武汉理工材料物理学9

1、第第5章章 导电物理导电物理 本章将介绍金属材料和半导体材料（也包括本章将介绍金属材料和半导体材料（也包括半导体陶瓷）的导电机制，着重从能带结构半导体陶瓷）的导电机制，着重从能带结构的角度分析材料的导电行为。本章还介绍了的角度分析材料的导电行为。本章还介绍了利用材料的导电物理特性制得的一些功能材利用材料的导电物理特性制得的一些功能材料，例如料，例如p-n结、晶体管等。结、晶体管等。本章提要本章提要5.1概述5.2材料的导电性能 5.4半导体物理 5.3金属电导 5.5 超导物理 2个学时4个学时4个学时第第5章章 导电物理导电物理 2个学时10个学时5.4半导体物理 5.4.1半导体与p-n结

2、5.4.2半导体的物理效应5.4.3能带理论在半导体中的应用5.4.4半导体陶瓷的缺陷化学理论基础2个学时2个学时2个学时4个学时5.4.1半导体与p-n结5.4.1.1本征半导体与非本征半导体本征半导体与非本征半导体 纯硅和纯锗属于本征半导体。这里，纯硅和纯锗属于本征半导体。这里，“本征本征”是具有是具有“原本特征原本特征”的意思。这些半导体的禁的意思。这些半导体的禁带带Eg比较小，具有足够热能的电子能够越过禁比较小，具有足够热能的电子能够越过禁带，从价带被激发到导带。被激发的电子原来带，从价带被激发到导带。被激发的电子原来占据的价带的能级上则留下一个空穴。占据的价带的能级上则留下一个空穴。

3、如果一个电子过来填充这个空穴，那么它如果一个电子过来填充这个空穴，那么它原来的能级上又会出现一个空穴。所以空原来的能级上又会出现一个空穴。所以空穴可以携带一个正电荷，空穴的移动也会穴可以携带一个正电荷，空穴的移动也会产生电流。如果在半导体材料上加上电压，产生电流。如果在半导体材料上加上电压，导带上的电子朝正极移动，价带上的空穴导带上的电子朝正极移动，价带上的空穴则向负极移动则向负极移动图图5.4-1在外加电压作用下在外加电压作用下,半导体中的电子在半导体中的电子在导带中移动导带中移动,空穴则在价带中朝相反方向移动空穴则在价带中朝相反方向移动 本征半导体中，通过控制温度来控制载流本征半导体中，通

4、过控制温度来控制载流子的数量及其导电性。在绝对零度时，所子的数量及其导电性。在绝对零度时，所有的电子都处于价带，导带中的所有能级有的电子都处于价带，导带中的所有能级都是空的。当温度升高时，电子占据导带都是空的。当温度升高时，电子占据导带能级的可能性也增加，半导体的导电性也能级的可能性也增加，半导体的导电性也随之增加。半导体中的导电性与温度的这随之增加。半导体中的导电性与温度的这种关系刚好与金属相反。在金属中，导电种关系刚好与金属相反。在金属中，导电性是随着温度升高而降低的。性是随着温度升高而降低的。 在实际应用中，本征半导体由于两种载流在实际应用中，本征半导体由于两种载流子的数量相等，显示不出

5、它们彼此的特性。子的数量相等，显示不出它们彼此的特性。所以不能用来制作晶体管之类的电子器件。所以不能用来制作晶体管之类的电子器件。但是本征半导体对光、射线、温度的作用但是本征半导体对光、射线、温度的作用非常敏感，使半导体的载流子数量随之发非常敏感，使半导体的载流子数量随之发生明显变化，因此可用来制作一些探测器。生明显变化，因此可用来制作一些探测器。 锗比硅容易提纯，所以最初发明的半导体锗比硅容易提纯，所以最初发明的半导体三极管是锗制成的。但是，锗的禁带宽度三极管是锗制成的。但是，锗的禁带宽度（0.67eV）只有硅的禁带宽度（）只有硅的禁带宽度（1.11eV）的大约一半，所以硅的电阻率比锗大，而

6、的大约一半，所以硅的电阻率比锗大，而且在较宽的禁带中能够更加有效地设置杂且在较宽的禁带中能够更加有效地设置杂质能级，所以后来硅半导体逐渐取代了锗质能级，所以后来硅半导体逐渐取代了锗半导体。硅取代锗的另一个主要原因是在半导体。硅取代锗的另一个主要原因是在硅的表面能够形成一层极薄的硅的表面能够形成一层极薄的SiO2绝缘膜，绝缘膜，从而能够制备从而能够制备MOS型三极管。型三极管。 除了硅和锗以外，还出现了像砷化镓除了硅和锗以外，还出现了像砷化镓（GaAs）这样由）这样由族元素和族元素和族元素组成族元素组成的化合物半导体。在化合物半导体中，载的化合物半导体。在化合物半导体中，载流子的移动速率远远大于

7、硅和锗，所以能流子的移动速率远远大于硅和锗，所以能够制备更加高速的大规模集成电路。够制备更加高速的大规模集成电路。 由于温度会影响本征半导体的导电性，所以由于温度会影响本征半导体的导电性，所以很难严格控制本征半导体的性能。但是，如很难严格控制本征半导体的性能。但是，如果在半导体材料中加入杂质，可以得到非本果在半导体材料中加入杂质，可以得到非本征半导体。非本征半导体的导电性主要取决征半导体。非本征半导体的导电性主要取决于添加的杂质原子的数量，而在一定温度范于添加的杂质原子的数量，而在一定温度范围内与温度关系不大。围内与温度关系不大。5.4.1.2n型半导体和型半导体和p型半导体型半导体 如果在硅

8、或锗中添加的施主是像锑或磷一样如果在硅或锗中添加的施主是像锑或磷一样的的5价元素，那么锑或磷中的价元素，那么锑或磷中的4个价电子会参个价电子会参加共价键结合。富余的那个价电子有可能进加共价键结合。富余的那个价电子有可能进入导带，参加导电。向本征半导体提供电子入导带，参加导电。向本征半导体提供电子作为载流子的杂质元素称为施主。掺入了施作为载流子的杂质元素称为施主。掺入了施主杂质的非本征半导体以负电荷（电子）作主杂质的非本征半导体以负电荷（电子）作为载流子，所以称为为载流子，所以称为n（negative，表示负，表示负电荷的意思）型半导体。电荷的意思）型半导体。n n型半导体型半导体施主的富余价电

9、子所处的杂质原子的电子能级低施主的富余价电子所处的杂质原子的电子能级低于半导体的导带。这个富余价电子并没有被施主于半导体的导带。这个富余价电子并没有被施主原子束缚得很紧，只要有一个很小的能量原子束缚得很紧，只要有一个很小的能量Ed就可就可以使这个电子进入导带。施主的这个价电子进入以使这个电子进入导带。施主的这个价电子进入导带后，不会在价带中产生空穴。随着温度的升导带后，不会在价带中产生空穴。随着温度的升高，越来越多的施主电子越过禁带高，越来越多的施主电子越过禁带Ed进入导带，进入导带，最后所有的施主的电子都进入导带，此时称为施最后所有的施主的电子都进入导带，此时称为施主耗尽。如果温度继续升高，

10、电导率将维持一个主耗尽。如果温度继续升高，电导率将维持一个常量。在更高的温度下，才会出现本征半导体产常量。在更高的温度下，才会出现本征半导体产生的导电性。生的导电性。图图5.4-2n型半导体型半导体a）掺杂）掺杂b）能级图）能级图如果在硅或锗中添加的杂质是像镓（如果在硅或锗中添加的杂质是像镓（Ga）一样）一样的的3价元素，没有足够的电子参与共价键的结合。价元素，没有足够的电子参与共价键的结合。如果价带上的其他电子过来填充这个空穴，在如果价带上的其他电子过来填充这个空穴，在价带上就会产生一个新的空穴，参加导电。向价带上就会产生一个新的空穴，参加导电。向本征半导体提供空穴作为载流子的杂质元素称本征

11、半导体提供空穴作为载流子的杂质元素称为受主。掺入了受主杂质的非本征半导体以正为受主。掺入了受主杂质的非本征半导体以正电荷（空穴）作为载流子，所以称为电荷（空穴）作为载流子，所以称为p（positive，表示正电荷的意思）型半导体。，表示正电荷的意思）型半导体。价带上的电子只有获得能量价带上的电子只有获得能量Ea，才能跃迁上去，才能跃迁上去填充受主的空穴而在价带上产生空穴。价带上填充受主的空穴而在价带上产生空穴。价带上的空穴可以移动，传导电流。的空穴可以移动，传导电流。 p型半导体型半导体a）掺杂）掺杂b）能级图）能级图图图5.4-3p型半导体型半导体表表5.4硅与锗中的施主能级硅与锗中的施主能

12、级Ed(eV)和受主的能和受主的能级级Ea(eV)掺杂元素掺杂元素硅硅Ed硅硅Ea锗锗Ed锗锗EaP0.0450.0120As0.0490.0127Sb0.0390.0096B0.0450.0104Al0.0570.0102Ga0.0650.0108In0.1600.0112图图5.4.4半导半导体的电导率与体的电导率与温度的关系温度的关系 半导体的电导率与温度的关系半导体的电导率与温度的关系本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的数量相等，而非本征半导体中的电子载流子和数量相等，而非本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的数量是不相等的。空穴载流子的数量是不

13、相等的。非本征半导体中的由于杂质原子而形成的载非本征半导体中的由于杂质原子而形成的载流子称为多数载流子，虽然掺入的杂质原子的流子称为多数载流子，虽然掺入的杂质原子的数量与半导体原子数量相比只是少数。而本征数量与半导体原子数量相比只是少数。而本征半导体中由于热激发等产生的载流子称为少数半导体中由于热激发等产生的载流子称为少数载流子。载流子。 本征半导体和非本征半导体的主要区别本征半导体和非本征半导体的主要区别化合物半导体通常具有与硅和锗相似的能带化合物半导体通常具有与硅和锗相似的能带结构。周期表的结构。周期表的族元素和族元素和族元素是典型族元素是典型的例子。的例子。族元素镓（族元素镓（Ga）和）

14、和族元素砷族元素砷（As）结合在一起形成化合物砷化镓。在砷）结合在一起形成化合物砷化镓。在砷化镓中，每个原子平均有化镓中，每个原子平均有4个价电子。镓的个价电子。镓的4s24p1 能级与砷的能级与砷的 4s24p3 的能级形成的能级形成2个个杂化能带。每个能带能够容纳杂化能带。每个能带能够容纳4N个电子。价个电子。价带和导带之间的禁带宽度为带和导带之间的禁带宽度为1.35eV。砷化镓。砷化镓半导体掺杂后也可以形成半导体掺杂后也可以形成p型半导体或型半导体或n型半型半导体。化合物半导体的禁带较大，所以耗尽导体。化合物半导体的禁带较大，所以耗尽区平台也较宽。而且化合物半导体中载流子区平台也较宽。而

15、且化合物半导体中载流子的移动速率较大，所以它的导电性比较好。的移动速率较大，所以它的导电性比较好。 离子化合物半导体又称为缺陷半导体。在离离子化合物半导体又称为缺陷半导体。在离子化合物半导体中，如果含有多余的阴离子，子化合物半导体中，如果含有多余的阴离子，则为则为p型半导体；含有多余的阳离子，则为型半导体；含有多余的阳离子，则为n型半导体。许多氧化物和硫化物都有这种半型半导体。许多氧化物和硫化物都有这种半导体性能。导体性能。 图图5.4.5n型半导体型半导体ZnO的形成的形成 半导体热电仪。半导体的导电性与温度有关。半导体热电仪。半导体的导电性与温度有关。利用这一特性可以制成半导体热电仪，用于

16、利用这一特性可以制成半导体热电仪，用于火灾报警器。火灾报警器。 压力传感器。能带结构和禁带结构与材料中压力传感器。能带结构和禁带结构与材料中的原子之间的距离有关。处于高压下的半导的原子之间的距离有关。处于高压下的半导体材料，其原子间距离变小，禁带也随之变体材料，其原子间距离变小，禁带也随之变小，电导率增大。所以通过测量电导率的变小，电导率增大。所以通过测量电导率的变化，就可以测量压力。化，就可以测量压力。 半导体的应用半导体的应用 5.4.1.2p-n结结 图图5.4.6p-n结的导电行为结的导电行为 图图5.4.7p-n结的伏安特性结的伏安特性 图图5.4.8p-n结的整流效应结的整流效应

17、p-n结的反向击穿结的反向击穿 在在p-n结处于反向偏压时，一般只有很小的结处于反向偏压时，一般只有很小的漏电流，这是由于热激发的少量电子和空穴漏电流，这是由于热激发的少量电子和空穴引起的。但是，如果反向偏压太大，通过引起的。但是，如果反向偏压太大，通过p-n结的绝缘区的漏电流的载流子将会被大大结的绝缘区的漏电流的载流子将会被大大加速，从而激发出其他的载流子，导致在反加速，从而激发出其他的载流子，导致在反向偏压下也产生一个很大的电流。这种现象向偏压下也产生一个很大的电流。这种现象称为称为p-n结的反向击穿结的反向击穿 可以通过调节半导体掺杂和可以通过调节半导体掺杂和p-n结的结构结的结构来改变来改变p-n结的反向许可电压。当电路上结的反向许可电压。当电路上的电压超过反向许可电压时