无机材料物理性能电学部分电学部分1上节知识点回顾n半导体概念，能带结构；n本征半导体的电子电导率及影响因素；n组份缺陷对电子电导率的影响；25.4 多晶多相材料的电导多晶多相材料的电导相组成：相组成：晶粒、晶界、玻璃相、气孔、晶粒、晶界、玻璃相、气孔、相组成的导电性：相组成的导电性：玻璃相、微晶相（缺陷多）电导率较高。气孔电导率玻璃相、微晶相（缺陷多）电导率较高。气孔电导率小，但如果气孔形成通道，环境中的水份、杂质易进小，但如果气孔形成通道，环境中的水份、杂质易进入，对电导有影响。作为绝缘子使用，必须提高其致入，对电导有影响。作为绝缘子使用，必须提高其致密度。密度。35.5 半导体陶瓷的物理效应半导体陶瓷的物理效应1.接触效应接触效应2. 半导体间；金属与半导体间；金属与金属间；半导体间；金属与半导体间；金属与金属间；2.晶界效应晶界效应压敏，压敏，PTC3. 表面效应表面效应gas sensor4. 西贝克西贝克(Seeback)效应效应-thermalelectric45.5.1 晶界效应（1）压敏效应n微观结构中包括氧化锌晶粒以及晶粒周围的晶界层。氧化锌晶粒的电阻率很低，而晶界层的电阻率却很高，相接触的两个晶粒之间形成了一个势垒。 56 对电压变化敏感的非线性电阻效应。即在某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），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。电阻迅速降低，让电流通过。电压与电流是非线性关系。电压与电流是非线性关系。1隧隧道道效效应应热激发热激发双双肖肖特特基基势势垒垒图图无电场Ed表面能级高电场ZnO晶粒 晶界 ZnO晶粒7应用领域n稳压，过压保护n避雷针等8（2） PTC效应效应PTC效应：电阻率随温度升上发生突变，增大了效应：电阻率随温度升上发生突变，增大了34个个数量级。是价控型钛酸钡半导体特有。电阻率突变温度数量级。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。在相变（四方相与立方相转变）温度或居里点。 PTC机理（机理（Heywang晶界模型晶界模型)：1）n型半导体陶瓷晶界具有表面能级；型半导体陶瓷晶界具有表面能级；2）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，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。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；）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）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。阻率急剧增加。9应用领域n温度敏感元件，过热报警器，过热保护；nPTC的温度变化，用于液位计；n限电流元件；nP27110表面效应：半导体表面吸附气体时电导率发生变化。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：吸附气体的种类：H2、O2、CO、CH4、H2O等。等。半导体表面吸附气体对电导率的影响：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。带正电。n型半导体负电吸附，型半导体负电吸附，p型半导体正电吸附时，表面均型半导体正电吸附时，表面均形成耗尽层，表面电导率减小。形成耗尽层，表面电导率减小。p型半导体负电吸附，型半导体负电吸附，n型半导体正电吸附时，表面均型半导体正电吸附时，表面均形成积累层，表面电导率增加。形成积累层，表面电导率增加。5.5.3 表面效应（吸附其他分子或原子）表面效应（吸附其他分子或原子）11例如：例如：一般具有氧化性的分子（如：氧分子）从一般具有氧化性的分子（如：氧分子）从n型型半导体和半导体和p型半导体中捕获电子而带负电，引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。导体表面的正电吸附。 1/2O2(g)+ne Oad n-Oad : 吸附分子吸附分子温度对吸附离子形态的影响：温度对吸附离子形态的影响： 低温低温高温高温 O2 1/2O4- O2- 2 O- 2O2 -O:O O:O:O:O: O:O O: :O:125.5.4 气敏理论模型气敏理论模型 SnO2是是n型半导体型半导体在空气中吸附氧，氧的电子亲和力比半导体材在空气中吸附氧，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。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，元件电导率出电子并回至导带，使势垒下降，元件电导率上升，电阻下降。上升，电阻下降。135.5.5 西贝克(Seeback)效应n这是热电材料的基础，已经形成一个非常大的学科和材料科学界的热点研究领域n温差电动势效应-广义地，在半导体材料中，温度和电动势可以互相产生n其理论公式在教材上有部分介绍，有关进一步研究和应用见相关研究论文n教材第277页表5.11只是一些传统材料，现在有非常多新材料 14Thermalelectric generator15S是材料的Seeback系数，也称为热电势，是电导率，T是绝对温度，ke是载流子热导率，kL是晶格热导率商用热电材料的值在1.0左右，相应器件的能量转换效率小于10%，远远低于普通热机约35%的发电效率n热电材料性能优值（）是表示热电材料转换效率高低的唯一指标161718应用领域n温差发电n制冷195.5.6 P-n结结P型半导体和型半导体和n型半导体接合时，截流子存在浓度差，型半导体接合时，截流子存在浓度差，导致空穴从导致空穴从p区扩散到区扩散到n区、电子从区、电子从n区扩散到区扩散到p区；区；对于对于p区，空穴离开后，留下不可动的带负电荷的电离区，空穴离开后，留下不可动的带负电荷的电离受主，出现负电荷区；同理受主，出现负电荷区；同理n区出现带正电荷的电离施区出现带正电荷的电离施主，出现正电荷区；主，出现正电荷区；把把pn结附近的电离受主和施主区所带电荷称为空间电结附近的电离受主和施主区所带电荷称为空间电荷，这个区域称为空间电荷区。荷，这个区域称为空间电荷区。p n+- - - - - - - - - 20NANdNdNAPEFEcEveVd(a)NvNd(b)空穴从P向N流动，在N区形成正空间电荷；电子从N向P流动，在P区形成负空间电荷；(c)空间电荷在接触附近形成自建电场P，它阻止空穴和电子进一步的扩散，达到平衡，接触电势差为Vd；(d)此时整个系统的费米能级相同，PN结处能带发生弯曲。（一）（一） 能带结构能带结构eVd21NDNA (x)N(x)xp n缓变结：缓变结：杂质浓度从杂质浓度从p 区到区到n区区是逐渐变化的是逐渐变化的p-n结为结为缓变结。缓变结。22（二）（二） p-n结载流子的分布结载流子的分布空间电荷区内某一点空间电荷区内某一点x处的电子的电势能：处的电子的电势能：-qV(x)电子的浓度分布服从波尔兹曼分布：电子的浓度分布服从波尔兹曼分布： n(x)=nnoexpqV(x)-qVD/k0T同理空穴的浓度分布：同理空穴的浓度分布： p(x)=pnoexpqVD - qV(x)/k0T P n xnponnoPnoppon(x)P(x)平衡平衡p-n结中载流子的分布结中载流子的分布P区浓度：多子Pp, 少子npN区浓度：多子nN, 少子pN23首先考虑电子电流，流过p-n结的总电子电流密度Jn，应等于电子的漂移电流密度和扩散电流密度之和。平衡状态下，p区极少量电子由于势垒的降低而产生一定的电流，与n区电子由于势垒增设eVd，而产生的电流相互抵消，扩散电流Id为：24正偏压正偏压np+E内电场内电场（三）（三） 外加电压外加电压负偏压负偏压np+E内电场内电场高负偏压高负偏压np+E隧道效应隧道效应内电场内电场253）负压过大，势垒很大，能带弯曲变大，空）负压过大，势垒很大，能带弯曲变大，空间电荷区变薄，间电荷区变薄，p-n结产生隧道效应，即结产生隧道效应，即n区的区的导带和导带和p区的价带具有相同的能量量子态。区的价带具有相同的能量量子态。2）加入负偏压）加入负偏压V，n区的电势比区的电势比p区的电势高区的电势高VD +V，势垒上高，空间电荷区变厚，载流子，势垒上高，空间电荷区变厚，载流子扩散减弱，少数载流子产生的净电流，电流极扩散减弱，少数载流子产生的净电流，电流极小。小。1）加入正偏压）加入正偏压V，n区的电势比区的电势比p区的电势高区的电势高VD V，势垒下降，空间电荷区变薄，载流子，势垒下降，空间电荷区变薄，载流子扩散增强，载流子产生的净电流。扩散增强，载流子产生的净电流。26正压下正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场因而减弱了势垒区中的电场强度，这就表明空间电荷相应减少。故势垒区的宽度也减小，同时势垒高度从qVd下降为q(VdV)27势垒不再完全抵消电子和空穴的扩散作用，其势垒不再完全抵消电子和空穴的扩散作用，其净电流为：净电流为：28加入负偏压加入负偏压V，n区的电势比区的电势比p区的电势高区的电势高VD +V，势垒上高，空间电荷区变厚，载流子扩，势垒上高，空间电荷区变厚，载流子扩散减弱，少数载流子产生的净电流，电流极小。散减弱，少数载流子产生的净电流，电流极小。29负压过大，势垒很大，负压过大，势垒很大，能带弯曲变大，空间能带弯曲变大，空间电荷区变薄，电荷区变薄，p-n结结产生隧道效应，即产生隧道效应，即n区的导带和区的导带和p区的价区的价带具有相同的能量量带具有相同的能量量子态。子态。高负偏压高负偏压np+E隧道效应隧道效应内电场内电场30P-n结的伏安特性31（四）（四） 光伏效应光伏效应npnp+_En区空穴区空穴P区电子区电子32光生伏特效应：光生伏特效应：1）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n结；结；2）p、n区都产生电子区都产生电子空穴对，产生非平衡载空穴对，产生非平衡载流子；流子；3）非平衡载流子破坏原来的热平衡；）非平衡载流子破坏原来的热平衡；4）非平衡载流子在内建电场作用下，）非平衡载流子在内建电场作用下，n区空穴向区空穴向p区扩散，区扩散，p区电子向区电子向n区扩散；区扩散；5）若）若p-n结开路，在结的两边积累电子结开路，在结的两边积累电子空穴对空穴对,产生开路电压。产生开路电压。33小结n能带的概念，金属半导体绝缘体在能带上的区别；nn和p型半导体在能带结构、载流子浓度及电导率上的区别；n影响电子电导率的因素；nP-n结在平衡态和偏压下的载流子浓度及能带；n习题4和习题6。34