4.离子扩散机制
1)空位扩散:
以空位作为载流子的直接扩散方式,即结点上的质点跃迁到邻近空位,空位则反向跃迁。
2)间隙扩散:
以间隙离子作为载流子的直接扩散方式,即处于间隙位置的质点从一间隙位移入另一间隙位。
3)亚间隙扩散:
间隙离子取代附近的晶格离子,被取代的晶格离子进入间隙位置从而产生离子移动。
5.离子电导率的影响因素
1)离子电导率与扩散系数的关系:
能斯特-爱因斯坦方程
n:
载流子单位体积浓度
q:
离子荷电量
D:
扩散系数
D=BkTB=μ/q
B:
离子绝对迁移率
2)温度的影响
a)离子电导率随温度升高呈指数规律增加(记住课本上那张图)
b)高温下:
热运动能量增高,本征电导的载流子数显著增多,本征电导占主要地位
c)低温下:
由于杂质活化能比晶格点阵离子的活化能小许多,杂质电导占主要地位低
3)离子性质及晶体结构的影响
a)离子电导率随电导活化能升高呈指数规律减小。
b)离子性质:
一价阳离子尺寸小,电荷少,活化能低,电导率大;高价阳离子价键强,激活能高,电导率低。
c)晶体结构:
结构紧密会使电导率低。
d)晶格缺陷:
离子性晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键。
三、晶体的能带结构、本征半导体载流子浓度、杂质半导体、电子电导率的影响因素
1.晶体的能带结构
1)根据能带理论,在晶体中只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。
2)导体:
许多导体由于价带和导带重叠,电子部分地填充在导带上,可以自由运动,带来优良的电导特性。
少数导体出现部分填充的导带,但没有能带重叠。
3)半导体和绝缘体:
半导体禁带宽度较窄,电子跃迁较容易。
绝缘体的禁带宽度较宽。
2.本征半导体载流子浓度
1)导带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在,并且其载流子电子和空穴浓度相等,称为本征电导。
这类载流子只由半导体晶格本身提供的半导体称为本征半导体。
2)本征电导载流子浓度
Eg=Ec-Ev
3.杂质半导体
1)半导体掺入杂质后多出电子,这个多余电子的能级与导带很近,其电子比满带中的电子容易激发,这一能级称为施主能级ED。
掺入施主杂质的半导体为n型半导体。
其载流子浓度为:
NC:
导带的有效状态密度
ND:
施主杂质浓度
ED:
施主杂质能级
EC:
导带底部能级
2)半导体掺入杂质后少了电子而出现空穴能级,这个能级与价带很近,价带中的电子激发至空穴能级比起越过整个禁带到达导带要容易,这一能级称为受主能级EA。
掺入受主杂质的半导体为p型半导体。
其载流子浓度为:
NV:
价带的有效状态密度
NA:
受主杂质浓度
EA:
受主杂质能级
EV:
价带顶部能级
4.电子电导率(不要求)
1)本征半导体的电导率
2)n型半导体的电导率
3)p型半导体的电导率
4)本征部分在高温下其作用,杂质部分在低温起作用
5.电子电导率的影响因素
1)温度的影响
温度对电导率的影响包括对迁移率的影响和对载流子浓度的影响,而对后者的影响时主要的。
迁移率受散射的控制,由于电离杂质散射与晶格散射随温度变化趋势相反,因此迁移率随温度变化较小。
2)杂质及缺陷的影响(要看PPT)
a)杂质缺陷
b)组分缺陷
四、金属电导率的影响因素、固溶体电阻率的变化规律
1.金属电导率的影响因素
1)金属电阻率的本质
在由于晶体点阵离子的热振动,或晶体中的异类原子、位错和点缺陷等使晶体点阵的周期性遭到破坏的地方,电子波会受到散射,从而产生阻碍作用,降低电导性,这就是材料产生电阻的本质所在。
2)马西森定律
ρ=ρ’+ρ(T)
ρ(T):
与温度有关的金属基本电阻率,即溶剂金属(纯金属)的电阻;
ρ’:
与杂质浓度、点缺陷、位错有关的电阻率。
高温时,金属的电阻主要由ρ(T)项起主导作用;
低温时,金属的电阻决定于ρ’。
3)电阻率与温度的关系
a)理想金属在0K时电阻为零,当温度升高时,电阻率随温度升高而增加。
b)金属电阻率在不同温度范围与温度变化的关系,ΘD:
德拜温度
4)杂质、晶体缺陷对金属电阻的影响
a)含有杂质和晶体缺陷的金属的电阻,不仅有受温度影响的ρ(T)项,而且有ρ0’剩余电阻率项。
5)电阻率与压力的关系
高的压力往往导致物质的金属化,引起导电类型的变化,而且有助于从绝缘体→半导体→金属→超导体的某种变化。
6)冷加工和缺陷对电阻率的影响
a)冷加工可使纯金属和许多固溶体的电阻率增加。
b)冷加工变形时晶体点阵畸变和晶体缺陷增加,特别是空位浓度的增加,造成点阵电场的不均匀而加剧对电子散射,从而使电阻率增大。
此外,冷加工变形使原子间距有所改变,也会影响其电阻率。
c)退火可使冷加工变形金属产生回复和再结晶,使电阻降低。
[1]冷加工金属的电阻率:
[2]附加电阻率:
Δρ空位:
电子在空位处散射所引起的电阻率的增加值,当退火温度足以使空位扩散,这部分电阻消失
Δρ位错:
电子在位错处散射所引起的电阻率的增加值,这部分电阻将保持到再结晶温度。
d)缺陷对电阻率的影响
[1]空位、间隙原子以及它们的组合、位错等晶体缺陷使金属电阻率增加。
[2]点缺陷引起的剩余电阻率变化远比线缺陷的影响大。
2.固溶体电阻率的变化规律
1)无序固溶体的电阻(连续固溶体的电阻率,低浓度固溶体的电阻率)
a)金属形成无序固溶体后,电导率降低,电阻率升高。
b)溶质原子的溶入引起溶剂点阵的畸变,破坏了晶格势场的周期性,增加了电子的散射几率,使电阻率增大。
c)固溶体组元间的化学相互作用的加强使有效电子数减少,电阻率增大。
2)有序合金的电阻率
a)固溶体有序化后,合金组元化学作用加强,电子结合比无序固溶体增强,导致导电电子数减少而合金的剩余电阻增加。
b)晶体的离子电场在有序化后更对称,从而减少了电子的散射,因此使电阻降低。
c)通常情况下,第二个因素占优势,因此有序化后,合金的电阻总体上降低的。
d)远程有序度对剩余电阻率的影响
3)不均匀固溶体(K状态)电阻率
a)某些含有过渡族金属的合金,微结构分析认为是单相,但在回火过程中电阻有反常升高,而冷加工时电阻率明显降低,这种组织状态称为K状态。
由于这类固溶体中组元原子不均匀分布,又称为不均匀固溶体。
b)固溶体的不均匀组织是相内分解的结果。
这种分解不析出任何具有自己固定点阵的晶体,而是形成几何尺寸与电子自由程同一数量级的聚集区域,由此明显增加了电子散射概率,提高电阻率。
五、含碱玻璃的电导特性、双碱效应、压碱效应、陶瓷材料的显微结构特点及其电导特性
1.含碱玻璃的电导特性
1)含碱玻璃电导增强的原因:
玻璃结构疏松,R+为弱联系离子,能穿过大于其原子大小的距离发生迁移,电导活化能小,离子电导大。
2)R+含量对电导率的影响
a)当R+离子含量不大时,玻璃电导率随R+离子含量增加线性增加。
R+填充在玻璃结构疏松处,增加导电载流子数。
b)当R+离子含量达到一定限度时,电导率呈指数关系增加。
空隙被填满,增加R+会破坏原有结构紧密部分,使结构进一步松散,活化能降低,电导率迅速增加。
2.双碱效应
当碱金属离子总浓度较大时(占玻璃组成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,比例适当时,可降到最低。
两种离子由于半径不同通过空位迁移时产生干扰,妨碍各自迁移,造成电导率下降。
3.压碱效应
在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,相应的阳离子半径越大,效应越强。
二价金属离子加入,加强玻璃的网络形成,降低碱金属离子的迁移能力。
4.陶瓷材料的显微结构特点及其电导特性
1)多晶多相材料的电导是几个存在相的综合作用:
微晶相、玻璃相、气孔相。
2)玻璃相结构松弛,微晶相缺陷较多,两者活化能都较低,因有较高电导率。
由于玻璃相易几乎填充了坯体的晶粒间隙,易形成连续网络,含玻璃相的陶瓷电导很大程度上取决于玻璃相。
3)少量气孔时,气孔率增加,电导率减少。
气孔率很大形成连续相时,电导主要受气相控制。
4)材料的电导很大程度上取决于电子电导。
六、p-n结的形成、压敏效应、PTC效应的Heywang模型
1.p-n结的形成
1)氧化物陶瓷半导化
a)半导化:
在禁带中形成附加能级,这些附加能级的电离能都比较低,受到激发就会产生载流子而形成半导体。
b)在氧化物晶体中产生附加能级主要有两个途径:
[1]不含杂质的氧化物主要通过化学计量比偏离,在晶体中存在固有缺陷。
[2]在氧化物中掺入少量杂质,在晶体中存在杂质缺陷。
c)组分缺陷
[1]氧不足——氧空位或填隙金属离子缺陷施主能级
[2]氧过剩——金属离子空位缺陷受主能级
d)杂质缺陷
[1]半导体中的杂质原子可以使电子在其周围运动而形成量子态,杂质量子态的能级处在禁带之中。
[2]替位高价杂质(n型):
在半导体晶体能带的导带底附近的位置产生附加的施主能级。
[3]替位低价杂质(p型):
在半导体晶体能带的价带顶附近的位置产生附加的受主能级。
2)空间电荷区的形成
a)扩散运动:
电中性的半导体中,载流子从浓度高的区域向浓度较低区域的运动。
b)漂移运动:
在电场作用下,载流子有规则的定向运动。
c)扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡,空间电荷区的厚度固定不变。
d)p型半导体的Efp在禁带的下半部,接近满带;n型半导体的Efn在禁带的上半部,接近导带。
e)当两种半导体结合形成p-n结时,电子将从费米能级高的n区流向费米能级低的p区,空穴则相反,结果使Efp不断上移,Efn不断下移,直到Efp=Efn时为止,此时p-n结中有统一的费米能级Ef,p-n结处于平衡状态。
2.压敏效应
1)现象:
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,电阻迅速降低,让电流通过。
2)晶界效应:
双肖特基势垒模型
当加电压后,肖特基势垒发生倾斜,当电压低小时,仅有热激励电子流越过势垒,但当电压到达一定值,晶界上电子发生隧道效应通过势垒,造成电流急剧增大,表现为异常的非线性关系。
3.PTC效应的Heywang模型
1)现象:
电阻率随温度上升发生突变,增大了3—4个数量级。
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。
2)n型半导体陶瓷晶界具有表面能级;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。
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;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。
第二章材料的功能转换性能
一、电容量的计算公式、电介质提高电容量的原因、极化类型及特点、定性简化模型推导电子位移极化率、宏观电场、局部电场、克劳修斯-莫索堤方程推导、意义、适用范围、指导意义、电介质损耗形式、真实介质平板电容器的总电流及其数学表达形式、损耗角、损耗角正切、玻璃和陶瓷中损耗特点、降低材料介质损耗的方法
1.电容量的计算公式
C0=Q/U=ε0(U/d)A/U=ε0A/d
C0=εrQ/U=εrε0(U/d)A/U=εrε0A/d
2.电介质提高电容量的原因
介质材料在电场作用下发生极化,极板附近感应出表面电荷(束缚电荷),增加了电荷的存储能力。
3.极化类型及特点
1)弹性位移极化(瞬时极化):
弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。
a)电子位移极化
[1]产生原因:
正负电荷中心产生相对位移,中性分子转化为偶极子,产生电子位移极化或电子形变极化。
[2]定性简化模型推导平均极化率αe(见PDF)
i.一般大小的宏观电场引起的电子云畸变很小
ii.电子极化率的大小与原子(离子)的半径有关。
半径越大的原子,其原子云位移极化率一般较大。
[3]电子位移极化特点
i.形成极化所需时间极短(因电子质量极小),约为10-15s,其εr不随频率变化;
ii.具有弹性,没有能量损耗;
iii.温度对电子位移式极化影响不大,εr具有不大的负温度系数。
b)离子位移极化
[1]经典弹性振动理论推导平均极化率αi(见PDF)
[2]离子位移极化的特点
i.形成极化所需时间极短,约为10-13s,在一般的频率范围内,其εr不随频率变化;
ii.具有弹性,没有能量损耗;
iii.εr一般具有正的温度系数。
2)取向极化(驰豫极化):
与热运动有关,其完成需要一定的时间,且是非弹性的,需要消耗一定的能量的极化。
材料中的驰豫质点由于热运动而分布混乱,而电场使之有序分布,平衡时建立极化状态。
a)驰豫极化的特点
[1]比位移极化移动较大距离;
[2]极化建立时间长,约为10-2~10-9s;
[3]需吸收一定的能量,是一种非可逆过程。
b)电子弛豫极化αTe:
材料中弱束缚电子在晶格热振动下,吸收一定能量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态;处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点,移到另一个阳离子结点;外加电场使其运动具有一定的方向性,由此引起极化,使介电材料具有异常高的介电常数。
c)离子驰豫极化αTa:
材料中弱联系离子在电场作用下发生极化,可从以平衡位置移动到另一个平衡位置。
d)转向极化:
具有固有偶极矩的极性分子在外加电场作用下其固有偶极矩有序化,与极性分子的热运动达到统计平衡状态,整体表现为宏观偶极矩。
[1]形成极化所需时间较长,εr与电源频率有较大的关系
[2]极化是非弹性的,有能量损失
[3]温度对极性介质的ε有很大影响
e)空间电荷极化:
不均匀介质内部的正、负离子分别在电场作用下向负、正极移动,并在障碍处聚集,引起晶体内各点离子密度发生变化,产生电偶极矩,发生空间电荷极化。
[1]时间约为几秒钟到数十分钟,甚至数十余小时。
因而εr与电源频率有关,主要存在与低频至超低频阶段;
[2]属非弹性极化,有能量损失;
[3]随温度的升高而下降。
4.定性简化模型推导电子位移极化率
5.宏观电场
E宏=E0+Ed
外加电场E0(物体外部固定电荷所产生,即极板上的所有电荷所产生)
退极化电场Ed(即由材料表面感应的电荷所产生)
6.局部电场Eloc(有效电场)
Eloc=E0+E总=E0+E1+E2+E3
E1:
退极化场
E2:
洛仑兹场-洛仑兹空腔表面上的极化电荷所产生的电场
E3:
空腔内其他偶极子的电场
7.克劳修斯-莫索堤方程推导、意义、适用范围、指导意义
1)意义:
建立了可测物理量εr(宏观量)与质点极化率α(微观量)之间的关系。
2)适用范围:
适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极性固体、具有适当对称性的固体。
3)指导意义:
为获得高介电常数,应选择大极化率的离子,还应选择单位体积内极化质点多的电介质。
8.电介质损耗形式
1)电导损耗:
在电场作用下由于漏导电流引起的损耗。
2)极化损耗:
由于缓慢极化过程引起的能量损耗。
3)游离损耗:
气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放电引起的功率损耗。
9.真实介质平板电