Über den Leitungsmechanismus oxydischer Halbleiter bei hohen Temperaturen

Abstract

Die Leitfähigkeit σ oxydisdier Halbleiter in Gegenwart von Sauerstoff wird bei hohen Temperaturen und nicht zu großen Störstellenkonzentrationen nicht allein durch die thermische Abspaltung von Trägern aus den Störstellen, sondern in entscheidendem Maße auch durch eine von der Temperatur T und vom Sauerstoffdruck PO2 abhängige Veränderung der Störstellenkonzentration als Folge einer Wechselwirkung mit der umgebenden Atmosphäre bestimmt. Bei Oxyden von Kationen mit abgesättigter Valenz sind dabei zwei Verhaltensweisen kennzeichnend: (a) Zunehmende Aufnahme von überschüssigem Sauerstoff im Kristall mit steigendem Druck - trotz begrenzter Kationenvalenz - und Ausbildung einer p-Leitung (σ ∼ PO2 1/x); (b) Dissoziation unter Abspaltung von Sauerstoff und Ausbildung einer n-Leitung (σ ∼ PO2 -1/x). Wie an Hand von Leitfähigkeitsmessungen als Funktion der Temperatur und des Sauerstoffdruckes sowie auf Grund von Thermokraftmessungen gezeigt wird, sind typische Vertreter für (a): BaO, SrO, CaO, ThO2, ZrO2 und La2O3, für (b) z. B. CeO2, TiO2 und ZnO. Durch Dotierung mit anderwertigen Kationen können unter normalen Meßbedingungen p-leitende Oxyde der Gruppe (a) auch in n-leitendem Zustand sowie normalerweise n-leitende Oxyde der Gruppe (b), z. B. TiO2 und ZnO, auch im p-leitenden Zustand erhalten werden. In eng durch T und PO2 begrenzten Bereichen treten dabei auch Eigenleitungszustände auf. Es wird ein allgemeines, aus dem Massenwirkungsgesetz abgeleitetes Schema von Leitfähigkeits-Sauerstoffdruck-Isothermen angegeben, das viele Einzelheiten im Erscheinungsbild der oxydischen Halbleiter zu erklären vermag