第五章无机材料的电导精要.ppt

表面空间电荷层：在金属中，自由电子密度很高，表面电荷基本上分布在一个原子层厚度范围内，与金属相比，由于半导体载流子密度要低的多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内，这个带电的表面层为表面空间电荷层。 表面电势：表面空间电荷层两端的电势差。 表面电势的正负规定：表面电势比内部高时，其值取正，反之取负。 表面势为负值时，表面处能带向上弯曲，，在热平衡状态下，半导体内费米能级为一定值，随着向表面接近，价带顶将逐渐移近甚至超过费米能级，同时，价带中的空穴浓度也随之增加，结果表面层内出现空穴的堆积而带正电。 表面空间电荷层 的三种状态（主要讨论p型半导体） 1）多数载流子堆积状态 － － － － － － － ? ? ? ? ? ? ? EF p 当表面势为正值时，表面处能带向下弯曲，越接近表面，费米能级离价带顶越远，价带顶空穴浓度随之降低，在靠近表面的一定区域内，价带顶比费米能级低的多，根据波尔兹曼分布，表面处空穴浓度将比体内浓度低的多。 2）多数载流子耗尽状态 － － － － － － － ? ? ? ? ? ? ? p 在2）的基础上，表面处能带进一步向下弯曲，越接近表面，表面处费米能级可能高于禁带中央能量，即，费米能级离导带底比离价带顶更近一些，表面电子浓度超过空穴浓度，形成了与原来半导体导电类型相反的一层。 3）少数载流子反型状态 － － － － － － － ? ? ? ? ? ? ? - - - - - 压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应。即在某一临界电压以下，电阻值非常高，可以认为是绝缘体，当超过临界电压（敏感电压），电阻迅速降低，让电流通过。 电压与电流是非线性关系。 1. 晶界效应 （1） 压敏陶瓷 隧道效应 热激发 双肖特基势垒图 （2） PTC效应 PTC效应：电阻率随温度升上发生突变，增大了3—4个数量级。是价控型钛酸钡半导体特有。电阻率突变温度在相变（四方相与立方相转变）温度或居里点。 PTC机理（Heywang晶界模型)： 1）n型半导体陶瓷晶界具有表面能级； 2）表面能级 可以捕获载流子，产生电子耗损层，形成肖特基势垒。在烧结时，需采用氧化气氛，缓慢冷却，使晶界充分氧化，因此所得烧结体表面覆盖着高阻氧化层，在被电极前将氧化层去除。 3）肖特基势垒高度与介电常数有关，介电常数越大，势垒越低；4）温度超过居里点，材料的介电常数急剧减小，势垒增高，电阻率急剧增加。 表面效应：半导体表面吸附气体时电导率发生变化。 吸附气体的种类：H2、O2、CO、CH4、H2O等。 半导体表面吸附气体对电导率的影响： 如果吸附气体的电子亲和力大于半导体的功函数，吸附分子从半导体中捕获电子而带负电；相反吸附分子带正电。 n型半导体负电吸附，p型半导体正电吸附时，表面均形成耗尽层，表面电导率减小。 p型半导体负电吸附，n型半导体正电吸附时，表面均形成积累层，表面电导率增加。 2 表面效应（吸附其他分子或原子） 例如： 一般具有氧化性的分子（如：氧分子）从n型半导体和p型半导体中捕获电子而带负电，引起半导体表面的负电吸附。还原型气体引起半导体表面的正电吸附。 1/2O2(g)+ne ? Oad n- Oad : 吸附分子 温度对吸附离子形态的影响： 低温?高温 O2 ? 1/2O4- ? O2- ? 2 O- ?2O2 - O::O ·O:O:O:O: ·O:O· ·O: :O: 气敏理论模型 SnO2是n型半导体 在空气中吸附氧，氧的电子亲和力比半导体材料大，从半导体表面夺取电子，产生空间电荷层，使能带向上弯曲，电导率下降，电阻上升。 吸附还原型气体，还原型气体与氧结合，氧放出电子并回至导带，使势垒下降，元件电导率上升，电阻下降。 2. 氧化物中缺陷能级 杂质缺陷 不同于被取代离子价态的杂质 组分缺陷 引起非计量配比的化合物： 还原气氛引起氧空位； 阳离子空位； 间隙离子。 （1） 价控半导体陶瓷杂质能级的形成 例如： BaTiO3的半导化通过添加微量的稀土元素，在其禁带间形成杂质能级，实现半导化。添加 La的BaTiO3原料在空气中烧成, 用不同于晶格离子价态的杂质取代晶格离子，形成局部能级，使绝缘体实现半导化而成为导电陶瓷。 杂质离子应具有和被取代离子几乎相同的尺寸；杂质离子本身有固定的价态。 1）价控半导体陶瓷： 2）杂质离子需满足的条件 反应式如下: Ba2+Ti 4+