[科普中國(guó)]-激活能

簡(jiǎn)介

激活能是晶體中晶格點(diǎn)陣上的原子運(yùn)動(dòng)到另一點(diǎn)陣或間隙位置時(shí)所需的能量，是反映溫度應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品壽命影響的一種指標(biāo)。對(duì)物質(zhì)而言，它從正常的未失效狀態(tài)向失效狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中存在著勢(shì)壘。這就是激活能。激活能越小，失效的物理過(guò)程越容易進(jìn)行。激活能越大，加速系數(shù)越大，越容易被加速而失效。

通常情況下，激活能是不隨溫度變化的常數(shù)。也就是說(shuō)，對(duì)應(yīng)于某失效機(jī)理，激活能是不隨溫度變化的常數(shù)。這就保證了加速壽命試驗(yàn)的可行性。但是事實(shí)上，當(dāng)溫度大于500K時(shí)，激活能不再為常數(shù)。

擴(kuò)散激活能擴(kuò)散激活能用Q來(lái)表示，對(duì)于間隙擴(kuò)散，Q表示每mol間隙原子跳躍時(shí)需越過(guò)的勢(shì)壘，對(duì)空位擴(kuò)散，Q表示阿伏伽德羅常數(shù)個(gè)空位形成能加上每mol原子向空位跳躍時(shí)需越過(guò)的勢(shì)壘。

對(duì)激活擴(kuò)散能的幾點(diǎn)解釋1、就本征電導(dǎo)而言，激活能△E。相當(dāng)于能帶隙的寬度是顯然的。而對(duì)于非本征電導(dǎo),則有兩種情況:a.對(duì)n型非本征電導(dǎo),△E。等于施主能級(jí)和導(dǎo)帶邊之間的距離;b.對(duì)p型非本征電導(dǎo),△E。則等于受主能級(jí)和價(jià)帶邊之間的距離。不過(guò)，已有許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明大量的非本征半導(dǎo)體材料的激活能隨溫度的改變而不同。在低溫下，對(duì)應(yīng)于非本征電導(dǎo)的激活能；而在高溫下，卻相應(yīng)于本征電導(dǎo)的激活能。

2、因?yàn)槿魏尉w(不論是無(wú)機(jī)的還是有機(jī)的)都存在缺陷,因此,由各種缺陷所產(chǎn)生的陷阱始終存在于晶體中，這些缺陷將和從歐姆接觸注入的載流子產(chǎn)生相互作用，從而控制了載流子的流動(dòng)并確定了晶體的電流一電壓特性。由于陷阱的存在,△E。就相應(yīng)于陷阱深度。若設(shè)E為俘獲能級(jí)，則對(duì)于電子陷阱△E。=Ec一E:(5)對(duì)于空穴陷阱△E,一E:一Ev(6)這意味著支配電導(dǎo)過(guò)程的是俘獲載流子的熱釋放。

3、由于有機(jī)固體材料的費(fèi)密能級(jí)E;上沒(méi)有電子,只有處于其內(nèi)部導(dǎo)帶、價(jià)帶或者雜質(zhì)能級(jí)內(nèi)的電子可供發(fā)射。而且,在半導(dǎo)體或絕緣體中,只有導(dǎo)帶中的很少一部分電子發(fā)射到真空能級(jí)(電子在真空中的最低能級(jí))中去需要較少的能量,而價(jià)帶和雜質(zhì)能級(jí)中的電子都需要較高的能量才能發(fā)射到真空能級(jí)中去。當(dāng)一個(gè)電子離子半導(dǎo)體或絕緣體后，剩余的電子就會(huì)恢復(fù)它們的統(tǒng)計(jì)分布。如果導(dǎo)帶中有一個(gè)電子離開(kāi)了,它的位置馬上就會(huì)被來(lái)自雜質(zhì)能級(jí)或者價(jià)帶的電子所占據(jù)。因?yàn)殡娮影l(fā)射前后其內(nèi)部的電子分布決定于這些電子相對(duì)費(fèi)密能級(jí)Ef的能級(jí),因此一個(gè)電子從有機(jī)固體材料發(fā)射到真空能級(jí)所需要的自由能就相當(dāng)于激活能△E，它包括兩部分能量:a.Ec一Ef；b.使一個(gè)電子從其表面上導(dǎo)帶的底邊移至剛好在半導(dǎo)體或絕緣體外部的真空中的一點(diǎn)所需要的能量—電子親合勢(shì)X。

4、對(duì)于各種類(lèi)型的電接觸，如金屬一電解質(zhì)、電解質(zhì)一絕緣體、MIS(金屬一絕緣體一半導(dǎo)體)體系、等等。兩個(gè)表面之間并不能完全接觸,即使對(duì)于實(shí)際接觸的部分，在表面之間也會(huì)存在力學(xué)作用和反應(yīng)。此外，不同材料的接觸表面作為一種不連續(xù)性,電子分布相對(duì)于離子實(shí)可能是非對(duì)稱的，它類(lèi)似于由凈電荷流動(dòng)的方式而導(dǎo)致偶電層的形成。它們都會(huì)使電極與固體樣品之間存在一勢(shì)壘，此勢(shì)壘的作用是阻止載流子的注入。從電極注入的載流子必須克服電極與固體樣品之間的這一勢(shì)壘而參與電導(dǎo)過(guò)程，所以激活能△E。相應(yīng)于此勢(shì)壘高度。

5、在外加電場(chǎng)的作用下，固體樣品中的電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)以致它們能夠貫穿勢(shì)壘，從而有效地對(duì)電導(dǎo)作出主要貢獻(xiàn)。因此，激活能△E。相應(yīng)于外電場(chǎng)所提供的電子實(shí)現(xiàn)貫穿所需的能量。早在1955年,Eley和尸afrztt就提出這種勢(shì)壘通常是分子間相互作用而形成的一種勢(shì)壘。

6、如果固體樣品受到壓力作用，通常都會(huì)影響電導(dǎo)，使得△Eσ發(fā)生變化。就有機(jī)半導(dǎo)體而言,特別是高分子有機(jī)半導(dǎo)體材料,壓力增大將使鄰近分子的波函數(shù)疊加增強(qiáng),因而使載流子的遷移率增加,Baltey和LyonS曾在1966年提出這將使得極化能增加。Gutmann和LyonS建立了如下關(guān)系：

△Eσ=I-X-△P (9)

式中l(wèi)為電離能，△P為極化能，(9)式指出激活能與極化能之間的關(guān)系。2

根據(jù)以上分析討論,激活能△E。可借六種不同的過(guò)程之一來(lái)解釋,它與固體樣品的結(jié)構(gòu)是有關(guān)的。但若僅僅根據(jù)△Eσ的數(shù)值去區(qū)別電導(dǎo)過(guò)程將是極為困難的。2

蠕變激活能蠕變激活能是實(shí)現(xiàn)蠕變?cè)^(guò)程所需的能量，它的數(shù)值大小反映元過(guò)程的難易程度。

同一種材料在不同的溫度和應(yīng)力范圍內(nèi)，蠕變的機(jī)制不同，因而蠕變激活能也就不同。例如，純鋁在較低溫度下，蠕變激活能隨溫度而增高; ；但在0.5Tm(Tm是熔點(diǎn)絕對(duì)溫度)以上，蠕變激活能保持恒定，并等于自擴(kuò)散激活能。

對(duì)蠕變激活能的研究，不僅有學(xué)術(shù)意義，而且有實(shí)際意義.它一方面可以揭示蠕變過(guò)程的物理本質(zhì)，另一方面又可以為發(fā)展抗蠕變材料和縮短蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)間的方法奠定理論基礎(chǔ).我國(guó)科學(xué)工作者孔慶平等通過(guò)對(duì)蠕變激活能的一系列研究，從實(shí)驗(yàn)上和理論上肯定了一種提高溫度、縮短蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)間的方法.這種外推方法已為我國(guó)高溫材料研制和工業(yè)部門(mén)廣泛采用。3