基本介紹
- 中文名：電子導電
- 外文名：electronic conduction
- 形成原因：自由電子的定向移動
- 作用：產生了電流
- 過程：電子激發到導帶及導帶中電子遷移
簡介,一般特點,電子導電材料,金屬,電極,厚膜導電材料,薄膜導電材料,
簡介
固體電介質的結構可分為晶體和非晶體或無定形體兩類，晶體可以是離子晶體如LiF等鹵化物，或共價晶體如金剛石之類，無定形結構如玻璃。另外也有許多是非完整的晶體，或是顆粒很小的微晶。因此很難用統一的模型來描述電介質內電子電導的過程。一般來說，電子電導包括電子激發到導帶以及導帶中電子遷移兩步。
電介質在弱電場下，由於熱運動激發而進入導帶的電子數極少，電介質內的電子流小到可以忽略不計，否則就成為半導體了。但是，當電場強度超過某臨界值時，可能發生其他形式的電子發射，使導帶中的電子濃度明顯增長。由電場引起的電子發射形式大致有六種不同情況，如圖所示。
上圖表示電介質放在金屬A和金屬B兩個電極之間，由於電場的作用，使能帶發生傾斜，這就引起了不同形式的電子發射。圖中過程①是電子從電介質的價帶穿過禁區直接進入導帶，這叫齊納（Zener）效應；過程②是電子從禁區的雜質能級直接進入導帶；電子也可以從金屬電極的導帶直接進入電介質的導帶③，或電子由電介質的價帶進入電極金屬的導帶④。以上四種形式是屬於量子力學隧道發射過程。另外，電子可以從電極的導帶越過勢壘進入電介質的導帶⑤，這叫肖特基效應；電子也可以從電介質的雜質能級越過勢壘進入導帶⑥，這叫Poole-Frenkel效應。
一般特點
電子或空穴的遷移率比離子大得多，因此材料中即使有少量的電子或空穴存在時，其對電導的貢獻不能忽略，並取決於這類載流子的濃度。相對於不同的載流子濃度，陶瓷材料電子導電行為可以相差很大，從接近於金屬到接近於絕緣體。
電子導電的特徵是具有Hall效應，即當電流流過試樣時，如在垂直於電流方向上施加一個磁場，則會在垂直於電流和磁場的平面上產生一個電場。如果材料中存在自由電子或空穴，它們在電場作用下會產生定向移動。由於離子的質量比電子大得多，因而在磁場的作用下離子不會產生橫向移動。因此，利用Hall效應可以區分陶瓷材料是離子導電還是電子（空穴）導電。
陶瓷材料的電子導電從本質上說有兩類：一類是由材料本身能帶中的電子引起的，如過渡金屬氧化物VO、TiO、CrO2等。由於電子軌道的重疊，產生寬的未填滿的d或f能帶，從而引起1022～1023/cm3濃度的準自由電子，形成類似金屬的電導，這種情況在陶瓷材料中並不多見。另一類是由於電子或空穴的移動引起的，這是陶瓷材料中電子導電的主要原因。
在化學計量整數比的純材料中，電子的數目等於空穴的數目。但由於摻雜和晶體缺陷等原因，材料中的電子數目可以不等於空穴的數目，典型的為P型（空穴多餘）和n型（電子多餘）兩類半導體。電子導電的電導率正比於載流子的濃度和遷移率。陶瓷材料中的載流子通常有三個來源：本徵激發、雜質激發和偏離化學計量比。下圖示意性地畫出了這三種激發過程。這裡Eg代表能帶間隙，離導帶較近的Ed代表施主能級，它可以被離子化而給出一個電子。離價帶較近的Ea代表受主能級，它可以接受一個電子而被離子化。
代表缺陷能級或離子化能級。
電子導電材料
導電材料是電子元器件和積體電路中套用最廣泛的一種材料，用來製造傳輸電能的電線、電纜，傳導電信息的導線、引線和布線。導電材料最主要的性質是良好的導電性能，希望其電阻率儘可能的小（≤10Ω·m）。根據使用目的不同，除了導電性外，有時還要求有足夠的機械強度、耐磨、彈性、耐高溫、抗氧化、耐蝕、耐電弧、高的熱導率等。導電材料主要包括金屬、電極、厚膜導電材料、薄膜導電材料等。
金屬
金屬導電材料，用得最多的是銅，其次是鋁、鐵等。
1）銅及銅合金
銅的密度為8.92g/cm3，熔點為1083.4℃，沸點為2567℃，氣化溫度為1132℃，再結晶溫度為200～300℃，電阻率為1.67μΩ·cm，電阻溫度係數（TCR）為4300×10-6/℃：銅的晶體結構為面心立方體，晶格常數為0.3617nm。為了保證銅合金既具有高導電性、高導熱性能，又具有高強度、良好的斷後伸長率等加工性能，可以採用粉末冶金法生產彌散強化銅和採用時效熱處理法生產高導電性、高強度銅合金。
用作導電材料的銅由電解法製得，即所謂電解銅，其純度在99.90%以上，含有極少量的Au、Ag、Ce、Pb、Sb等雜質。電解銅鑄造後加工退火成為製品，在常溫下壓延或拉伸處理後質地較硬。
2）鋁及鋁合金
鋁是具有僅次於銅的電導率的金屬，近年來由於銅產量的不足而作為銅的代用材料而得到廣泛套用。
鋁的物理性質根據其純度的不同而相差較大。一般純度越高，電導率和電阻溫度係數越高，抗拉強度和硬度越小，耐腐性越強。作為導電材料用的鋁線一般為硬引線。
電極
電極是電容器的重要組成部分，它在電容器中起著形成電場、聚集電荷的作用。儘管電極的形式隨著電容器的結構不同而有變化，但作用是相同的。
鋁的導電性能僅次於金、銀和銅，是一種良好的導電材料。由於鋁的面心立方晶格結構而富於延展性，具有優良的加工性。其力學強度良好，密度又小，因此，在電子元器件中，廣泛用作電板和引線材料。
厚膜導電材料
在厚膜混合積體電路中，厚膜導電材料的作用是固定分立的有源器件和無源元件，作為元件之間的互連線，厚膜電容的上、下電板及外引線的焊區等。厚膜導電材料漿料是厚膜工藝中使用的一種漿料，現在常用的漿料是含貴金屬的厚膜導電材料漿料，所用的貴金屬主要為金，銀-金合金以及銀、鉑、鈀的二元或三元合金。這些厚膜導電材料的導電性能很好，並且鉑-金導體具有非常好的抗焊料溶解性。
由於貴金屬價格上漲．需要尋求價格低廉而性能優良的新導體材料，因此出現了一起賤金屬厚膜導電材料，常見的有銅、鎳-硼合金、鋁-硼合金。其中銅導體是比較成熟的。
薄膜導電材料
薄膜導電材料的電阻率高於同種的塊狀材料，這是由於薄膜的厚度較薄從內產生表面散射效應，以及薄膜具有較高的雜質和缺陷濃度所造成的結果。連續金屬薄膜的電阻率為聲子、雜質、缺陷、晶界和表面對電子散射所產生的電阻率之和。
薄膜導電材料分為兩類：單元素薄膜和多層薄膜。前者系指用單一金屬形成的薄膜導電材料，其主要材料是鋁膜；後者系指不同的金屬膜構成的薄膜導電材料，有二元系統（如鉻-金）三元系統（如鈦-鈀-金）；四元系統（如鈦-銅-鎳-金）等。薄膜混合積體電路中，套用最為廣泛的薄膜導電材料是多層薄膜。這是因為多層薄膜能較好地滿足對薄膜導電材料的要求。
