Типы проводимости у керамических материалов

Ток проводимости – ток, обусловленный переносом электрического заряда в веществе.

Прохождение через вещество тока проводимости под действием приложенного электрического напряжения называется электропроводностью.

[сигма]=См/м; сигма=1/ро

Удельное сопротивление [ро]=Ом/м

E=U/L

U – разность потенциалов

Это поле вызывает ускорение электронов: a=(e/m)*E

где e – заряд электрона, m – масса электрона

Т.к. электроны значительно легче атома решетки, то после каждого столкновения направленная часть скорости практически полностью исчезает. Эта часть скорости приобретается только в результате ускорения.

Vср = а*тау

Тау – среднее время между столкновениями электронов

Vср обычно называют дрейфовой скоростью.

V_D=мю*E; мю – подвижность (или коэффициент пропорциональности)

Чем выше подвижность носителей, тем быстрее движется электрон.

Будем считать, что все электроны под действием электрического поля движутся с одинаковой скоростью, равно V_D или Vср, тогда общее число электронов, пересекающих за 1 секунду единицу площади равно произведению скорости дрейфа на концентрацию носителей.

J=N_e*V_D*e

N_e – концентрация электронов

J= (N_e*тау*e²*E)/m – закон Ома

J=сигма*E

сигма – удельная электропроводность

В металлах подвижность мала, поэтому их высокая проводимость обусловлена высокой концентрацией электронов, следовательно, высокая проводимость.

Дрейфовая скорость зависит от напряженности электрического поля, тау является функцией напряженности электрического поля.

Для большинства металлов закон Ома справедлив с высокой точностью.

Пусть в веществе находятся носители заряда одинаковые по природе и знаку, а число носителей заряда равное 1/м³, тогда суммарный заряд носителей в единице объема вещества будет:

Q=n*q

где q – элементарный заряд, Q – суммарный заряд, n – число зарядов в единицу объема.

В зависимости от носителей заряда явление электропроводности различает следующие виды:

а) Электронная проводимость(носители – отрицательно заряженные электроны или положительно заряженные дырки). Электронная проводимость характеризуется перемещением электронов под действием поля. В оксидных керамических материалах валентная зона образуется благодаря 2p-орбиталям кислорода, а зона проводимости обуславливается 3s-3d-орбиталями ионов металла.

Оксиды с малой шириной запретной зоны (CuO, ZnO, NiO) являются полупроводниками.

Оксиды TiO₂, CaO, MgO, BeO и другие являются диэлектриками.

Совершенно бездефектных кристаллов при T>0 К не существует, порядок расположения атомов в кристаллической решетке частично нарушен.

Дефектные кристаллические решетки и примеси определяют диэлектрические свойства оксидных керамических материалов.

б) Ионная проводимость(катионы + и анионы -; при этом прохождение тока через вещество сопровождается электропроводностью). Обусловлена движением ионов. Ионными называют проводники, в которых значительно реализуется ионная проводимость по сравнению с электронной (твердые электролиты).

Удельная ионная проводимость выражается уравнением Эрнста-Энштейна:

Три механизма диффузии ионов:

4. Вакансионный – заключается в миграции атомов по кристаллической решетки при помощи вакансий.

5. Междоузельный – носители – ионы; заключается в переносе вещества междоузельными атомами.

6. Квазимеждоузельный – происходит выталкивание ионов.

При вакансионном механизме носителями являются дырки, которые двигаются в противоположном направлении по отношению к движению электронов.

При квазимеждоузельном механизме ион вытесняет другой ион, находящийся в узле кристаллической решетке, образуя эстафетный механизм движения ионов.

Увеличение ионной проводимости может быть засчет двух признаков:

3. Увеличение концентрации носителей зарядов (увеличение дефектов);

4. Увеличение коэффициента диффузии Д_i

Д_i увеличивается при повышении температуры и описывается экспоненциальным уравнением:

в) Молионная электропроводность (носители – заряженная группа молекул; прохождение тока сопровождается электрофарезом).

Молионная электропроводность обусловлена движением заряженных частиц, называемых молионами. Наблюдают ее в коллоидных системах, эмульсиях, суспензиях. Движение молионов под действием электрического поля называют электрофорезом. При электрофорезе, в отличие от электролиза, новых веществ не образуется, меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных слоях жидкости. Электрофоретическая электропроводность наблюдается, например, в маслах, содержащих эмульгированную воду.

В большинстве случаев – смешанная электропроводность, так как мы имеем дело с разными носителями заряда.

Электронная проводимость наиболее отчетливо наблюдается в металлах, а также во многих полупроводниках (кремний, германий).

Ионная проводимость наблюдается в кристаллическом веществе с ионным типом связи.

Электрон проводимости – электрон в твердом теле, энергия которого находится в зоне проводимости.

Зона проводимости – низкая по энергии разрешенная энергетическая зона, не заполненная или содержащая некоторое число носителей при абсолютном 0 К.

Безщелевой полупроводник – полупроводник с нулевой или очень малой запрещенной зоной, отделяющая зону проводимости от валентной зоны.

Валентная зона – наивысшая по энергии зона, заполненная при абсолютном нуле.