无机材料 电导

第五章 无机材料的电导

5.2 电导的物理现象

根据材料的电导率可把材料分为：

超导体： ≥1015Ω-1.m -1 导体： 在108～104Ω-1.m -1 半导体： 在106～10-6Ω-1.m -1绝缘体： 在10-8～10-20Ω-1.m -1

欧姆定律的微分形式： E ：V/cm

测试方法:1管状试样的体积电阻

2圆片试样的体积电阻和体积电阻率

3

、表面电阻和表面电阻率 板状式样： 圆片试样： 4、直流四端电极法 :适用于中高电导率的材料，能消除电极非欧姆接触对测量结果的影响。

5在室温下测量电导率常采用四探针法(该公式在试样尺寸比探针间距近似无限大的情况下成立。

若测量薄膜等试样，其结果必须进行修正。) 电流是电荷的定向移动，有电流就必须有电荷的运输过程。电荷的载体即为载流子。

材料的导电现象，其微观本质就是载流子在电场作用下的定向迁移！

霍尔效应:

现象：置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势差，这种现象称霍尔效应。

原因：源于电子在磁场作用下产生横向移动。

意义：证实了电子的粒子性，是电子电导的特征，利用其检验材料是否存在电子电导。 电解效应 :

离子电导的特征是具有电解效应。

离子的迁移伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新物质，这就是电解现象。 法拉第电解定律：电解物质与通过的电量成正比。

g=CQ=Q/F , g 为电解物质的量，Q 为通过的电量，C 为电化当量，F 为法拉第常数。

利用电解效应可以检验 ()2214r r h R v v +⨯

=πρI V h r r v ⨯+=4)(221πρ()

2

A/cm J E σ=1

2ln 21221r r l xl dx R v r r v v πρπρ==⎰b l R s s ⨯=ρπ

ρπρ2)ln(21221r r x dx R s r r s s ⨯=⨯

=⎰V

I s l ⨯=σ1312231111()2I

V l l l l l l σπ=

+--++

材料是否存在离子导电

可以判定载流子是正离子还是负离子 迁移率和电导率的一般表达式: （载流子在单位电场中的迁移速度）

该式反映了电导率的微观本质，即宏观电导率与微观载流子的浓度、每一种载流子的电荷量以及每一种载流子的迁移率的关系。

5.3 离子电导

离子电导是带电荷的离子载流体在电场作用下的定向运动。

晶体的离子电导主要有两类：

１．固有离子电导（本征电导）：源于晶体点阵的基本离子的运动，即离子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷。（高温下显著）

２．杂质电导：由固定较弱的离子运动造成的，主要是杂质离子。（较低温度下，杂质电导显著）

一、载流子浓度

1、本征电导：载流子——弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。

（1）、弗仑克尔缺陷 弗仑克尔缺陷浓度：

E f ：形成一个弗仑克尔缺陷（即同时生成一个填隙离子和一个空位）所需要的能量。

（2）、肖特基缺陷 肖特基缺陷浓度： Es ：离解一个阴离子和一个阳离子并到达表面能量所需要的能量。

热缺陷的浓度取决于温度T 和离解能E 。

在高温下，热缺陷浓度较为显著，本征电导才显著。

E 与结构有关，一般肖特基缺陷较弗仑克尔缺陷形成能低很多，容易形成。在结构较为疏松，离子半径很小

的的情况下，才能形成弗仑克尔缺陷。

2、杂质电导

杂质离子的存在，增加了电流载体数，而且使点阵发生畸变，杂质离子离解活化能变小。

杂质载流子的浓度决定于杂质的数量和种类。

低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定。

二、离子迁移率

离子电导的微观机构为载流子 ── 离子的扩散。

间隙离子的扩散过程就构成了宏观的离子“迁移”。

三、离子电导率

1、离子电导的一般表达式 其中Ws 称为电导活化能，它包括缺陷形成能和迁移能。在温度不高时，可以认为As 为常数，因而电导率由指数 项决定。

本征离子电导

杂质离子电导： 杂质电导率比本征电导率大得多，因而离子晶体中，主要以杂质电导为主。

若物质存在多种载流子，其总电导率为： 2、扩散与离子电导 （1）、离子扩散机构

空位扩散：较为容易。

间隙扩散：较难进行。

亚晶格扩散：比较容易产生。 E v =μ

∑

∑==i i i i i i q n μσσ()kT

E N N f f 2/exp -=()kT E N N S S

2/exp -=()kT W A S S S /exp -=σ()()kT B A kT W A /exp /exp 111-=-=σ()

kT B A /exp 22-=σ∑

-=i

i i T B A )/exp(σ

（2）、能斯脱-爱因斯坦方程 扩散系数与离子迁移率的关系 D ——扩散系数

B ——离子绝对迁移率

四、离子电导率的影响因素

1、温度 呈指数关系，随温度升高，电导率迅速增大。 低温下，杂质电导占主要地位(曲线1)；高温下，固有电导起主要作用。

注意：刚玉瓷在低温下，发生杂质离子电导，在高温下主要为电子电导，这种情况下也会出现转折点。

2、晶体结构

活化能大小取决于晶体间各粒子的结合力。而晶粒结合力受如下因素影响：

1离子半径：离子半径小，结合力大 2离子电荷：电价高，结合力大3堆积程度：结合愈紧密，可供移动的离子数目就少，且移动也要困难些，可导致较低的电导率

3、晶格缺陷

离子晶体具有离子电导的必要条件：

电子载流子的浓度小；

缺陷浓度大，并且参与导电。

影响晶格缺陷生成和浓度的主要原因：

热激励形成晶格缺陷；

不等价掺杂形成晶格缺陷；

正负离子计量比随着气氛的变化而发生偏离。

固体电解质简介

定义：具有离子电导的固体物质称为固体电解质

固体电解质的电导以离子电导为主，但或多或少地具有电子电导，因此：

σ = σi + σe

离子迁移数：t i = σi /σ =σi /(σi + σe )

电子迁移数：t e = σe /σ=σe /(σi +σe )

迁移数表征各种载流子对总电导贡献的比例！

固体电解质一般有如下特征数据：

1离子电导率应在10-2—102S/m 范围；

2传导离子在晶格中的活化能很低，约在0.01—0.1eV 之间

小结

1、本征电导即离子、空位等的产生，这尤其是在高温下十分显著；杂质电导杂质离子是弱联系离子，故在较低温度下其电导也表现得很显著。

2、A 、固有电导(本征电导)

中晶体的热缺陷主要有两类：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷，固有电导在高温下才会显著kT

nq D 2⨯=σBkT

qkT D ==μ