电子电导

物理术语

电子电导的载流子是电子或空穴（即电子空位）。能带理论指出，在具有严格周期性电场的理想晶体中的电子和空穴，在绝对零度下运动时不受阻力，迁移率为无限大；只有当周期性受到破坏时，才产生阻碍电子运动的条件。

概念

在电子电导的材料中，电子的非弹性碰撞引起电子波的散射是电子运动受阻的原因。无机材料中电子电导比较显著的材料主要是半导体材料。

（1）电子电导率的一般公式

与离子电导率一样，电子电导率仍可按公式计算。但在电子电导中，载流子电子与空穴浓度、迁移率常常不一样，计算时应分别考虑。

本征半导体的电子电导率为：

式中：、分别为电子和空穴的迁移率。

n型半导体的电子电导率为：

p型半导体的电子电导率为：

（2）电子电导率的影响因素

①温度的影响

温度对电子电导率的影响包括对迁移率的影响和载流子浓度的影响，而对后者的影响是主要的。

②杂质及缺陷的影响

大多数半导体氧化物陶瓷，或者由于掺杂产生非本证缺陷（杂质缺陷），或由于烧成条件使它们成为非化学计量而形成组分缺陷。

多间隙耦合腔电子电导与模式稳定性

研究背景

分布作用速调管(EIK)作为一种新型微波源器件，因其在高频段具有高功率与高效率的特点，正被深入地研究。EIK的核心技术是采用多间隙耦合腔作为高频电路。多间隙腔提高了电路的特性阻抗，从而提高了间隙中注波互作用效率，并增加了带宽。由于间隙间相互耦合使得谐振腔模式增加，这些模式的存在和互相干扰会影响速调管的正常工作，尤其当非工作模式不稳定时，更会严重影响速调管的工作特性。因此对多间隙腔的模式及其稳定性的分析非常重要。

电子电导是反映间隙注波互作用过程中电子注与电路高频场能量交换的重要参量。对电路稳定性的分析足以通过间隙电子电导的正负来判断电路是否陷于正反馈，并因此采取措施进行抑制。对于多间隙腔，通常将耦合腔等效为一个间隙来计算电子电导。但多间隙腔中电子注在每个间隙都与高频场进行注波相互作用，在每个间隙上体现出不同的电子负载效应，整体的电子电导无法反映单个间隙中的注波互作用机理，也不能对间隙中的模式稳定性进行深入分析。为进一步研究多间隙耦合腔中的注波互作用机理及更加深入细致地分析间隙模式的稳定性，也为了发展EIK注波互作用计算模型，需要研究在单个间隙上的注波互作用与电子负载效应。研究利用空间电荷波理论，以三间隙耦合腔为例，推导了耦合腔中每个间隙电子电导的计算公式。利用各个模式的电子电导，进行了多间隙耦合腔的模式稳定性分析。建立了仿真模型，分析了耦合腔中各个间隙模式的注波互作用特性及电子电导的变化趋势。

理论分析

根据空间电荷波理论，快波和慢波与间隙中高频场进行互作用，产生能量交换，它们在注波互作用中的影响不同。快波的相速高于电子注的相速，导致电子注吸收功率，使电子电导为正值。而慢波相速低于电子注相速，其互作用导致电子注放出功率，使电子电导为负值。由电子电导计算式得到，当快波在与某一模式的间隙场互作用中占据主导时，即其耦合系数M(β1)与相位因子F(β1)的乘积大于慢波时，电子电导为正，该模式处于稳定状态。反之当慢波占主导时，电子电导为负值，则电路陷于正反馈，容易产生自激导致不稳定。电子注中的快慢波与各个模式场的同步及耦合作用共同决定了模式的稳定性。由于各个模式参数不同，导致其与电荷波中的快波或慢波的互作用中强弱关系也不同，所以模式稳定特性也不同。合理选择电子注参数及间隙参数，可以使谐振腔各个模式的间隙电子电导都为正，从而使电路处于稳定状态，保证系统的正常工作。

研究结论

研究利用空间电荷波小信号理论，建立了多间隙耦合腔中单个间隙电子电导的计算模型，并用来进行了间隙注波互作用及稳定性分析。以三间隙耦合腔为例进行了计算与分析，结果显示：不同模式的各个间隙电子电导不同，Ge3/G0受注电压及间隙距离影响最大，其对注波互作用及电路稳定特性的影响也最大;对于2π模式，当间隙距离渡越角为2π左右时，电路各模式处于稳定，但在实际设计中还要综合考虑注波互作用效率。本计算模型可以更加深入地分析间隙注波互作用过程与电路的模式稳定性，还可以用于多间隙腔注波互作用的计算机模拟仿真。但本模型仅限于讨论3个间隙，对更多间隙情况，由于其互作用过程的复杂及间隙模式的增多，尚难以深入分析，需要更进一步的研究工作。

氧化锆固体电解质高温电子电导的研究

氧化锆固体电解质在实际中的应用，主要就是利用它的离子导电特性。但在高温或低氧分压的情况下，电解质晶体正常结点上的氧(O0)具有变成氧分子向气相逸出的趋势，并在电解质中留下氧离子空位(V0。。)和自由电子(e)，固体电解质从而表现出较为明显的电子电导，即：O0=1/2O2+V0。。+2e

如果电子电导大于固体电解质总电导的1%，则此类固体电解质不能用于热力学参数的准确测量。固体透氧膜(SOM)法用于金属氧化物直接制备金属所用透氧膜材料主要为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)固体电解质。其高温电子电导数据对于研究SOM法反应机理及反应速率等参数有着重要的意义，因此，获得高温下YSZ电子电导率的数据就显得尤为重要。传统固体电解质的电子电导测试方法一般采用电子导电特征氧分压来表征电子电导，如抽氧测定法，其装置复杂且实验误差较难控制，因此不适用于诸如YSZ类电子电导较低的材料。常用的Wagner直流极化法可以得到较为精确的电子电导率，其难点在于离子阻塞电极的制备。本实验就是基于Wagner直流极化法，通过一种新方法在YSZ陶瓷材料上制备离子阻塞电极，对其电子电导进行了直接测量，并研究了影响电子电导率的因素。

电子电导测试实验

（1）测试原理

Wagner直流极化法的原理采用不对称电池设计。一端为可逆电极，另一端是离子阻塞电极。在该电池上施加低于电解质分解电压的电势时，阻塞电极界面上残余氧离子流通过电解质迁移至正极，但因阻塞电极切断了氧离子源而导致电解质中离子流很快下降。

当电位梯度产生的离子流和因浓度梯度引起的化学扩散离子流相等时，离子电流降为0，此时总电流只由电子或电子空穴产生。

（2）阻塞电极

根据Wagner直流极化法的原理，本实验所选择的是对电子导通而对氧离子传导阻塞的离子阻塞电极。研究曾尝试用金属铜作为离子阻塞电极，但因金属铜的熔点温度所限，使得该法只能用来测量材料的低温电子电导。现有方法在金属与陶瓷结合时，通常采用喷涂和涂覆的方式，因此阻塞电极实际上难以真正与陶瓷基体紧密结合，漏氧问题较难解决，从而导致测试误差偏大。

本研究基于已有电子电导测量的低温局限性，提出了采用金属镍作为阻塞电极的研究思路。金属镍的熔点很高(1453℃)，所以理论上可用于高温下固体电解质的电子电导测量；而针对金属与陶瓷基体结合不够紧密导致的漏氧问题，拟采用化学镀结合电镀的工艺。化学镀的粗化过程中，浓酸对固体电解质陶瓷材料表面进行了刻蚀，金属镍粒在沉积的过程中渗入陶瓷表层，这样不仅增加了金属镍与陶瓷材料结合表面积，还加强了两者间的结合力;在此基础上再结合电镀的工艺，最终可获得致密的金属镍层。

实验结果

电子的迁移数取决于该反应式中的氧空位数量。氧空位数量低，则反应易发生(向右进行)；反之则不易发生。由此可以看出，高温条件下氧化锆试样的电子迁移数量与材料中的自由氧空位数量呈反比关系。在相同实验条件下，3YSZ形成的自由氧空位数量较低，该反应较易发生，导致试样中较大的电子迁移，而9YSZ为全稳定状态，氧空位数量相对较高，因此其电子迁移数较小，15YSZ中，越来越多的Y3+取代Zr4+，这样使得原先处于次近邻位置的氧空位变成最近邻而发生复合，实际上却减少了自由氧空位的数量，因此上式反应较易发生，使得电子迁移数反而大于9YSZ。

研究结论

使用化学镀结合电镀的方法可以利用金属镍作为阻塞电极，从而获得较高温度下YSZ材料的电子电导率值。基于Wagner直流极化法原理测试得到了不同掺杂的YSZ材料电子电导率值，实验中测得的试样电子电导率与温度关系为：

3YSZ：lnσT=3.18-6795/T

5YSZ：lnσT=2.28-6790/T

9YSZ：lnσT=0.42-7449/T

15YSZ：lnσT=1.49-7226/T

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