基本介紹
- 中文名：電子電導
- 外文名：Electronic conductance
- 描述：載流子為電子或空穴
- 套用：半導體材料
- 學科：物理
概念,多間隙耦合腔電子電導與模式穩定性,研究背景,理論分析,研究結論,氧化鋯固體電解質高溫電子電導的研究,電子電導測試實驗,實驗結果,研究結論,
概念
（1）電子電導率的一般公式
與離子電導率一樣，電子電導率仍可按公式
計算。但在電子電導中，載流子電子與空穴濃度、遷移率常常不一樣，計算時應分別考慮。
本徵半導體的電子電導率為：
式中：
、
分別為電子和空穴的遷移率。
n型半導體的電子電導率為：
p型半導體的電子電導率為：
（2）電子電導率的影響因素
①溫度的影響
溫度對電子電導率的影響包括對遷移率的影響和載流子濃度的影響，而對後者的影響是主要的。
②雜質及缺陷的影響
大多數半導體氧化物陶瓷，或者由於摻雜產生非本證缺陷（雜質缺陷），或由於燒成條件使它們成為非化學計量而形成組分缺陷。
多間隙耦合腔電子電導與模式穩定性
研究背景
分布作用速調管(EIK)作為一種新型微波源器件，因其在高頻段具有高功率與高效率的特點，正被深入地研究。EIK的核心技術是採用多間隙耦合腔作為高頻電路。多間隙腔提高了電路的特性阻抗，從而提高了間隙中注波互作用效率，並增加了頻寬。由於間隙間相互耦合使得諧振腔模式增加，這些模式的存在和互相干擾會影響速調管的正常工作，尤其當非工作模式不穩定時，更會嚴重影響速調管的工作特性。因此對多間隙腔的模式及其穩定性的分析非常重要。
電子電導是反映間隙注波互作用過程中電子注與電路高頻場能量交換的重要參量。對電路穩定性的分析足以通過間隙電子電導的正負來判斷電路是否陷於正反饋，並因此採取措施進行抑制。對於多間隙腔，通常將耦合腔等效為一個間隙來計算電子電導。但多間隙腔中電子注在每個間隙都與高頻場進行注波相互作用，在每個間隙上體現出不同的電子負載效應，整體的電子電導無法反映單個間隙中的注波互作用機理，也不能對間隙中的模式穩定性進行深入分析。為進一步研究多間隙耦合腔中的注波互作用機理及更加深入細緻地分析間隙模式的穩定性，也為了發展EIK注波互作用計算模型，需要研究在單個間隙上的注波互作用與電子負載效應。研究利用空間電荷波理論，以三間隙耦合腔為例，推導了耦合腔中每個間隙電子電導的計算公式。利用各個模式的電子電導，進行了多間隙耦合腔的模式穩定性分析。建立了仿真模型，分析了耦合腔中各個間隙模式的注波互作用特性及電子電導的變化趨勢。
理論分析
根據空間電荷波理論，快波和慢波與間隙中高頻場進行互作用，產生能量交換，它們在注波互作用中的影響不同。快波的相速高於電子注的相速，導致電子注吸收功率，使電子電導為正值。而慢波相速低於電子注相速，其互作用導致電子注放出功率，使電子電導為負值。由電子電導計算式得到，當快波在與某一模式的間隙場互作用中占據主導時，即其耦合係數M(β1)與相位因子F(β1)的乘積大於慢波時，電子電導為正，該模式處於穩定狀態。反之當慢波占主導時，電子電導為負值，則電路陷於正反饋，容易產生自激導致不穩定。電子注中的快慢波與各個模式場的同步及耦合作用共同決定了模式的穩定性。由於各個模式參數不同，導致其與電荷波中的快波或慢波的互作用中強弱關係也不同，所以模式穩定特性也不同。合理選擇電子注參數及間隙參數，可以使諧振腔各個模式的間隙電子電導都為正，從而使電路處於穩定狀態，保證系統的正常工作。
研究結論
研究利用空間電荷波小信號理論，建立了多間隙耦合腔中單個間隙電子電導的計算模型，並用來進行了間隙注波互作用及穩定性分析。以三間隙耦合腔為例進行了計算與分析，結果顯示：不同模式的各個間隙電子電導不同，Ge3/G0受注電壓及間隙距離影響最大，其對注波互作用及電路穩定特性的影響也最大;對於2π模式，當間隙距離渡越角為2π左右時，電路各模式處於穩定，但在實際設計中還要綜合考慮注波互作用效率。本計算模型可以更加深入地分析間隙注波互作用過程與電路的模式穩定性，還可以用於多間隙腔注波互作用的計算機模擬仿真。但本模型僅限於討論3個間隙，對更多間隙情況，由於其互作用過程的複雜及間隙模式的增多，尚難以深入分析，需要更進一步的研究工作。
氧化鋯固體電解質高溫電子電導的研究
氧化鋯固體電解質在實際中的套用，主要就是利用它的離子導電特性。但在高溫或低氧分壓的情況下，電解質晶體正常結點上的氧(O0)具有變成氧分子向氣相逸出的趨勢，並在電解質中留下氧離子空位(V0)和自由電子(e)，固體電解質從而表現出較為明顯的電子電導，即：O0=1/2O2+V0+2e
如果電子電導大於固體電解質總電導的1%，則此類固體電解質不能用於熱力學參數的準確測量。固體透氧膜(SOM)法用於金屬氧化物直接製備金屬所用透氧膜材料主要為氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)固體電解質。其高溫電子電導數據對於研究SOM法反應機理及反應速率等參數有著重要的意義，因此，獲得高溫下YSZ電子電導率的數據就顯得尤為重要。傳統固體電解質的電子電導測試方法一般採用電子導電特徵氧分壓來表征電子電導，如抽氧測定法，其裝置複雜且實驗誤差較難控制，因此不適用於諸如YSZ類電子電導較低的材料。常用的Wagner直流極化法可以得到較為精確的電子電導率，其難點在於離子阻塞電極的製備。本實驗就是基於Wagner直流極化法，通過一種新方法在YSZ陶瓷材料上製備離子阻塞電極，對其電子電導進行了直接測量，並研究了影響電子電導率的因素。
電子電導測試實驗
（1）測試原理
Wagner直流極化法的原理採用不對稱電池設計。一端為可逆電極，另一端是離子阻塞電極。在該電池上施加低於電解質分解電壓的電勢時，阻塞電極界面上殘餘氧離子流通過電解質遷移至正極，但因阻塞電極切斷了氧離子源而導致電解質中離子流很快下降。
當電位梯度產生的離子流和因濃度梯度引起的化學擴散離子流相等時，離子電流降為0，此時總電流只由電子或電子空穴產生。
（2）阻塞電極
根據Wagner直流極化法的原理，本實驗所選擇的是對電子導通而對氧離子傳導阻塞的離子阻塞電極。研究曾嘗試用金屬銅作為離子阻塞電極，但因金屬銅的熔點溫度所限，使得該法只能用來測量材料的低溫電子電導。現有方法在金屬與陶瓷結合時，通常採用噴塗和塗覆的方式，因此阻塞電極實際上難以真正與陶瓷基體緊密結合，漏氧問題較難解決，從而導致測試誤差偏大。
本研究基於已有電子電導測量的低溫局限性，提出了採用金屬鎳作為阻塞電極的研究思路。金屬鎳的熔點很高(1453℃)，所以理論上可用於高溫下固體電解質的電子電導測量；而針對金屬與陶瓷基體結合不夠緊密導致的漏氧問題，擬採用化學鍍結合電鍍的工藝。化學鍍的粗化過程中，濃酸對固體電解質陶瓷材料表面進行了刻蝕，金屬鎳粒在沉積的過程中滲入陶瓷表層，這樣不僅增加了金屬鎳與陶瓷材料結合表面積，還加強了兩者間的結合力;在此基礎上再結合電鍍的工藝，最終可獲得緻密的金屬鎳層。
實驗結果
電子的遷移數取決於該反應式中的氧空位數量。氧空位數量低，則反應易發生(向右進行)；反之則不易發生。由此可以看出，高溫條件下氧化鋯試樣的電子遷移數量與材料中的自由氧空位數量呈反比關係。在相同實驗條件下，3YSZ形成的自由氧空位數量較低，該反應較易發生，導致試樣中較大的電子遷移，而9YSZ為全穩定狀態，氧空位數量相對較高，因此其電子遷移數較小，15YSZ中，越來越多的Y取代Zr，這樣使得原先處於次近鄰位置的氧空位變成最近鄰而發生複合，實際上卻減少了自由氧空位的數量，因此上式反應較易發生，使得電子遷移數反而大於9YSZ。
研究結論
使用化學鍍結合電鍍的方法可以利用金屬鎳作為阻塞電極，從而獲得較高溫度下YSZ材料的電子電導率值。基於Wagner直流極化法原理測試得到了不同摻雜的YSZ材料電子電導率值，實驗中測得的試樣電子電導率與溫度關係為：
3YSZ：lnσT=3.18-6795/T
5YSZ：lnσT=2.28-6790/T
9YSZ：lnσT=0.42-7449/T
15YSZ：lnσT=1.49-7226/T
