6.3---离子晶体的点缺陷及其导电性PPT课件.ppt

6.3 离子晶体的点缺陷及其导电性 由于离子晶体是由正负离子在库仑力的作用下结合而成的，因而使离子晶体中的缺陷带有一定的电荷，这就是引起离子晶体的点缺陷具有一般点缺陷所没有的特性。因此有必要对其进行单独讨论。 6.3.1 离子晶体中的点缺陷 离子晶体的结构特点是：正、负离子相间排列在格点上，每一个离子均被配位数相等的异号离子所包围。无论是形成正、负离子空位，还是形成正、负填隙离子，都会在缺陷处形成正的或负的带电中心。显然， 型离子晶体中共有4种带电的本征缺陷，成为正电中心的点缺陷有负离子空位和正填隙离子，而带负电的有正离子空位和负填隙离子，如图6.3-1所示。 由于整个晶体保持电中性，这就限定在离子晶体中，对肖脱基缺陷应有数目相同的正、负离子空位，而对夫伦克尔缺陷，则应有数目相同的正离子空位和正填隙原子，以及数目相同的负离子空位和负填隙离子。 图6.3.1 离子晶体中的缺陷 类似于6.1节的讨论，平衡时离子晶体中某种点缺陷的数目 (6.3.1) 式中， 代表产生一对电荷相反的点缺陷所需要的能量。如对肖脱基缺陷， 就代表产生一对分离的正、负离子空位所需要的能量。 一般说来，离子晶体中的负离子的半径比正离子的半径大，所以负填隙离子比正填隙离子难以形成。 离子晶体中的点缺陷除了本征热缺陷外，还可能存在替位式杂质和填隙式杂质缺陷，它们一般也是带电中心。例如， 将 掺入到 晶体中， 将替代 占据格点位置，但由于两者的电荷不同，替位的 便成为一个正电中心。为了保持晶体的电中性，必定同时产生一个正离子空位。这可以由掺入 后， 晶体的密度降低得到证实。 6.3.2 离子晶体的导电性 理想的离子晶体是典型的绝缘体，满价带与空带之间有很宽的禁带，热激发几乎不可能把电子由满价带激发到空带上去。但实际上离子晶体都有一定的导电性，其电阻明显的依赖于温度和晶体的纯度。因为温度升高和掺杂都可能在晶体中产生缺陷，所以可以断定离子晶体的导电性与缺陷有关。实验发现，当离子晶体中有电流通过时，会在电极上沉淀出相应离子的原子，这说明载流是正、负离子。另外，如前所述，在 晶体中掺入 后，可产生 离子空位， 含量越大， 空位的数目也就越多。实验发现，室温下 晶体的导电率与杂质 的浓度成正比。这些实验事实都直接证实了离子晶体是借助缺陷运动而导电的。 从能带理论可以这样理解离子晶体的导电性：离子晶体中带电的点缺陷可以是束缚电子或空穴，形成一种不同于布洛赫波的局域态。这种局域态的能级处于满带和空带的能隙中，且离空带的带底或者满带的带顶较近，从而可能通过热激发向空带提供电子或接受满带电子，使离子晶体表现出类似于半导体的导电性。 综上所述，离子晶体的导电现象是由带电点缺陷在外电场作用下运动产生的。为了导出电导率与温度的关系，先考虑一个正的填隙离子在沿 方向的电场 作用下的运动情况 图6.3.2 在无外电场时， ，带电点缺陷处于对称的势阱中，如图6.3.2（a）所示。点缺陷在热涨落作用下向左或向右的跳跃几率是相同的，即是无规则的布朗运动，不产生宏观电流。当沿着 方向存在一电场 时，晶格中的势场是为电势场与晶格势场之 和。若取间隙位置为势能零点，间隙在 方向的距离为 ，正填隙离子的电荷为 ，则势阱左、右两边的势垒高度分别为 和 。 从而使正填隙离子向左和向右的跳跃几率分别为 (6.3.2) (6.3.3) 向左、向右的跳跃几率实际上可以认为是单位时间向左、向右所跳动的步数。由于每次跳动的距离是 ，所以单位时间填隙离子平均沿电场移动的距离，即平均速率为 (6.3.4) （6.3.5） 式中 对于既可作扩散运动又可在外电场下作“漂移”运动的带电粒子，只要忽略它们之间的相互作用，爱因斯坦关系就都成立。 在弱电场