《无机材料物理性能》课程教学讲义（Physics Properties of Materials）材料导电性（6/6）

3.电子导电：半导体 杂质浓度的影响 Total Mobility 1600 1400 、 1200 Electrons 1000- 800 600 400 Holes 200 0- T 1E14 1E15 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 Na+Na (cm3)

3.电子导电：半导体 1 杂质浓度的影响

3.电子导电：半导体 电阻率p=日 与掺杂浓度的关系 neue+peup 1021 杂质浓度对电阻率的影响： 100 (1)杂质浓度增加提高 01 了半导体的载流子浓度， 降低了电阻率。 P-type (2)杂质散射载流子， 增加了材料电阻率。 01 N-type 在室温，大部分情况下前 者效应更显著。 0- 0- 1o0 10 RESISTIVITY (2-cm) P=1/o

3.电子导电：半导体 2 杂质浓度对电阻率的影响： （1）杂质浓度增加提高 了半导体的载流子浓度， 降低了电阻率。 （2）杂质散射载流子， 增加了材料电阻率。 在室温，大部分情况下前 者效应更显著。 电阻率𝜌 = 1 𝜎 = 1 𝑛𝑒𝜇𝑒+𝑝𝑒𝜇𝑝 与掺杂浓度的关系

3.电子导电：半导体 温度的影响 ·晶格振动使原子间距发生变化，偏离完美的周期性，从而对载流 子产生散射。显然，温度越高，振动越激烈，对载流子的散射作 用越强，因而迁移率随温度的上升而下降。 4=a,T-3/2 ·电离杂质对载流子的散射。杂质电离后相当于一个带电粒子，它 们的库伦势场会局部的破坏周期性势场，散射电子。温度越高， 载流子热运动速度越快，越不容易被这种机制散射。 4=C,T3/2 。 系数αL和α均与载流子的有效质量有关，即对电子和空穴，它 们有不同的数值。此外，α1还与电离杂质浓度WD成反比

3.电子导电：半导体 3 • 晶格振动使原子间距发生变化，偏离完美的周期性，从而对载流 子产生散射。显然，温度越高，振动越激烈，对载流子的散射作 用越强，因而迁移率随温度的上升而下降。 • 电离杂质对载流子的散射。杂质电离后相当于一个带电粒子，它 们的库伦势场会局部的破坏周期性势场，散射电子。温度越高， 载流子热运动速度越快，越不容易被这种机制散射。 • 系数αL 和αI均与载流子的有效质量有关，即对电子和空穴，它 们有不同的数值。此外，αI 还与电离杂质浓度ND 成反比。 温度的影响

3.电子导电：半导体 不同杂质浓度下迁移率与温度关系 10 ND=1014cm-3 1 1 ,1 907 (7)32 ()-32 1015 /Impurity Lattice scattering scattering 4=a,T-3/2 4=C,T3/2 1016 10 107 ● 低温、低杂质浓度：晶格散 射为主要影响； ● 低温、高杂质浓度：杂质散 1018 射为主要影响； 109 高温：晶格散射为主要影响， 102 杂质浓度升高也降低迁移率； 50 00 200 500 1000 TK购

3.电子导电：半导体 4 不同杂质浓度下迁移率与温度关系 • 低温、低杂质浓度：晶格散 射为主要影响； • 低温、高杂质浓度：杂质散 射为主要影响； • 高温：晶格散射为主要影响， 杂质浓度升高也降低迁移率； 1 𝜇 = 1 𝜇𝐿 + 1 𝜇𝐼

3.电子导电：半导体 电导率o=neue+pe4,随温度的变化 低温区 和温区 本征温区 物理解释：低温区，载流子浓度随温度升高而单调增加。同时， 在低温区晶格振动尚不显著，散射主要由电离杂质决定的，迁移 率随温度的上升而增高。总的效果是电导率随温度的升高而增加。 5

3.电子导电：半导体 5 物理解释：低温区，载流子浓度随温度升高而单调增加。同时， 在低温区晶格振动尚不显著，散射主要由电离杂质决定的，迁移 率随温度的上升而增高。总的效果是电导率随温度的升高而增加。 饱 和 温 区 本 征 温 区 低 温 区  T 电导率𝜎 = 𝑛𝑒𝜇𝑒 + 𝑝𝑒𝜇𝑝随温度的变化

3.电子导电：半导体 电导率o=neue十pe,随温度的变化 低温区 和温区 本征温区 物理解释：饱和温区，杂质全部电离，由于本征激发尚不显著， 载流子浓度可以认为变化不大，然而此时晶格振动散射已起主导 作用，使迁移率下降，导致电导率随温度的升高而减小

3.电子导电：半导体 6 物理解释：饱和温区，杂质全部电离，由于本征激发尚不显著， 载流子浓度可以认为变化不大，然而此时晶格振动散射已起主导 作用，使迁移率下降，导致电导率随温度的升高而减小。 饱 和 温 区 本 征 温 区 电导率𝜎 = 𝑛𝑒𝜇𝑒 + 𝑝𝑒𝜇𝑝随温度的变化 低 温 区  T

3.电子导电：半导体 电导率o=neμe+pe,随温度的变化 6 低温区 和温区 本征温区 物理解释：本征温区，随温度进一步升高，由于本征激发载 流子大量增加，其作用已远超过迁移率下降的影响，因此， 电导率增加

3.电子导电：半导体 7 物理解释：本征温区，随温度进一步升高，由于本征激发载 流子大量增加，其作用已远超过迁移率下降的影响，因此， 电导率增加。 饱 和 温 区 本 征 温 区 低 温 区  T 电导率𝜎 = 𝑛𝑒𝜇𝑒 + 𝑝𝑒𝜇𝑝随温度的变化

3.电子导电：半导体 思考： 禁带宽度很大的绝缘体，一 定不具备导电性吗？ 重叠 能量 导带 费采能级 禁带 价带 金属 半导体 绝缘体

3.电子导电：半导体 8 思考： 禁带宽度很大的绝缘体，一 定不具备导电性吗？

4.离子导电 禁带宽度极大的绝缘体无法以电子作为载流子，但仍可能通过 离子实现导电性； 。如果材料内部的离子可以在电场作用下进行长距离迁移，材料 就具备了离子导电性； ·电荷载流子一定是材料中最易移动（电荷少、半径小)的离子。 例子： 1. (能源转化)电荷最少、半径最小的离子(+)是燃料电 池中的载流子 2. (能源储存)电荷最少、半径第二小的离子(L+)是锂离 子电池中的载流子 3.(能源储存)为了克服锂资源有限的问题，宁德时代最近 推出了钠离子电池，Na同样具备电荷少、半径小的特点

4.离子导电 9 • 禁带宽度极大的绝缘体无法以电子作为载流子，但仍可能通过 离子实现导电性； • 如果材料内部的离子可以在电场作用下进行长距离迁移，材料 就具备了离子导电性； • 电荷载流子一定是材料中最易移动（电荷少、半径小）的离子。 例子： 1. （能源转化）电荷最少、半径最小的离子（H +）是燃料电 池中的载流子 2. （能源储存）电荷最少、半径第二小的离子（Li+）是锂离 子电池中的载流子 3. （能源储存）为了克服锂资源有限的问题，宁德时代最近 推出了钠离子电池，Na+同样具备电荷少、半径小的特点

4.离子导电 开个脑洞：Na+真的是除了Lt以外的最适合用于电池的载流子吗？ Lt:除了H+以外，半径最小、电荷数最少的阳离子 Group 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 1516 17 18 Period F:除了H以外，半径最小、电荷数 最少的阴离子 8 N 喝 19 29 9 9 6 爵：四留罗盟☒鹏牌网厨☒函用西☒周 ☒超阳品品图B阳 0

4.离子导电 10 开个脑洞: Na+真的是除了Li+以外的最适合用于电池的载流子吗？ F- : 除了H-以外，半径最小、电荷数 最少的阴离子 Li+: 除了H+以外，半径最小、电荷数最少的阳离子