第五章 固态离子导体模型中的缺陷理论--黄楷.pptx

第五章 固态离子导体模型中的缺陷理论;离子缺陷的产生及相关载流子浓度的热力学表达关系;（2）Schottky缺陷：个别原子可能获得一定的动能，以至于克服平衡位置势阱的束缚而迁移到晶体表面上的某一格点位置，在晶体表面上形成以离子键结合的单体，从而在晶体内部原来的格点位置上留下空位，只形成空位的缺陷（只有空位形成）;（3）anti-Frenkel缺陷：在离子晶体中，同时形成等量带正电的空位和带负电的间隙缺陷（同时存在空位和间隙）?;(5)电子空穴缺陷;2.在外部作用下的缺陷平衡;体系中的电中性条件：;（1）氧气量不足，体系中电子、氧离子空位浓度过剩，体系处于N区：;（2）氧气量刚好，体系中没有载流子浓度过剩，体系处于本征区（即I区）因为此时离子缺陷为主体所以其浓度不受外部气压影响，电中性条件近似为：;由氧分压来决定离子的浓度关系—Brouwer图;(1)根据之前的浓度的热力学关系可以得出有关浓度的经验公式：;(2)电导率公式:;相之间的反应过程及浓度有关的参数定义;定义载流子浓度的变化，与本体浓度相比较：;德拜长度：;方程（1）是泊松-玻尔兹曼方程，根据电势与电荷密度的关系可以得到;最后将德拜长度的表达式代入，即方程（4）可以的到：;初始条件：;根据以上表达式可以得到：;空间电荷层的电导效应;平行电导（parallel electrical conductance）：;代入积分项有：;对于增强型多数载流子：;1.均相掺杂类型;（1）当杂质数量相对较小时（该条件一般是在高温时，此时本征激发缺陷浓度远大于杂质浓度），体系可看作纯的AgCl，得到以下关系：;（a）图，压强、温度不变时，杂质浓度与各种载流子浓度的关系图：;（b）图，温度、杂质浓度不变时，外部气体压强与各种载流子浓度的关系图：;（3）当压强很大时，空穴浓度较大，体系处于P区，此时电中性条件：;（c）图，压强、杂质浓度不变时，温度与各种载流子浓度的关系图：;上述两图是当杂质浓度一定时，本征离子缺陷浓度、电导率与温度的倒数之间的关系。（1）左图说明，在高温区，本征离子浓度占主导，所以间隙位离子与空位离子浓度近似相等；而在低温区，由于有杂质离子的作用，在电中性条???下会表现出带正电的间隙位离子浓度小于带负电的空位离子浓度（杂质离子带正电） 。（2）右图说明，因为电导率等于浓度与迁移率的乘积（电荷数相等时），由于间隙位迁移率较大，所以在高温区间隙位电导率更大；而在低温区，间隙位浓度减小使得电导率在低温区时空位电导率更大，总的电导率在任意区域内都是二者的和。;上述两图是当温度一定时，本征离子缺陷浓度、电导率与杂质浓度之间的关系。（1）左图说明，当杂质浓度较小不能与本征缺陷浓度比拟时，间隙位与空位浓度近似相等；当杂质浓度增加达一定数目时，由于电中性条件的限制，带正电的间隙位离子浓度减小而带负电的空位离子浓度增加（杂质离子带正电）。（2）右图说明，因为电导率等于浓度与迁移率的乘积（电荷数相等时），由于间隙位迁移率较大，所以当二者浓度相等时，间隙位的电导率更大；随着杂质浓度增加，间隙位浓度减少、空位浓度增加，所以间隙位电导率减少、空位电导率增加。对于总的电导率，开始时，载流子浓度近似不变所以总电导率不变，之后间隙位减少空位增加，但空位增加所带来电导率的增量不足以补偿间隙减少所带来电导率的减少量，所以总的电导率呈减少趋势；而越过转折点后空位增加带来的电导率增量能完全补偿减少量，所以总电导率呈增加趋势。;均相掺杂：将杂质离子填充到正常离子的位置从而产生缺陷形成导电 离子;②在低温时，掺杂缺陷占主导，以Cd掺入Ag为例，Cd的掺入会增加银离子空位的浓度，当掺杂浓度达到一定程度时，会出现关系式：;以空位浓度为未知数解方程得出：;对上述方程进行求解，可得到当在某一杂质浓度时有最小的电导率点存在。;2.异相掺杂类型;接触边界层的划分;（1）正方体模型得到的电导率关系;因为??????的数量一般很小，所以??????^2项忽略掉;（2）球体模型得到的电导率关系;上式括号里的后一项表示的是耗尽型载流子，只有在满足条件;纯物质、同相掺杂、异相掺杂电导率随温度的变化关系图;2均相掺杂：将杂质离子填充到正常离子的位置从而产生缺陷形成导电 离子;②在低温时，掺杂缺陷占主导，以Cd掺入Ag为例，Cd的掺入会增加银离子空位的浓度，当掺杂浓度达到一定程度时，会出现关系式：;总电导率的变化规律：在本体中，ci∞=cv∞，所以总的σ由间隙离子和空位离子的电导率共同决定。从本体靠近空间电荷区范围内，cv的增大带来的电导率的增加不足以补偿ci减小带来的电导率的减小，所以开始时总电导率减小。越靠近表面，此时cv增大的量带来电导率的增加足以补偿ci减小带来的电导率的减小，所以越过转折点后总的电导率会表现为增大。;3.两相接触类型