半导体的导电性

半导体的导电性第1页/共55页本章内容金属的导电性合金的导电性半导体的导电性材料的介电性材料的超导电性第2页/共55页半导体的电学性能第3页/共55页半导体的特点及应用

电子和空穴同时作为载流子，并且载流子浓度和导电类型能通过掺杂进行控制；

禁带宽度对应着红外至可见光波段应用：形成pn结、晶体管、MIS场效应晶体管等基本元件，应用于集成电路工业。应用：通过形成一系列功能器件实现光-电、电-光转换，应用于太阳能电池、发光二极管等领域。第4页/共55页我国目前的半导体工业

多晶硅生产及光伏产业集成电路（晶圆）制造产业发光二极管（LED）及半导体照明产业特点：

规模大，产业链齐全；

资本投入大；

原料和生产线依赖进口，产品以出口为主。第5页/共55页第三节半导体的导电性

半导体材料及其能带导电机制

PN结半导体电学性能的测试方法应用领域第6页/共55页1.半导体材料及其能带导带和价带重叠绝缘体的禁带一般大于5eV半导体的禁带一般小于3eV第7页/共55页半导体材料的导电性

定义：

分类：电阻率为（10-3~109

Ωcm）或禁带宽度（0.2~3.5eV）的一类材料。

晶体半导体

非晶半导体

有机半导体

元素半导体Si，Ge

化合物半导体GaN，InGaN，GaAs，Cu2O，ZnO，TiO2等第8页/共55页金刚石、硅和锗的对比三者均为金刚石结构；禁带宽度分别为~5.4eV、~1.2eV和~0.7eV。在硅和锗中，一些电子在一般温度下就能受到热激发，越过禁带占据一些导电的能级。而当施加电场作用时，占据导带的电子就能引起电导。为半导体。只有在0K时，硅和锗才变得和金刚石一样，为绝缘体。第9页/共55页硅和锗是两类十分重要的元素半导体元素半导体第10页/共55页锗

锗是一种稀散元素，在地壳中分布很分散，没有集中的矿藏。煤中含有微量的锗，煤燃烧后锗以GeO2

富集在烟道灰里，但含量也不高。将GeO2

收集、氯化、还原、提纯后可以得到金属锗。工艺流程长，不利于大批量生产。所以应用极为有限。第11页/共55页硅

硅资源十分丰富，仅次于氧列第二位硅的制备原料主要是石英砂。第12页/共55页

具有良好的热导率和高温力学性能、优异的半导体性质，可以稳定地制备大直径无位错的单晶。世界上几乎所有的集成电路都是单晶硅制成的，而且集成电路用硅占单晶硅整个用量的80%以上。此外，绝大多数的电力电子器件(可控硅、整流器等)、功率晶体管都是单晶硅制成的。硅是一种天然的电子元器件材料第13页/共55页化合物半导体化合物半导体一般是由围绕周期表中IV族对称位置的元素组成的。GaAs第14页/共55页

砷化镓具有闪锌矿结构。也就是和硅、锗具有相似的结构。优点：工作温度较高，承受的电压较大，可以在更高的频率下工作，有较好的抗辐射能力等缺点：提纯和制备GaAs单晶比硅困难得多，GaAs的寿命也比较短。

GaAs目前只用于一些特殊的场合，如航空、航天领域等。砷化镓GaAs多结太阳能电池40%第15页/共55页化合物半导体化合物半导体的优点是具有范围较宽的禁带和迁移率，可以满足不同场合的特殊要求在一些化合物半导体中，应用了非化学计量原理来产生杂质能级，此时组分的控制特别重要由于纯度的限制，化合物半导体发展较为缓慢。事实上，就整个半导体工业来说，材料工艺的限制一直是器件发展步伐缓慢的原因。尽管理论已经非常成熟。第16页/共55页半导体材料的制备体单晶材料（如Si片）外延薄膜（如GaAs、GaN薄膜）直拉法、区熔法等化学气相沉积法、分子束外延法等第17页/共55页第三节半导体的导电性

半导体材料及其能带

导电机制

PN结半导体电学性能的测试方法应用领域第18页/共55页2.导电机制本征半导体杂质半导体P型半导体N型半导体第19页/共55页本征半导体“纯净”的半导体单晶体，即没有杂质和缺陷。本征激发的过程导带价带0K时，导带中无电子，价带无空穴；

一定温度下，一部分价带中的电子获得大于Eg的能量，跃迁到导带中去；

在外电场作用下，自由电子和空穴都能导电，统称为载流子。第20页/共55页禁带宽度可以用实验方法测定在温度T

时，被激发到导带中的电子载流子的浓度ne

与禁带宽度Eg有关，当Eg>kT

时，半导体的电导率可以表示为第21页/共55页于是，本征半导体的电导率可以写成实验测得的ln与1/T

之间的关系为一直线。由直线的斜率即可算出禁带宽度。对温度十分敏感：随着温度的升高，电导率呈指数增大，与金属正好相反对禁带宽度十分敏感：禁带越宽，电导率越低第22页/共55页半导体的性能是由导带中的电子数和价带中的空穴数决定的电子和空穴可以借助于热、电、磁等形式的能量激发产生，称为本征激发；相应形成本征半导体电子和空穴也可以借助于引进杂质元素而激发，称为非本征激发；相应形成非本征半导体(杂质半导体)杂质半导体第23页/共55页杂质半导体半导体中的载流子是电子和空穴，这两种载流子都可以通过引进杂质的方法而获得如果杂质的引进导致了电子的产生，则相应形成的杂质半导体称为n型半导体如果杂质的引进导致了空穴的产生，则相应形成的杂质半导体称为p型半导体杂质半导体都是固溶体第24页/共55页n型半导体p型半导体杂质中的电子容易脱离其原子的束缚而成为导电电子如V族杂质杂质中能够接受电子而产生导电空穴如III族杂质施主受主对Si和Ge来说第25页/共55页As+4As+5掺入第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)后，某些电子受到很弱的束缚，只要很少的能量△ED(0.04~0.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。施主杂质第26页/共55页被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级施主能级位于离导带很近的禁带施主能级上的电子吸收少量的能量△ED后可以跃迁到导带施主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布施主杂质电离使导带电子浓度增加第27页/共55页掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量△EA<Eg

就可以产生自由空穴B受主杂质第28页/共55页被受主杂质束缚的空穴所处的能级称为受主能级受主能级位于靠近价带EV的禁带中空穴获得较小的能量△EA后就能反向跃迁到价带成为导电空穴电子浓度分布空穴浓度分布受主能级电离使导带空穴浓度增加电子能量第29页/共55页杂质半导体的特点掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但却能使导电能力显著增强。掺杂浓度越大，其导电能力越强。掺杂只是使一种载流子的浓度增加，杂质半导体主要靠多子导电。N型半导体P型半导体多子少子电阻率自由电子空穴自由电子空穴第30页/共55页计算题试计算本征Si在室温时的电导率，设电子和空穴迁移率分别为1350cm2/(V·s)和500cm2/(V·s)。当掺入百万分之一的As后，设杂质全部电离，试计算其电导率。比本征的电导率增大了多少倍？答案：一百万倍。第31页/共55页杂质半导体的电阻率随温度的变化关系第32页/共55页第三节半导体的导电性

半导体材料及其能带导电机制

PN结半导体电学性能的测试方法应用领域第33页/共55页3.半导体PN结p-n结++++++++++++pnPN结和肖特基结是几乎所有半导体元器件的基础。第34页/共55页第35页/共55页U电势2.内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动n型p型耗尽层1.浓度的差别导致载流子的扩散运动第36页/共55页扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动n型p型耗尽层耗尽层U反向偏压使耗尽区加宽第37页/共55页扩散>漂移正向偏压使耗尽区变窄Un型p型耗尽层耗尽层第38页/共55页pn结二极管的整流效应PN结的特征：正向导通，反向截止。应用于逻辑运算电路之中。第39页/共55页与PN结直接相关的半导体器件太阳能电池二极管发光二极管光探测器第40页/共55页与PN结间接相关的半导体器件晶体管：可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制的一种固体半导体器件

双极性晶体管（三极管）

场效应晶体管（MOS晶体管）第41页/共55页第三节半导体的导电性

半导体材料及其能带导电机制

PN结

半导体电学性能的测试方法应用领域第42页/共55页

四探针法霍尔效应法扩展电阻法伏安法（I-V）电容-电压法（C-V）4.半导体电学性能的测试方法第43页/共55页四探针法基本原理：以小电流使样品内部产生压降，测量其它两根探针的电压，然后计算材料的电阻率。其中，C为探针系数令I=C

，则优点：不需要制备合金电极迅速、便捷、不破坏样品精度较高第44页/共55页材料学院A305室测量范围电阻率： 10-4

～103 Ω－cm方块电阻： 10-4

～104 Ω－□电阻： 10-4

～105 Ω可测半导体材料尺寸直径： Φ15～130mm长（或高）度： <400mm第45页/共55页霍尔效应法实验上称为霍耳系数，与材料有关。1879年霍耳发现把一载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称之为霍耳现象。*实验结果载流子的正负决定的正负+优点：测试速度快，精度高不仅测试电阻，而且还可得到迁移率、载流子浓度等信息。第46页/共55页第三节半导体的导电性

半导体材料及其能带导电机制

PN结半导体电学性能的测试方法

应用领域

第47页/共55页5.应用领域

微电子领域电力/电子器件领域光电子领域基底材料探测/传感器领域如二极管、晶体管等器件如功率器件、微波器件等如太阳能电池、发光二极管等如Si单晶片、GaAs单晶片等如气敏、压敏、光敏传感器等第48页/共55页半导体照明（LED)发光二极管的结构注：出射波长通过改变MQW的参数得以调节。超晶格超晶格第49页/共55页超晶格——发光二极管的核心作用：使注入的电子和空穴在特定区域复合，从而增强发光效率。第50页/共55页正向偏压使pn

结形成一个增益区：——导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转——大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光pn外加正偏压注入载流子粒子数反转载流子复合发光半导体的电注入发光第