第五章材料的电导精要.ppt

二.半导体陶瓷气敏元件 1.半导体陶瓷气敏元件是一种多晶体，存在着晶粒之间的 接触或颈部接合。 晶界和颈部的电导 半导体接触气体时，因为在晶粒表面形成空间电荷层，因 此两个晶粒之间介入这个空间电荷层部分。 图中(a)为晶粒相接触形成晶界。 当n型半导体晶粒发生负电荷吸附时，晶粒之间便形成图 (a)那样的电势垒，阻止晶粒之间的电子转移。 电势垒的高度因气体种类、浓度不同而异，从而使电导率 随之改变。 在空气中，氧的负电荷吸附结果， 电势垒高，电导率小。 若接触可燃气体，则与吸附氧反 应，负电荷吸附减少，电势垒降 低，电导率增加。 3. p型半导体 实际晶体具有比较复杂的导电机构。图示出电子电导率与 温度关系的典型曲线。 三种情况 ①σ-T有线性特征： 表示该温度区间具 有始终如一的电子 跃迁机构；如图 (a) ②曲线在TK处出现明显的曲折，表示低温区主要是杂质 电子电导，高温区以本征电子电导为主。如图 (b) ③曲线也在TK处出现明显的曲折，表示在同一晶体中同时 存在两种杂质时的电导特性。如图(c) 五、影响电子电导的因素 1.温度 总体来说，在温度变化不大时，电导率与温度关系符合 指数式。 1）迁移率与温度的关系 μ=eτ/m*，其中温度的影响主要体现在τ 上。 τ是载流子和声子碰撞的特征弛豫时间。它除了与杂质 有关外，主要决定于温度。τ的温度关系决定了迁移率 的温度关系。 * 总的迁移率μ受散射的控制，包括两大部分： (1)声子对迁移率的影响 (2)杂质离子对迁移率的影响 由于ρ=1/σ=1／neμ，而总的电阻由声 子、杂质两类散射机构叠加而成，因而 可求出总迁移率 低温下，杂质离子散射项起主要作用（即杂质电导）； 高温下，声子散射项起主要作用（本征电导）。 * 2）载流子浓度n与温度的关系 载流子浓度n受T的影响比μ受T的影响要大得多。因此电 导率对温度的依赖关系主要取决于浓度项。 图中低温阶段为杂质 电导，高温阶段为本 征电导，中间出现了 饱和区，此时杂质全 部电离解完，载流子 浓度变为与温度无关。 * 3）σ-T的关系 综合迁移率、浓度两个方面， 对于实际材料1nσ与1/T的关系 曲线是非线性的. 2．杂质及缺陷的影响 价控半导体就是通过杂质的引入，导致主要成份中离子 电价的变化，从而出现新的局部能级。 例1：BaTiO3的半导体常通过添加微量的稀土元素形成价 控半导体。添加La的BaTiO3原料在空气中烧成，其反应 式如下 添加La 的BaTiO3 材料中La 3+占据晶格中Ba 2+位置，但 每添加一个La 3+离子，晶体中多余一个正电荷，为了保 持电中性， Ti 4+俘获了一个电子，形成Ti 3+。这个被俘 获的电子只处于半束缚状态，容易激发，参与导电。此过 程提供施主能级，因而BaTiO3变成n型半导体。 例2：添加微量Nb 5+的BaTiO3中，置换固溶的结果同样 可以形成n型半导体。其反应式如下 例3：把少量氧化锂加入氧化镍中，将此混合物在空气中 烧成，可得电阻率极低的半导体(p=1Ω·cm)其反应式如下 结果在正常的阳离子位置上，通过引进低价离子Li+促进 了高价的Ni 3+的离子的生成。 Ni 3+离子可以看成 (Ni 2++空穴)。此过程提供与Li掺杂量相同数量的空穴， 因而为p型半导体。 2)组分缺陷 非化学计量配比的化合物中，由于晶体化学组成的偏离， 形成离子空位或间隙离子等晶格缺陷称为组分缺陷。 （1）阳离子空位 金属氧化物MnO, FeO, CoO, NiO等由于氧过剩，通常写 为M 1-δO。δ值决定于温度和周围氧分压的大小，并因 物质种类而异。 在平衡状态下，缺陷化学反应如下 * 从能带构造来看，如图所示，VM×，VM′．在能带间隙 内形成受主能级，这些空位的电离在价带顶部产生空穴， 从而形成p型半导体。 如果在一定温度下，阳离子空位全部电离成VM′′，根据 质量作用定律，得 若迁移率μ不随氧分压变化， 则电导率和氧分压的1/6方成 正比。 V-心 阳离子空位是一个负电中心，能束缚空穴。此空穴是弱 束缚的。这种束缚了空穴的阳离子空位的能级距价带顶 部很近，当吸收外来能量时，价带中的电子很容易跃迁 到此能级上，形成导电的空穴。吸收能量对应一定波长 的可见光能量，从而使晶体具有某种特殊的颜色。这种 俘获了空穴的阳离子空位(负电中心)叫做V-心。 V-心也 称为色心. * （2）阴离子空位 TiO2等金属氧化物，在还原气氛中焙烧时， 还原气氛夺 取了TiO2中的部分氧在晶格中产生氧空位。每个氧离子 在离开晶格时要交出两个电子。这两个电子可将两个 Ti 4+还原成Ti 3+。但三价Ti 3+离子不稳定，会恢复四价 放出两个电子。 式中的