2021-2022学年高二物理竞赛课件：半导体的导电机制

1、半导体的导电机制 当外电场足够强时，共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中，使半导体击穿 为什么导体的电阻随温度升高而升高，而半导体的电阻却随温度升高而降低？半导体导体半导体的导电机制 杂质（impurity）半导体1. n型半导体 量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处， ED10-2eV，极易形成电子导电该能级称为施主（donor）能级。本征半导体 Si、Ge等的四个价电子，与另四个原子形成共价结合，当掺入少量五价的杂质元素（如P、As等）时，就形成了电子型半导体，又称 n 型半导体。 n 型半导体 空 带满 带施主能级EDEgSiSiSiSiSiSiSiP半导体材

2、料的分类 I（按功能分类）电子材料检波/放大/整流/存储光电材料发光/探测/光伏/成像热电材料 测温、发电传感材料气敏/湿敏/热敏/光敏/磁敏光子材料激光/光传输/光放大/光计算/光存储微波材料半导体材料的分类 II（按成分分类）元素半导体由单一元素构成的半导体材料，如锗、硅、硒等 化合物半导体由两种或两种以上元素构成的半导体材料，如InP, GaAs，Ga1-xAlxAs, GaN，ZnO，SiC等 有机半导体由有机高分子材料构成的半导体，如电荷转移络合物，芳香族化合物 复合半导体：两种或两种以上半导体材料的复合，如无机/无机，有机/无机，有机/有机复合半导体材料的分类 III（按结构分类）

3、单晶半导体：整块半导体材料中的原子周期性地有序排列。多晶半导体：半导体材料中分成许多区域，各区域内的原 子周期性地有序排列。非晶态半导体：半导体材料中的原子排列长程没有周期性， 但短程有序。异质结构半导体：指外延层与衬底材料不同的半导体多层 膜结构。超晶格半导体：利用外延技术制备的人工晶体结构。纳米半导体：结构尺度为纳米的半导体材料，如纳米颗粒 或纳米薄膜。复合半导体：两种或两种以上半导体材料的复合，如无机/ 无机，有机/无机，有机/有机复合。常见半导体材料的结构 金刚石结构 轨道杂化导致四个价电子等价。(1s)2(2s)2(2p)2 - (1s)2(2s)1(2p)3 面心立方两个面心立方点

4、阵沿对角线相对移动1/4距离Si, Ge常见半导体材料的结构 闪锌矿结构：与金刚石结构相似，闪锌矿结构也是一种由面心立方构成的复式格子，但两套格子各自的原子不同。在这种结构中，既有轨道杂化，又有原子间的电荷转移，原子间的键为离子键与共价键组成的混合键。所以电子云的分布呈非对称分布而偏向某一原子 GaAs，ZnS热力学稳定相为钎锌矿结构，宽带隙，缺乏中心对称性，具有强的压电特性，对可见光透明等（ ZnO）+ +- -P常见半导体材料的结构 本征半导体（semiconductor）# 本征半导体是指纯净的半导体。# 本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。* 本征半导体的能带结构：所以加热、光照、加电场都能把电子从满带激到发空带中去，同时在满带中形成 “空穴”（hole）半导体的满带与空带之间也是禁带，但是禁带宽度Eg 很窄 (0.1 2eV)E空带(导带) 满带Eg=0.12eV禁带本征（纯净）半导体 T=0K时（绝缘体）以半导体 CdS为例满 带空 带hEg=2.42eV 满带上的一个电子跃迁到空带后，满带中出现一个带正电的空位，称为 “空穴” 电子和空穴总是成对出现的。 电子和空穴叫本征载流子，它们形成半导体的本征导电性 当光照 h Eg 时，可发生本征吸收，形成本征光电导。解 例 要使半导体 Cd S产生本征光电导，求激发电子的光波的波长最大多长？空带满带在外电场作用下，电