半导体的导电性能(1)
半导体的特性
半导体的特性
半导体主要有以下特性。
1、半导体：导电能力随着掺入杂质、输入电压（电流）、温度和光照条件的不同而发生很大变化,人们把这一类物质称为半导体。
2、载流子：半导体中存在的两种携带电荷参与导电的“粒子”。
自由电子：带负电荷。
空穴:带正电荷。
特性:在外电场的作用下,两种载流子都可以做定向移动,形成电流。
3、电子技术的核心是半导体半导体之所以得到广泛的应用，是因为人们发现半导体有一下的三个特性。
(1)掺杂性:在纯净的半导体中掺入及其微量的杂质元素,则它的导电能力将大大增强。
(2)热敏性:温度升高,将使半导体的导电能力打发增强。
（3)光敏性：对半导体施加光线照射时，光照越强，导电能力越强。
3.P型半导体和N型半导体(重点)N型半导体:主要靠电子导电的半导体。
即:电子是多数载流子,空穴是少数载流子。
P型半导体:主要靠空穴导电的半导体。
即:空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
PN结:经过特殊的工艺加工,将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起,则在两种半导体的交界面就会出现一
个特殊的接触面，称为PN 结。
半导体材料的导电性
空穴 (b) 偏压情况下
因此有：
Ei q
微电子电路基础
半导体材料的导电性 17
载流子漂移
在导带的电子移动至右边，而动能则相当于其于能带边缘 （如对电子而言为EC）的距离，当一个电子经历一次碰撞，它 将损失部分甚至所有的动能（损失的动能散至晶格中）而掉回 热平衡时的位置。在电子失去一些或全部动能后，它又将开始 向右移动且相同的过程将重复许多次，空穴的传导亦可想象为 类似的方式，不过两者方向相反。 E
q n n p p
所以，电阻率亦为
1
1 q (n n p p )
微电子电路基础
.
苏州科技学院电子与信息工程系
半导体材料的导电性 20
载流子漂移
一般来说，非本征半导体中，由于两种载流子浓度有好几 次方的差异，只有其中一种对漂移电流的贡献是显著的。 如对n型半导体而言，可简化为（因为n>>p）
qE dEc dx
I E N型 电子 V
由于导带底部EC 相当于电子 的电势能，对电势能梯度而 言，可用与EC 平行的本征费 米能级Ei的梯度来代替，即
E 1 dEc q dx 1 dEi q dx
qV
EC EF Ei EV
引入静电势，其负梯度等于 电场 ，即
E d dx
I N型 电子 V
在外加电场的影响下， 载流子的运输会产生电流， 称为漂移电流（drift current）
qV
EC EF Ei EV
空穴 (b) 偏压情况下
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半导体材料的导电性 18
载流子漂移
半导体的特性
一、本征半导体的导电特性1.导体、绝缘体和半导体自然界中的物质从其电结构和导电性能上区分，可分为导体、绝缘体和半导体。
如金、银、铜、铝、铁等金属材料很容易导电，我们称它们为导休。
导体的电阻率小于10-6cm。
如陶瓷、云母、塑料、橡胶等物质很难导电，我们称它们为绝缘体。
绝缘体的电阻率大于108cm。
有一类物质，如硅、锗、硒、硼及其一部分化合物等，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，故称之为半导体。
半导体的电阻率在10-6～108之间。
众所周知，导体具有良好的导电性，绝缘体具有良好的绝缘性，它们都是很好的电工材料。
我们用导体制成电线，用绝缘体来防止电的浪费和保障安全。
而半导体却在很长时间被人们所不齿，因为它的导电性能不好，绝缘性能又差。
然而它的不公正待遇随着人们对它所产生的愈来愈浓厚的兴趣消失了，它终于登上了大雅之堂！这是为什么呢？这是因为它具有一些可以被人们所利用的奇妙特性。
半导体在不同情况下，导电能力会有很大差别，有时犹如导体。
在什么情况下呢？①掺杂：在纯净的半导体中适当地掺入极微量（百万分之一）的杂质，就可以引起其导电能力成百万倍的增加。
②温度：当温度稍有变化，半导体的导电能力就会有显著变化。
如温度稍有增高，半导体的电阻率就会显著减小。
同理光照也会影响半导体的导电能力。
2.本征半导体的原子结构本征半导体——非常纯净且原子排列整齐的半导体。
（纯度约为99.999999999%。
即杂质含量为10的9次方分之一。
）硅原子一14个带负电的电子围绕带正电的原子核运动，并按一定的规律分布在三层电子轨道上。
锗原子一32个带负电的电子围绕带正电的原子核运动，并按一定的规律分布在四层电子轨道上。
由于原子核带正电与电子电量相等，正常情况下原子呈中性。
由于内层电子受核的束缚较大，很少有离开运动轨道的可能。
所以它们和原子核一起组成惯性核。
外层电子受原子核的束缚较小。
叫做价电子。
硅、锗都有四个价电子，故都是四价元素，其简化图见电子课件。
半导体的特性
半导体的特性
半导体是一种具有介于导体和绝缘体之间的电导性能的材料。
其特
性包括：
1. 导电性：半导体具有介于导体和绝缘体之间的导电性能。
在绝缘
体中，电子无法自由移动，而在导体中，电子可以自由移动。
半导体
的特点是在常温下，其导电性由掺杂与温度控制。
2. 能带结构：半导体的原子排列形成了能带结构，其中包含导带和
价带。
绝缘体的导带与价带之间的能隙非常大，而导体几乎没有能隙。
半导体的能隙介于导体和绝缘体之间，通常为1-3电子伏特。
3. 温度对导电性的影响：与导体不同，半导体的电导性能与温度密
切相关。
随着温度的升高，半导体的电导性能也会增加。
4. 掺杂：通过在半导体晶体中掺入少量的杂质，可以显著地改变其
导电性质。
杂质的掺杂可以分为N型和P型。
N型掺杂引入一个附加
的自由电子，而P型掺杂引入一个附加的空穴。
5. PN结：将N型和P型的半导体材料接触在一起形成PN结。
PN
结具有整流作用，即在正向偏置时，电流可以流动，而在反向偏置时，电流被阻塞。
6. 半导体器件：半导体的特性使其成为制造各种电子器件的理想材料，如二极管、晶体管、场效应管和集成电路等。
总的来说，半导体的特性使其成为现代电子技术的基础，广泛应用于计算机、通信、光电等领域。
半导体的基本特征
半导体的基本特征
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有一些独特的特征。
以下是半导体的基本特征：
1. 导电性能：半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。
在纯净的半
导体中，电子和空穴数量相等，因此电导率很低。
但是，通过掺杂或
施加电场等方法，可以增加半导体的导电性能。
2. 能带结构：半导体的能带结构是其特征之一。
半导体的能带结构由
价带和导带组成。
在纯净的半导体中，价带和导带之间存在能隙，电
子必须获得足够的能量才能跃迁到导带中。
3. 温度特性：半导体的电导率随温度的变化而变化。
在低温下，半导
体的电导率很低，但随着温度的升高，电导率会增加。
这是因为温度
升高会增加电子和空穴的数量，从而增加半导体的导电性能。
4. 光电特性：半导体具有光电效应，即当光照射到半导体上时，会产
生电子和空穴。
这种现象被广泛应用于太阳能电池和光电器件等领域。
5. PN结：PN结是半导体器件的基础。
PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构，具有整流和放大等功能。
6. 控制特性：半导体的电性能受到外部电场的控制。
通过施加电场，可以控制半导体中电子和空穴的数量和移动方向，从而实现对半导体器件的控制。
总之，半导体具有介于导体和绝缘体之间的导电性能，能带结构、温度特性、光电特性、PN结、控制特性等特征。
这些特征使得半导体在电子器件、光电器件、太阳能电池等领域得到广泛应用。
6-1 半导体的导电特性
6-1 半导体二极管半导体元器件是现代电子技术的重要组成部分，是构成各种电子电路的核心，常用的半导体元器件有二极管、晶体管、场效应管等。
半导体元器件由半导体材料制成，因此，学习电子技术应首先了解半导体材料的特性，这将有助于对半导体元器件的学习、掌握和应用。
6-1-1 半导体的导电特性1. 半导体的导电机理导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体，这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、硼、砷、铟等，他们的电阻率在10-3～107欧.厘米。
绝对纯净的硅、锗、磷、砷、硼、铟叫做本征半导体。
（1）本征半导体及特点半导体材料的广泛应用，并不是因为它们的导电能力介于导体与绝缘体之间，而是它们具有一些重要特性：1）当半导体受到外界光和热的激发（本征激发）时，其导电能力发生显著的变化；2）若在本征半导体中加入微量的杂质（不同的本征半导体）后，其导电能力显著的增加；半导体的这些特点取决于这类物质的化学特性。
（2）半导体的共价键结构1)半导体的化合价物质的化学和物理性质都与物质的价电子数有密切的关系，半导体材料大都是三、四、五价元素。
硅、锗（四价）、磷、砷（五价）、硼、铟（三价）。
2)化学键物质化学键分离子键、共价键和金属键三种，半导体物质的化学键都属于共价键的晶体结构，同时它们的键长一般很长，故原子核对价电子的束缚力不象绝缘物质那样紧，当价电子获得一定的能量后，就容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。
+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4可见半导体中的载流子有两种，即自由电子（●）和空穴(○)。
本征半导体的载流子是由本征激发而产生的，其自由电子与空穴是成对出现，即有一个自由电子，就一定有一个空穴，故称电子空穴对。
由于空穴带正电，容易吸引邻近的价电子来填补，从而形成了共有价电子的运动，这种运动无论从效果上，还是从现象上，都好象一个带正电的空穴在移动，它不同于自由电子的运动，故称之为空穴运动。
物质的导电是靠物体内带电粒子的移动而实现的，这种粒子称作载流子。
半导体材料的导电性能研究
半导体材料的导电性能研究半导体材料在现代科技中扮演着重要的角色。
由于其特殊的电学性质，它们被广泛应用于电子器件、光电子学、光伏发电等领域。
而这些应用的关键，就是对半导体材料导电性能的深入研究。
本文将探讨半导体材料导电性能研究的方法、原理以及未来发展前景。
一、导电性能的表征方法研究半导体材料的导电性能，需要先对其进行表征。
最常见的表征方法是电导率测量。
通过电导率的测量，可以得到半导体材料的导电特性，包括导电型态（n型或p型）、电子迁移率等。
此外，还可以通过霍尔效应测量来确定导电性能和载流子浓度之间的关系。
二、研究方法与原理1. 电学方法电学方法是研究半导体材料导电性能的主要手段之一。
例如，通过四探针测量方法可以得到材料的电阻率和导电率。
该方法通过四个电极接触样品，测量样品的电阻，从而推导出导电率。
此外，也可以使用交流电学方法，如交流阻抗谱分析等，来研究材料的导电行为。
2. 光学方法光学方法是研究半导体材料导电性能的另一种常用方法。
例如，光电导测量可以通过照射样品并测量导电率来研究材料的导电特性。
光电导测量基于光生载流子的产生和达到平衡的过程。
通过分析载流子的迁移和复合行为，可以得到材料的导电行为。
3. 微观结构表征半导体材料导电性能的研究还需要对其微观结构进行表征。
例如，透射电子显微镜（TEM）可以观察到材料的晶体结构和晶界，从而确定材料导电性能的微观机制。
扫描电子显微镜（SEM）则可以提供材料的表面形貌信息，有助于进一步理解导电性能与表面形貌之间的关系。
三、半导体材料导电性能的调控探究半导体材料导电性能的研究不仅用于理论深入，还可应对实际需要进行导电性能的调控。
例如，通过控制半导体材料的掺杂浓度和掺杂类型，可以调节材料的导电特性。
此外，通过改变材料的形貌、结构、界面等，也可以改善或控制材料的导电行为。
四、未来的发展前景随着科技的不断发展，对半导体材料导电性能的研究也在不断深入。
未来，可以预见以下几个方面的发展：1. 材料设计与合成：通过计算机模拟和材料合成技术，可以设计和制备具有特定导电性能的新材料，满足不同应用领域的需求。
半导体的导电性
通过升高温度，使半导体材料内部的缺陷和杂质激活，从而改变其导电性能。
退火工艺
将半导体材料加热到一定温度并保持一段时间，然后缓慢冷却。这种方法可以消 除材料内部的应力，并提高其导电性能。
外加电场与磁场的影响
外加电场
通过外加电场，可以改变半导体材料内部的载流子分布和运动状态，从而影响其导电性能。
测量方法
电导率的测量通常采用四 探针法，通过四个接触材 料表面的探针来直接测量 电流和电压。
应用
电导率的测量可用于研究 半导体材料的晶体结构、 缺陷和掺杂等微观性质。
电极化率的测量
概述
电极化率是衡量半导体材 料在电场作用下极化程度 的重要参数，它与材料的 介电常数密切相关。
测量方法
电极化率的测量通常采用 电容法，通过在材料两端 施加交变电场并测量电容 的变化来计算电极化率。
载流子的产生与复合
载流子的产生
半导体材料中的原子或分子受到外部能量的激发，会释放出电子和空穴。
载流子的复合
电子和空穴在运动过程中，可能会重新结合在一起，从而消失。这种过程称为 载流子的复合。
03
半导体材料的导电性测量与表征
电导率的测量
01
02
03
概述
电导率是衡量半导体材料 导电性能的重要参数，它 反映了材料中载流子的迁 移率。
日期:
半导体的导电性
汇报人：
目 录
• 半导体导电性概述 • 半导体材料的导电原理 • 半导体材料的导电性测量与表征 • 半导体材料的导电性调控 • 半导体导电性的应用
01
半导体导电性概述
半导体材料定义
• 半导体材料定义：半导体材料是一种在导电性能上处于绝缘体 和导体之间的材料，具有独特的电子和空穴导电性。它们通常 在一定的温度和光照条件下，能显著提高其导电性。
半导体的导电特性
半导体的导电特性半导体是一种介于导体和绝缘体之间的物质。
它的导电特性与其他材料有所不同，因此对于理解和应用半导体的各种电子器件至关重要。
本文将深入探讨半导体的导电特性，包括本征导电、掺杂与载流子浓度、载流子迁移率以及PN结的导电特性等。
1. 本征导电半导体材料的本征导电是指在纯净无杂质状态下，通过自由载流子实现的导电现象。
半导体晶体中的自由电子和空穴是通过热激发或光激发的方式生成的。
具体而言，半导体中的自由电子主要来自于价带的电子跃迁，而空穴则是通过连带效应产生的。
在本征导电状态下，半导体的导电能力较弱。
2. 掺杂与载流子浓度为了提高半导体的导电性能，常常会对其进行掺杂。
掺杂是向半导体中加入少量杂质原子，以改变半导体的导电特性。
根据掺杂杂质的电性，可以将掺杂分为N型和P型两种。
N型半导体中掺入少量五价元素，如磷或砷，这些杂质原子提供了额外的自由电子，因此N型半导体中的导电能力增强。
P型半导体中掺入少量三价元素，如硼或铝，这些杂质原子提供了额外的空穴，因此P型半导体中的导电能力提高。
掺杂后的半导体中，载流子浓度变得非常高，因为掺杂引入了大量的自由电子或空穴。
这种载流子浓度的增加极大地改善了半导体的导电性能。
3. 载流子迁移率除了载流子浓度，载流子的迁移率也是决定半导体导电特性的重要因素之一。
载流子迁移率指的是自由载流子在半导体中运动时的移动速度。
迁移率取决于材料的特性以及杂质的种类和浓度。
在半导体晶体结构中，载流子的运动受到晶格缺陷、杂质和温度等因素的影响。
晶格缺陷会散射载流子，从而降低其迁移率。
而杂质的种类和浓度也会影响载流子的迁移率，高浓度的杂质会增加散射，降低迁移率。
此外，温度的升高也会导致晶格振动增加，进而增加自由载流子的散射，降低迁移率。
4. PN结的导电特性PN结是半导体中最基本的器件之一，其导电特性在电子学和光电子学领域有广泛应用。
PN结由N型半导体和P型半导体通过正向或反向偏置连接而成。
半导体的导电特性
5.1 半导体的导电特性
半导体的导电特性： 热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强
(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。 光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做
成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
有少子形成的
反向电流ICBO。
ICBO ICE
N
基区空穴
B
向发射区的
P
扩散可忽略。
RB IBE
N
进入P 区的电 子少部分与基区
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
EB
E IE
的空穴复合，形
成电流IBE ，多
数扩散到集电结。
从基区扩散来的 电子作为集电结 的少子，漂移进 入集电结而被收
集，形成ICE。
EC
发射结正偏， 发射区电子不断 向基区扩散，形
( b) 面接触型
图 1 – 12 半导体二极管的结构和符号
5.2.2 伏安特性
特点：非线性
I
反向击穿 电压U(BR)
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P– + N 反向特性
外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿， 失去单向导电性。
正向特性
P+ – N
导通压降
硅0.6~0.8V 锗0.2~0.3V
动画
内电场被 削弱，多子 的扩散加强，
P IF
内电场 N
外电场
+–
形成较大的 扩散电流。
第四章_半导体的导电性
设有N个电子以速度v沿某方向运动，N(t)表示在t时刻尚
未遭到散射的电子数。则 t 到 t＋△t 时间内被散射的电 子数为N(t) P△t，即：
N (t ) N (t t ) N (t ) Pt
当△t很小时，可以写为：
dN t N t＋t －N t lim ＝－ PN t t 0 dt t
30
4.2.2 载流子的散射
3）其他散射机构
a. 中性杂质散射：在温度很低时，未电离的杂质(中性杂质)的数目
比电离杂质的数目大得多，这种中性杂质也对周期性势场有一定 的微扰作用而引起散射．但它只在重掺杂半导体中，当温度很低，
晶格振动散射和电离杂质散射都很微弱的情况下，才起主要的散
射作用． b. 位错散射：位错线上的不饱和键具有受主中心作用，俘获电子后
h l 3 2 1 f h l P0 1 2 nq
k0T
k 0T
n q＝
exph a k0T 1
1
γl为声子频率， nq为平均声子数 ，f h γ k0T 为T的缓缓变函
l
பைடு நூலகம்
其值值0.6变化到1.0
散射几率随温度的变化主要取决于 平均声子数，其随温度按指数上升:
14
4.2.1 漂移运动
迁移率与电导率
总漂移电流密度为：
J nqn ＋pqp E
与欧姆定律微分形式比较得
到半导体电导率表示式为：
nq n ＋pq p
电子和空穴的漂移运动
15
4.2.1 漂移运动
迁移率与电导率
对于n型半导体（n>>p），电导率为
nqn
对于p型半导体（p>>n），电导率为：
电工电子技术基础知识点详解1-3-半导体的导电特性
半导体的导电特性根据物质的导电能力可分为导体、半导体和绝缘体三大类，顾名思义半导体的导电能力介于导体绝缘体之间。
硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物都是半导体。
半导体的导电特性热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。
光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等)。
1．本征半导体本征半导体：完全纯净的、不含其它杂质的半导体通称本征半导体。
用得最多的是硅和锗，图1所示是硅和锗的原子结构图，它们都是四价元素，在原子的最外层轨道上都有四个价电子。
(a) 锗Ge (b) 硅Si图1 硅和锗的原子结构在本征半导体中，每个原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对，并且对两个原子所共有，因此称为共价键。
由共价键结构形成的半导体其原子排列都比较整齐，形成晶体结构，因此半导体又称为晶体，如图2所示。
图2 晶体中原子的排列方式本征半导体的导电机理在本正半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合，每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。
这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓的共价键结构，如图3所示。
图3 硅单晶中的共价键结构在共价键结构的晶体中，每个原子的最外层都有八个价电子，因此都处于比较稳定的状态。
只有当共价键中的电子获得一定能量（环境温度升高或受到光照射）后，价电子方可挣脱原子核的束缚成为自由电子，并且在共价键中留下一个空位，称为空穴。
如图4所示。
图4 空穴和自由电子的形成在一般情况下，本征半导体中自由电子和空穴的数量都比较少，其导电能力很低。
由于本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，因此在一定温度下，它们的产生和复合将达到动态平衡，使自由电子和空穴维持在一定数目上。
半导体的导电性及掺杂
半导体的导电性及掺杂半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，具有特殊的导电性质。
本文将探讨半导体的导电性以及如何通过掺杂来改变其导电性。
一、半导体材料的导电性质半导体的导电性质是由其特殊的能带结构决定的。
在半导体中，存在着价带和导带之间的禁带。
价带是指电子处于低能量状态时所占据的能带，而导带则是指电子处于高能量状态时所占据的能带。
禁带是二者之间的能量间隔。
在固体材料中，原子核和价带中的电子形成了共价键，这些价带中的电子都是成对出现的，无法自由移动。
而在半导体中，由于禁带的存在，价带中的电子无法跃迁到导带中，导致半导体无法导电。
二、本征半导体和掺杂半导体半导体可以分为本征半导体和掺杂半导体两种类型。
本征半导体是指未经过任何掺杂的纯净半导体材料。
在本征半导体中，导带中的电子数量很少，因此导电性较差。
通常情况下，本征半导体的导电性取决于其材料的温度。
掺杂半导体是指通过掺杂过程向半导体材料中引入其他杂质元素，从而改变其导电性质的半导体材料。
常见的掺杂元素有硼、磷、砷等。
掺杂的过程会使得半导体材料中的导电性质发生显著改变，从而使电子或空穴数量增加，提高导电能力。
三、掺杂对半导体导电性的影响掺杂的类型和浓度决定了半导体材料的导电性质。
1. N型半导体N型半导体是指通过向半导体中引入电子供体杂质元素，如磷或砷，使得电子数量增多的材料。
在N型半导体中，杂质原子释放的额外电子进入导带，从而增加了导电性能。
这些额外的电子被称为自由电子，它们能够自由地在半导体中移动并参与导电过程。
2. P型半导体P型半导体是指通过向半导体中引入电子受体杂质元素，如硼，使得空穴数量增多的材料。
在P型半导体中，杂质原子缺少一个电子，形成了一个空穴。
空穴可以看作是正电荷的移动载流子。
空穴在半导体中移动，从而参与了导电过程。
通过掺杂N型半导体和P型半导体，可以制造出PN结。
PN结是一种广泛应用于半导体器件中的结构，如二极管和晶体管等。
PN结的导电性质由P区和N区的不同导电性决定，使得半导体器件具有特殊的电子控制功能。
半导体的导电性
表征半导体材料电阻的参数，由材料的电学性质决定。电阻率与材料的载流 子浓度和迁移率有关，可通过测量材料的电导率计算得到。
霍尔效应与载流子浓度
霍尔效应
在半导体材料中通入电流并施加磁场，由于洛伦兹力的作用，会产生横向的电压 ，称为霍尔电压。霍尔效应可用于测量半导体材料中的载流子浓度和载流子类型 。
本征半导体
没有杂质和缺陷，主要靠半导体内部电子的导电能力。
非本征半导体
含有杂质或缺陷，导电性主要靠杂质或缺陷辅助电子导电。
杂质半导体与导电性
杂质半导体
在半导体内部掺入其他元素或杂质，形成杂质能级，增强电子导电能力。
导电性增强
杂质能级上的电子导电能力较弱，但是可以提供额外的自由电子，增强半导体的 导电性。
半导体器件
半导体器件是利用半导体材料特性实现特定功能的电子器件 ，包括二极管、晶体管、场效应管、晶体振荡器等，广泛应 用于信号处理、功率放大、开关电路、传感器等领域。
太阳能电池与光伏效应
太阳能电池
利用半导体材料的光伏效应制成的太阳能电池，可将太阳能转化为电能，广 泛应用于太阳能电站、卫星通信、便携式电源等领域。
碳纳米管
具有高导电性和高强度，可用于制造高效能电子器件和复合材料 。
石墨烯纳米带
具有高导电性和高热导率，可为新一代电子器件的制造提供新途 径。
THANKS
半导体照明技术
利用半导体材料制成的LED照明技术具有节能、环保、长寿命等优点，相比于传 统照明技术更加高效、节能、环保。
05
代表性半导体材料及其导电性
硅和锗的导电性
硅和锗是常见的半导体材料，其导电 性介于导体和绝缘体之间。
在常温下，硅和锗的导电性较弱，但随着 温度的升高，自由电子数量增多，导电性 增强。
半导体的导电性
本征半导体的导电性受温度影响较大，温度升高，电子和空穴的浓度增加，导电性 增强。
非本征半导体
非本征半导体是指掺杂了其他元 素或存在缺陷的半导体。其导电 性主要受掺杂元素和缺陷的影响
。
掺杂元素可以提供额外的载流子 ，增强半导体的导电性。缺陷则 可以作为载流子的陷阱，降低半
半导体的导电性
汇报人： 2023-12-26
目录
• 半导体简介 • 半导体的导电性 • 影响半导体导电性的因素 • 半导体的光电效应 • 半导体材料的发展趋势
01
半导体简介
半导体的定义
总结词
半导体是指介于导体和绝缘体之间的材料，具有导电能力，但导电能力较导体 弱，较绝缘体强。
详细描述
半导体材料中，电子和空穴是主要的载流子，它们在电场的作用下可以自由移 动，形成电流。与金属导体不同，半导体的导电能力受到温度、光照、杂质等 因素的影响。
实验结果
通过实验验证了光电效应的存在， 并测定了物质的光电阈值等参数。
05
半导体材料的发展趋势
新型半导体材料的研发
01 02
新型半导体材料
随着科技的发展，新型半导体材料如碳化硅、氮化镓等正在被广泛研究 和应用。这些材料具有更高的电子迁移率和耐高温特性，适用于高频率 、高温和高功率的电子器件。
新型半导体材料的优势
风力发电
半导体材料在风力发电领域的应用主要涉及到风力发电机组的控制系统和能源转换系统。 通过优化半导体材料的性能，可以提高风能利用率和发电效率。
新能源汽车
半导体材料在新能源汽车中发挥着关键作用，如电池管理系统、电机控制器和车载充电装 置等。高性能的半导体材料可以提高新能源汽车的能效和安全性。
半导体的导电特性杂质电子与导电性的关系
半导体的导电特性杂质电子与导电性的关系半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其导电特性与其内部的杂质电子密切相关。
在本文中，我们将探讨半导体的导电特性与杂质电子之间的关系，并介绍几种常见的半导体杂质掺杂类型及其导电性质。
一、掺杂对半导体导电特性的影响1. 杂质掺杂半导体通过潜在的杂质掺杂，即将少量的外来原子引入到晶体中来增强其导电性能。
杂质可以是五价的磷或三价的硅，分别称为N型和P型半导体。
这些杂质原子与半导体晶体原子形成化学键，引入额外的电子或空穴，从而改变其导电特性。
2. N型半导体在N型半导体中，磷原子的外层电子多于硅原子，磷原子取代硅晶格位置时，五价的磷原子将共价键与四个硅原子形成。
多余的第五个电子不与任何原子形成共价键，形成自由电子。
这些自由电子在半导体中流动，使N型半导体具有较高的电导率。
3. P型半导体在P型半导体中，硅原子的外层电子少于磷原子，因此P型半导体通过三价的硅原子掺杂。
这些三价硅原子与晶体硅原子形成共价键，但又有一个缺少的共价键。
这个缺少的位置称为空穴，因此半导体内出现了正电荷。
在P型半导体中，空穴被认为是载流子，通过与自由电子的复合，有效地传导电流。
二、半导体杂质掺杂类型及导电性质1. N型半导体掺杂N型半导体通过掺杂五价元素，如磷或砷，增加了半导体中的自由电子数量。
这些自由电子可从禁带穿过，在半导体中导电。
N型半导体具有较高的电导率，适用于制造晶体管和发光二极管（LED）等电子器件。
2. P型半导体掺杂P型半导体通过掺杂三价元素，如硼或铝，增加了半导体中的空穴数量。
这些空穴可以吸收自由电子并传导电流。
P型半导体也用于制造晶体管和LED等器件，与N型半导体结合使用以形成PN结。
3. 绝缘体杂质掺杂当掺杂浓度过高时，半导体的导电性能可能会减弱或消失。
这种情况下，半导体可能会表现出绝缘体的性质，导电能力很低，不可实际应用。
三、总结半导体的导电特性与杂质电子的存在密切相关。
1半导体材料导电类型的测定
1.半导体材料导电类型的测定半导体材料导电类型的测定引言半导体材料是一种在导电性质上介于导体和绝缘体之间的材料。
这种材料的导电性能可以被温度、光照、化学成分、压力等多种因素所影响和调控。
因此，对于半导体材料导电类型的精确测定，对于理解其基本性质，优化其应用，以及开发新的电子和光电子器件等都具有重要的意义。
半导体材料的导电机制半导体材料的导电性主要依赖于其内部的自由电子数量。
这些自由电子主要由原子间的能级差提供，当加温或者受到光照等作用时，电子会被激发，从价带跃迁到导带，形成自由电子，使材料具有导电性。
测定半导体材料导电类型的方法1.电阻测量法通过测量材料的电阻率，可以了解材料的导电性能。
电阻率的数值可以反映材料的导电性强弱。
一般来说，电阻率低意味着材料有良好的导电性，而电阻率高则表示材料的导电性较差。
2.霍尔效应测量法霍尔效应是一种通过测量载流子在垂直于电流和磁场的方向上产生的电动势，来确定半导体材料中载流子类型（如电子或空穴）的方法。
如果测得的霍尔效应是正的，说明材料是n型半导体，如果测得的霍尔效应是负的，说明材料是p型半导体。
3.量子力学模型法这种方法是基于量子力学理论的模型，通过计算材料的能带结构、态密度等参数，来预测材料的导电性能。
这种方法可以给出材料在不同条件下的导电性能变化趋势，但需要精确的材料参数和复杂的计算过程。
实验方法和应用在进行实验时，首先要选择适当的样品。
一般来说，应选择具有良好结晶度，无显著杂质和缺陷的样品。
然后，根据实验目的和条件选择合适的测量方法。
例如，如果需要了解材料的整体导电性能，可以选择电阻测量法；如果需要了解材料中载流子的类型和密度，可以选择霍尔效应测量法；如果需要预测材料在不同条件下的导电性能，可以选择量子力学模型法。
结论半导体材料导电类型的测定对于理解材料的性质，优化其应用，以及开发新的电子和光电子器件等都具有重要的意义。
本文介绍了电阻测量法、霍尔效应测量法和量子力学模型法等多种方法，这些方法各有特点和使用范围。
本征半导体的导电能力
本征半导体的导电能力本征半导体是一种具有特殊导电性质的材料，其导电性质的研究一直是半导体物理学的重要课题之一。
本文将从半导体的基本概念、本征半导体的导电性质、本征半导体的导电机理等方面进行探讨。
一、半导体的基本概念半导体是介于导体和绝缘体之间的一种材料，其导电性质介于导体和绝缘体之间。
半导体的导电性质与其晶体结构和杂质掺杂有关，其中，本征半导体是指没有外加杂质掺杂的半导体材料。
二、本征半导体的导电性质本征半导体的导电性质是指在没有外加电场或光照作用下，其晶体内部自由电子和空穴的扩散和漂移运动所导致的电导率。
本征半导体的导电性质与其能带结构有关，其价带和导带之间存在着禁带，只有在一定能量范围内，电子从价带跃迁到导带，才能发生导电。
本征半导体的导电性质与外界温度和材料纯度有关，温度升高会增加电子和空穴的浓度，提高导电性能；杂质的掺杂会影响电子和空穴的浓度，从而影响导电性能。
三、本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理主要有两种：热激发和光激发。
热激发是指在高温下，晶体内部的电子和空穴受到热激发，从而跃迁到导带和价带，发生导电。
光激发是指在光照作用下，晶体内部的电子和空穴受到光激发，从而跃迁到导带和价带，发生导电。
四、本征半导体的应用本征半导体在半导体材料中具有重要的应用价值，其应用主要包括以下几个方面：1. 半导体器件制造：本征半导体可以用来制造半导体器件，如二极管、场效应管、晶体管等。
2. 光电子学：本征半导体可以用来制造光电子器件，如太阳能电池、发光二极管、激光器等。
3. 传感器：本征半导体可以用来制造传感器，如温度传感器、光电传感器、压力传感器等。
4. 半导体光伏发电：本征半导体可以用于半导体光伏发电，将光能转换为电能。
五、结语本文简单介绍了本征半导体的导电性质和导电机理，并探讨了其在半导体材料中的应用价值。
本征半导体的研究和应用，将为半导体物理学和电子技术的发展提供重要的支撑。
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)
p0
Nv exp(
Ev EF k0T
)
n0 p0
NcNv exp(
Eg k0T
)
一定的半导体材料，一定的温度下， n0p0一定， 适用于本征半导体、杂质半导体。
本征半导体：n0=p0
EF
EC
EV 2
导带
EC EF
Ev 价 带
2021/3/6
天津理工大学
本征半导体电子空穴成对出现，电子、空穴浓度相 等，它们的浓度称本征载流子浓度ni
2021/3/6
天津理工大学
导带中的电子数：n ETop g(E) fB(E)dE EC
导带中的电子浓度：
n0
n V
2(
2mn*
k
0T
)
3 2
exp(
h2
EC EF k0T
)
=Nc T 3/ 2
n0
Nc exp(
EC EF k0T
)
Nc： 导带的有效状态密度，可以理解为把导带中的所 有状态都集中在导带底，它的状态密度认为是Nc。
(4)过渡区： 温度升高，施主杂质完全电离，同时本征激发不可忽视
2021/3/6
n0=ND+p0
EF
Ei sh 1 ln( N D ) 2ni
EC 导 带
EF Ei
Ev 价 带
本征半导体 ni=n0=p0
天津理工大学
(5)高温本征激发区 温度升高，本征激发的载流子数远大于施主杂质电离的
n0 》ND p0 》ND n0=p0
EC ED Eg
价带
EV
导带
EC
受主能级
价带
Eg EA
EV
n型半导体
p型半导体
电子（空穴）被正电核（负电核）吸引，要真正电离 进入导带，需克服正电核所施的束缚能——电离能
2021/3/6
天津理工大学
电子占据杂质能级的几率是否服从费米分布函数？
f
(E)
1
1 exp( E
EF
)
k0T
回答：不能，能带的能级能容纳自旋方向相反的两个电子 施主能级所束缚的电子是任一自旋方向（半导体物理）
n0=p0 σ= n0qμn+ n0qμp=n0q(μn+μp)
μn——电子迁移率 μp——空穴迁移率
2021/3/6
天津理工大学
对于导带：温度T时，导带内会有多少电子
n ETop g(E) f (E)dE EC
n 导带中的电子数
g(E)
单位能量内的量子态数 （状态密度）
f (E) 温度T时 ，能量为E的量子态
(1) 导带中，所有量子态被电子占据的几率f(E)《 1
(2) 随着E增加，fB(E)下降，所以导带中的电子分布在导带底附近
1 f (E) exp( E EF ) k0T
价带顶附近： EF- E》k0T ——空穴服从波尔兹曼分布
(1) 价带中，所有量子态被空穴占据的几率1-f(E)《 1
(2) 随着E增加，1-f(E)增加，所以价带中的空穴分布在价带顶附近
2021/3/6
天津理工大学
（3）掺施主的半导体的导带电子数主要有施主数 决定，半导体导电的载流子主要是电子。
导带
施主能级
EC
ED Eg
价带
EV
2021/3/6
天津理工大学
N型半导体特征： (1) 从价带跃迁到导带的电子数相对于从施主 能级激发到导带的电子数项小得多，可忽略。 电子——多数载流子 空穴——少数载流子 (2) n 》p σ= nqμn
2021/3/6
p 型半导体
天津理工大学
（1）四价的本征半导体Si、Ｇe等，掺入少量三价的杂 质元素（如Ｂ、Ga、Ｉn等）。在掺杂原子周围，就缺 一个电子，可以看作微弱结合的空穴。
Si Si
Si Si
Si
+
B
Si
Si
（2）量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁 带中紧靠价带处，很容易接受从价带激发来的电子，从 而在价带留下一个空穴，产生空穴导电。这种杂质称受 2主021/杂3/6 质，该能级称为受主能级，EA。
面心立方
2021/3/6
硅晶体的空间排列
共价键结构平面示意图
共价键性质
天津理工大学
共价键上的两个电子同时受两个原子的约束，如果没有 足够的能量，不易脱离轨道，没有自由电子，不导电。
当温度升高或受到光的照射时，有些电子获得足够的能 量，从价带跃迁到导带，成为导带的自由电子，同时价带 出现等数量的空穴，这种激发为本征激发，载流子主要来 源于本征激发的半导体成为本征半导体。
天津理工大学
2.1.4 半导体材料导电特性
一 半导体中的载流子 二 本征半导体 三 非本征半导体 四 半导体中载流子的运动 五 半导体的电学性质
2021/3/6
一 半导体中的载流子
自由电子
导带
h
天津理工大学
Eg
空穴
价带
半导体中电子和空穴总是成对出现的
2021/3/6
在外电场作用下
导带的自由电子在电场力的作 用下会产生定向运动，形成电 流，这称为电子导电。
k0T
天津理工大学
电子费米分布函数
温度T时 ，能量为E的量子态被 一个电子占据的几率
1 f (E)
1
1 exp( EF E )
k0T
空穴费米分布函数
温度T时 ，能量为E的量子态不被 一个
电子占据的几率，（被空占据的几率）
如果： EC-EF 》k0T
f (E) exp(
EF E ) k0T
A exp( E ) k0T
2021/3/6
天津理工大学
N型半导体不同温度下载流子的浓度变化
(1)低温弱电离区： 温度较低，本征激发几乎不发生，少量施主杂质发生电离
nD+ 《 ND
少量电子进入导带 n0=nD+
n0
( NcN D 2
)1/ 2
exp(
ED 2k0T
)
2021/3/6
ED EC ED 施主杂质的电离能
n0
(T )3/ 4
exp(
ED 2k0T
)
T↑,n0 指数增加
天津理工大学
低温弱电离区费米能级表达式：
EF
Ec ED 2
k0T 2
ln( N D ) 2NC
Nc T 3/ 2
T ↑,
EF 复杂, ND>2NC，
EF
Ec ED 2
ND ↑， EF ↑
EECF 导 带
ED Ei
2021/3/6
n型半导体电子占据施主能级的几率：
1 fD(E) 1 1 exp( ED EF )
2
k0T
P型半导体空穴占据受主能级的几率：
2021/3/6
fA( E )
1
1
1 exp( EF
EA
)
2
k0T
天津理工大学
引入： ND——施主杂质浓度 NA——受主杂质浓度
(1)施主能级的电子浓度nD——没有电离的施主浓度 nD = ND fD(E)
空穴下面能级上的电子可以跃 迁到空穴上来,这相当于空穴 向下跃迁。满带上带正电的空 穴向下跃迁也是形成电流, 这称为空穴导电。
2021/3/6
天津理工大学
导带 Eg
价带
天津理工大学
半导体的导电
导带的电子导电和价带的空穴导电共同作用的结果
载流子：电荷的定向移动形成电流，电荷的 自由粒子称为载流子。
自由电子 — 带负电 半导体中有两种导电的载流子
EF
EC
EV 2
EC 导 带
EF Ei
Ev 价 带
2021/3/6
天津理工大学
非本征半导体（n型）
n
0
ni (n0 p0 )1/ 2
NcNv
exp(
Eg
)
2k0T
本 征
区耗 尽 区
非 本
n0
( NcN D 2
)1/ 2
exp(
ED 2k0T
)
征
区
1/T
低温区： n0=nD+, 相同温度下，非本征半导体电子浓度
天津理工大学
（3）掺受主的半导体的空穴数主要有受主数决定， 半导体导电的载流子主要是空穴。
导带
EC
p型半导体中
空穴……多数载流子 电子……少数载流子
p 》n σ= pqμp
受主能级
价带
Eg EA
EV
2021/3/6
1.什么是传统机械按键设计？
天津理工大学
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功 能的一种设计方式。
Ev 价 带
Ei
EC EV 2
天津理工大学
(2)中间电离区：
n0=nD+
EF
Ec ED 2
k0T ln( N D ) 2 2NC
T ↑, ND<NC， ND ↑， EF ↑
EF
Ec ED 2
EECF 导 带
ED Ei
Ev 价 带
2021/3/6
天津理工大学
(3)强电离区： 温度升高，大部分施主杂质发生电离
(2)受主能级的空穴浓度pA——没有电离的受主浓度 pA = NA fA(E)
(3) 电离施主浓度——进入导带中的电子 nD+ =ND -nD
(4) 电离受主浓度 pA- = NA- pA
2021/3/6
天津理工大学
nD = ND fD(E)
1
fD(E) 1 1 exp( ED EF )