电导 ( 半导体 ) ? 导电的前提：在外界能量 ( 如热、辐射 ) 、价 带中的电子获得能量跃迁到导带中去； ? 导电机制：电子与空穴。 4.3.2 载流子浓度 (1) 晶体的能带结构 ? (2) 本征半导体中的载流子浓度 ? 本征电导：载流子由半导体晶格本身提供，是 由热激发产生的，其浓度与温度呈指数关系。 导带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存 在，载流子电子和空穴的浓度是相等的。 本征半导体的导电机理 +4 +4 +4 +4 在其它力的作用下， 空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流 子。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子 和 空穴 。 ? (3) 杂质半导体中的载流子浓度 ? 杂质对半导体的导电性能影响很大，例如，单晶硅中掺 (1/10 万 ) 硼，导电能力将增大 1000 倍。杂质半导体可分 为 n 型 ( 可提供电子 ) 和 p 型 ( 会吸收电子，造成空穴 ) 。 ? 施主能级 ? 在四价的 Si 单晶中掺入五价的杂质砷，一个砷原子外层有 五个电子，取代一个硅原子后，其中四个同相邻的四个硅 原子形成共价键，还多出一个电子，它离导带很近，只差 E 1 = 0.05eV ，为硅禁带宽度的 5% ，很容易激发到导带 中去。这种“多余”电子的杂质能级称为施主能级， n 型半 导体。 多余 电子 磷原子 N 型半导体中 的载流子是什 么？ 1 、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2 、本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为 多数载流 子 （ 多子 ），空穴称为 少数载流子 （ 少子 ）。 +4 +4 +5 +4 ? 受主能级 ? 若在 Si 中掺入第三族元素 ( 如 B) ，因其外层只有三个价电 子， 这样它和硅形成共价键就少了一个电子 ( 出现了一个 空穴能级 ) 此能级距价带很近，只差 E 1 = 0.045eV ，价带 中的电子激发到此能级上比越过整个禁带容易 (1.1eV) 。 这种杂质能级称为受主能级， P 型半导体。 II 、 p 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼 （或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质 取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的 半导体原子形成共价键时， 产生一个空穴。这个空穴 可能吸引束缚电子来填补， 使得硼原子成为不能移动 的带负电的离子。由于硼 原子接受电子，所以称为 受主原子 。 +4 +4 +3 +4 空穴 硼原子 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子 。 半导体的费米能的定义（ 化学势的概念？） 当系统处于热平衡状态，也不对外界做功的 情况下，系统中增加一个电子所引起的系统自由 能的变化，等于系统的化学势，也就是等于系统 的费米能级。 化学势（ Chemical potential ）：化学势就 是吉布斯自由能对成分的偏微分，化学势又称为 偏摩尔势能。 1 1 ( ) ln 2 2 c f c D D N E E E kT N ? ? ? 1 1 ( ) ln 2 2 A f V A V N E E E kT N ? ? ? * * 3 ( ) 2 4 C V h F B e E E m E k T Ln m ? ? ? ? 本征半导体的费米能级 N 型半导体的费米能级 p 型半导体的费米能级 ? 4.3.3 电子电导率 ? 本征电导率： ? n 型、 P 型半导体电导率： ? 与杂质无关 杂质引起 ? 低温时，第二项起作用，杂质电导起主要作用； 高温时，杂质已全部离解，本征电导起作用。 e Ne e n e n h e kT Eg h