半導體導電性的敏感效應

      半導體的能帶結構如圖4.2-23所示，下面是已被價電子占滿的允帶，中間為禁帶，上面是空帶。因此，在外電場作用下不能導電，但是這是零度時的情況。當外界條件發生變化時，例如溫度升高和有光照射時，滿帶中有少量電子有可能被激發到上面的空帶中去，在外電場作用下，這些電子將參與導電。同時，滿帶中由于少了一些電子，在滿帶頂部附近出現了一些空的量子狀態，滿帶變成了部分占滿的能帶，在外電場的作用下，仍留在滿帶中的電子也能夠起導電作用。滿帶電子的這種導電作用等效于把這些空的量子狀態看作帶正電荷的準粒子的導電作用，常稱這些空的量子狀態為空穴。所以在半導體中導帶的電子和價帶的空穴均參與導電，這是與金屬導體的大差別。因為半導體的禁帶寬度比較小，數量級在1eV左右，在通常溫度下已有不少電子被激發到導帶中去，所以具有一定的導電能力。因此，半導體的導電性受環境的影響很大，產生了一些半導體敏感效應。

　　半導體陶瓷，簡稱半導瓷，是重要的一類半導體材料其景電能力介于金屬與絕緣體之間。半導體陶瓷絕大都分由備種金屬氧化物組成，由于這些金屬氧化物多數具有比較的禁帶(通常Eg>3eV)，故常溫下它們都是絕緣體，要使它們成為半導體，需在禁帶中形成淺的施主能級或受主能級，淺的施主能級或淺的受主能級所束縛的載流子，在蜜溫下由于熱激發的作用被激發到導帶或價帶，提高了陶瓷材料的載流子濃度，從而形成半導體陶瓷材料，這個過程叫做華導化過程。

　　金屬氧化物的半導化途徑有：①配料時摻入的外加成全、路電牙原將不純質量人的雜質，在其禁制內無城我的能主雜質能級或受主質能級；②由于半導體陶瓷材料組分寫嚴格的化學計量比相偏如金屬原子或氧原子缺位、填隙原子等，可在禁帶內生成主缺陷能級或受主缺陷能級。因此，在半導體瓷的制備過程中，通過控制化學計量比的偏離程度可以控制半導化。例如在氧氣中燒結可以造成氧過剩，而在氮氣或氫氣中燒結可以產生氧不足，所以，改變燒結氣氛就可以改變光導體陶瓷材料的化學計量比偏離程度，得到不同導計量比的偏離程度還與燒經語器的譽導體陶瓷。此外，化學計量比偏離程度、保溫時間、冷卻速率等工藝因素有關。

　　半導體陶瓷與其它電子陶瓷相比，具有兩個*：

　　①一般電子陶瓷的晶粒電阻率與宏觀電阻率接近，在10¹⁰Ω·cm以上，而半導體陶瓷的晶粒電阻率與宏觀電阻率并不一致，半導體陶瓷的晶粒電阻率比其它電子陶瓷要低得多，如邊界層電容器的SrTiO₃，半導體陶瓷其宏觀電阻率高達10¹¹~10¹²Ω·cm，而晶粒電阻率低達10^-1Ω·m。造成這種現象的原因是晶粒之間存在高絕緣的晶界層，這種夾層結構相當于減少了介質的有效厚度，也是使材料具有高表觀介電系數的主要根源。②由于半導體陶瓷大多是多晶多相結構，主晶相一般為半導體，而晶界相可以是絕緣體或半導體，在晶粒邊界處由于電子態的不同而形成空間電荷層造成能帶彎曲，使半導體陶瓷晶粒的邊界多數存在一定的界面勢壘。這種界面勢壘的性質，可以通過改變組分、工藝條件進行適當的控制。在外加電壓作用下，半導體陶瓷中的載流子越過界面勢壘而導電，其導電率不但與界面勢壘有關，而且與工作時的光照、溫度、濕度、氣氛等環境條件有關，如果半導體陶瓷對某一環境條件或物理量特別靈敏，即可制成相應的半導體陶瓷敏感器件。

　　主要的半導體陶瓷有：熱敏陶瓷、電壓敏陶瓷、氣敏陶瓷、濕敏陶瓷、光敏陶瓷、邊界層電容器半導體陶瓷。

圖4.2-23半導體能帶填充情況示意圖