第四讲
材料
关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料
电性能—离子类载流子导电离子电导：带电荷的离子。本征导电（离子导电、空位导电）杂质导电本征导电高温☆晶格与离子的联系低温杂质导电4.1离子电导理论一.载流子浓度对于固有电导（本征电导），载流子由晶体本身热缺陷——弗仑克尔缺陷和肖脱基缺陷提供。单位体积的载流子数目。晶体结构与晶体缺陷的概念点阵：晶体内部结构概括为是由一些相同点子在空间有规则作周期性无限分布晶体格子（简称晶格）：晶体中原子排列的具体形式。简单立方晶格：晶体缺陷：类型:弗仑克尔缺陷（Frenkeldefect）和肖特基缺陷（Schottkydefect）定义:热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。热缺陷—点缺陷弗仑克尔缺陷的填隙离子和空位的浓度相等。都可表示为：肖特基空位浓度，在离子晶体中可表示为：一般肖特基缺陷形成能比弗仑克尔缺陷形成能低许多。二.离子迁移率高度为U0的“势垒”某一间隙离子由于热运动,越过位势垒。根据玻尔兹曼统计规律，单位时间沿某一方向跃迁的次数为：无外加电场——无电荷定向运动有外加电场——电荷定向运动则顺电场方向和逆电场方向填隙离子单位时间内跃迁次数分别为：则单位时间内每一间隙离子沿电场方向的剩余跃迁次数为：δ－相邻半稳定位置间的距离当电场强度不大时，同样：迁移率:是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢，迁移率小。同一种半导体材料中，载流子类型不同，迁移率不同，一般是电子的迁移率高于空穴。如室温下，低掺杂硅材料中，电子的迁移率为1350cm2/（VS），而空穴的迁移率仅为480cm2/(VS)。迁移率主要影响到晶体管的两个性能：一是影响半导体材料的电导率；二是影响器件的工作频率。载流子沿电流方向的迁移率为：1.离子电导的一般表达式三.离子电导率本征离子电导率的一般表达式为：杂质离子：式中：N2——杂质离子浓度若物质存在多种载流子，其总电导率为：4.2离子电导与扩散离子导电是离子在电场作用下的扩散现象。离子扩散机构主要有：①空位扩散；②间隙扩散；③亚晶格间隙扩散。一般间隙扩散比空位扩散需更大的能量。间隙-亚晶格扩散相对来讲晶格变形小，比较容易产生。能斯特-爱因斯坦（Nernst-Einstein）方程电流密度：扩散通量：（用J表示）n为载流子单位体积浓度；x为扩散方向；q为离子电荷量；D为扩散系数。当存在电场E时，其产生的电流密度J2可用欧姆定律微分形式表示，即：浓度梯度热扩散和电场同时存在时，总电流密度应为：玻耳兹曼（Boltzmann）分布，在存在电场时，浓度可表示为：n0为常数，因此，浓度梯度为：热平衡条件下，Ji=0，因此：(4.25)式在离子电导率和离子扩散系数之间建立了联系，称为能斯特-爱因斯坦方程。B——离子绝对迁移率温度↑→离子热振动加剧→电导率(σ)↑B—与材料有关的常数A211—低温区的杂质导电2—高温区的本征导电4.3离子电导的影响因素1.温度2.离子性质、晶体结构的影响导电激活能：下标‘ion’代表参与导电的某种离子，A为常数，E为激活能。2.离子性质、晶体结构的影响材料熔点高→离子间结合力大→离子活性↓→导电激活能↑→σ↓离子半径大→离子间结合力↓→离子活性↑→σ↑离子价数↑→离子键力↑→离子活性↓→σ↓晶体间隙大→离子移动自由程↑→σ↑离子晶体要具有离子电导的特性，必须具备以下条件：1）电子载流子的浓度小；2）离子晶格缺陷浓度大并参与电导。因此离子型晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键。影响晶格缺陷生成和浓度的主要原因是：1）由于热激励生成晶格缺陷；2）不等价固溶掺杂形成晶格缺陷；3）离子晶体中正负离子计量比随气氛的变化发生偏离，形成非计量比化合物，因而产生晶格缺陷。3.缺陷空位、间隙原子或掺杂原子（使空位产生）均可参与导电→σ↑当晶体中离子扩散方向与外电场力方向一致时，离子的浓度梯度愈大，导电性愈好。浓度梯度固体电解质——具有离子导电的固体物质。快离子导体——电导率较高的固体电解质。4.4快离子导体4.4.1快离子导体的发展历史1834年M.法拉第首先观察到AgS中的离子传输现象；1914年，Tubandt和Lorenz发现银的化合物在恰低于其熔点时，AgI的电导率要比熔融态的AgI的电导率高约20％；1934年，Strock系统研究了AgI的高温相有异乎寻常的离子导电性，并首次提出了熔融晶格导电模型；20世纪60年代中期，发现了复合碘化银和Na+离子为载流子的β-Al2O3快离子导体，其电导率可达到10-1S·cm-1;20世纪70年代，美国福特汽车公司已把Na-β-Al2O3快离子导体制成Na-S电池，锂快离子制成的电池用于计算机、电子表、心脏起搏器等。目前，快离子导体制作的化学传感器、电池等已广泛的应用于生产、生活各个方面。4.4.2快离子导体的特征图4.6各种离子导体电导率与温度的关系E在1~2eVE<0.5eV快离子导体的晶格特点:由不运动的骨架离子占据特定的位置构成刚性晶格，为迁移离子的运动提供通道；由迁移离子构成亚晶格。亚晶格点阵之间具有近乎相等的能量和相对较低的激活能;具有数量远高于可移动离子数的大量空位，存在可供迁移离子占据的空位;在空位迁移的点阵间存在通道。离子迁移变成快离子导体条件:固体结构中存在大量的晶格缺陷；即迁移离子附近应存在可能被占据的空位，而空位数目应远较迁移离子本身的数目为多。这种快离子导体的特征使离子的移动非常容易。存在亚晶格结构；固体有层状或网状结构。应存在提供离子迁移所需的通道。即离子迁移所需克服的势垒高度应相当小。AgI快离子导体的晶体结构4.4.3快离子导体的分类一维传导是指晶体结构中的传输通道都是同一指向，都出现在具有链状结构的化合物中；如四方钨青铜。二维传导是指离子在晶体结构中的某一个面上迁移，都出现在层状结构的化合物中；如Na-β-Al2O3快离子导体。三维传导是指在某些骨架结构的化合物中，离子可以在三维方向上迁移，传导性能基本上是各向同性。如Nasicon(钠超离子导体，NaZr2P3O12)等。根据通道特点：正离子载流子：银离子导体、铜离子导体、钠离子导体、锂离子导体以及氢离子导体；负离子载流子：氧离子导体和氟离子导体。根据载流子类型：4.4.4快离子导体的应用钠-硫电池具有比铅酸电池高4～5倍的能量密度气体探测器：氧化锆和其他快离子导体制成。汽车发动机和锅炉燃烧室的燃烧过程。在能源和固体离子器件方面：研究前景：固体离子学具有固—液二重性作业题：实验测出离子型电导体的电导率与温度的相关数据，经数学回归分析得出关系为：试求：1.在测量温度范围内的电导激活能的表达式；2.若给出T1=500K时，，T2=1000K时，，计算电导激活能的值。
浙公网安备 33021202002483