半导体的导电性
半导体的导电能力
半导体具有中等的导电能力，其导电率介于金属和绝缘体之间。
这是因为半导体中的电子和空穴的数量都很少。
在室温下，纯净的半导体材料的导电率通常比铜低几个数量级。
导电率可以通过掺杂少量其他元素来改变。
这种掺杂称为“掺杂”。
掺杂少量可以使半导体材料的导电率提高数十倍。
另外，半导体材料的导电率还可以通过提高温度来提高。
这是因为随着温度的升高，半导体中的电子和空穴的数量都会增加，从而提高导电率。
此外，半导体材料的导电率还可以通过电场，光照等方式来改变。
这种方式被称为电子注入或光电效应。
半导体材料可以被用来制造各种电子器件，如晶体管、光电子器件、太阳能电池、半导体照明等，这些器件的工作原理都是基于半导体材料的导电性能。
在半导体器件中，导电率是十分重要的，因为它直接关系到器件的效率。
因此，在半导体材料的研究和开发中，导电率是一个重要的指标。
半导体的导电性
当前研究的不足与挑战
半导体导电性的调控机制尚不完全清楚，需要进一步深入研究。
一些高性能的半导体材料和器件仍然依赖进口，需要加强自主创新和知识产权保护。
半导体产业的发展面临着技术、环境、资金等多方面的挑战，需要积极应对。
发展智能制造和绿色制造，提高半导体产业的核心竞争力。
加强基础研究和应用研究，推动半导体材料和器件的创新发展。
实现半导体材料和器件的全链条自主可控，保障国家安全和产业安全。
未来发展的趋势与展望
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影响因素
迁移率与材料的晶体结构、杂质和温度等因素有关。
迁移率
载流子密度是衡量半导体材料中载流子数量的参数，定义为材料的电阻率与电阻率的乘积，即n=ρσ，其中ρ为电阻率。
定义
载流子密度与材料的纯度、晶体结构和掺杂等因素有关。
影响因素
载流子密度
03
半导体导电性的测量与实验技术
四探针电阻测量技术是一种非接触式测量方法，通过施加电流和测量电压来计算电阻率。
温度依赖Hall效应
通过测量不同温度下半导体内部的霍尔电压，研究温度对载流子浓度和迁移率的影响。
Hall效应测量
深能级瞬态谱技术
利用光脉冲激发半导体中的电子，并测量电子在各个时间点的分布情况，从而了解半导体中的缺陷、杂质等特性。
时间分辨深能级瞬态谱技术
通过使用超快激光脉冲，对半导体内部电子的动态行为进行高时间分辨率的测量，研究电子在半导体中的输运过程。
半导体导电性的基本概念
半导体导电主要通过自由电子和空穴两种载流子实现。
在半导体内部，自由电子和空穴的数量受温度、光照等因素影响。
当加电压时，自由电子和空穴的数量增加，从而导致电流增加。
物理学中的半导体和导电性
物理学中的半导体和导电性半导体和导电性是物理学中的重要概念，涉及到固体物理学、量子力学等多个领域。
本文将详细介绍半导体的基本性质、分类以及导电性的相关原理。
半导体的基本性质半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料。
在晶体结构中，半导体的原子排列有序，形成了周期性的势场。
由于量子力学原理，半导体中的电子受到原子核和晶格振动的束缚，只能在一定的能量范围内运动。
这些电子被称为价带电子，而空余的能级称为导带。
在室温下，价带电子受到热激发，部分会跃迁到导带，留下相同数量的空穴。
半导体的分类根据半导体中价带电子和空穴的数量，可以将其分为两类：n型半导体和p型半导体。
在n型半导体中，价带电子数量多于空穴数量，因此电子是主要的载流子。
而在p型半导体中，空穴数量多于价带电子数量，空穴是主要的载流子。
此外，通过在n型和p型半导体之间形成PN结，可以实现半导体器件的制作。
导电性原理半导体的导电性主要取决于载流子的运动。
在应用外部电场的作用下，载流子会受到电场力的作用，发生迁移。
半导体中的载流子分为电子和空穴，它们在电场力作用下，分别向相反方向迁移。
这种现象称为漂移现象。
随着电场的增强，漂移电流也随之增大，从而实现了半导体材料的导电性。
半导体器件半导体器件是利用半导体的特殊性质制作的各种电子器件。
常见的半导体器件包括二极管、晶体管、集成电路等。
这些器件在电子设备中发挥着重要的作用，如整流、放大、开关等。
半导体和导电性是物理学中的重要概念。
本文从半导体的基本性质、分类、导电性原理以及半导体器件等方面进行了详细的介绍。
希望这篇文章能帮助您更好地理解半导体和导电性的相关知识。
## 例题1：解释n型和p型半导体中的载流子分别是什么？解题方法：回顾半导体的基本性质部分，n型半导体中的载流子是价带电子，而p型半导体中的载流子是空穴。
例题2：说明PN结的形成过程。
解题方法：结合半导体分类部分，描述n型和p型半导体接触时，由于载流子数量的差异，形成的PN结。
半导体和超导体的特点
半导体和超导体的特点半导体和超导体是两种不同类型的材料，它们都在电子和能量传导方面具有很特殊的性质，下面详细介绍它们的特点。
一、半导体的特点1.导电特性：半导体能够在一定条件下表现出良好的导电性能，当半导体中的电子数目增加时，它的导电性能也会相应提升。
2.能带结构：半导体的能带结构独特，其中包含了价带和导带，两者之间有一个带隙。
在带隙范围内，半导体是难以导电的。
3.热激发：半导体可以通过热激发的方式将电子从价带中提取出来，然后进入导带中，使其导电。
4.杂质掺杂：通过掺杂一些杂质元素，可以使半导体导电性发生变化。
n型半导体是通过掺杂五价元素（如磷等）来实现，p型半导体是通过掺杂三价元素（如硼、铝等）来实现的。
5.少数载流子：与金属导电形式不同，半导体的导电是通过少数载流子来实现。
n型半导体电子是载流子，p型半导体空穴是载流子。
二、超导体的特点1.无电阻：超导体的最大特点就是展现出了无电阻状态，电流可以不受电阻和能量损失的限制自由流动。
2.零电阻带：当温度降到超导临界温度以下时，超导体可以形成一条零电阻带，这条带会对电磁波产生反射作用，并导致绕返波的出现。
3.鸣振波：超导体在过渡时通过鸣振波的形式来恢复电阻，当电流超管超过超导体的临界电流时，静态电场会引起振动，从而产生鸣振波。
4.磁场排斥作用：磁场对超导体具有排斥作用，在超导体中，磁场的介入会限制其超导性能。
5.临界温度：超导体的临界温度是它能够表现出超导性的最高温度。
对于高温超导体而言，它们的临界温度要高于-100°C，而对于低温超导体而言，它们的临界温度要低于-100°C。
总体而言，半导体和超导体都是一个致力于推动人类技术进步发挥重要作用的材料。
半导体广泛使用于半导体电子学、信息科技等领域，而超导体则在高速列车、轨道交通等领域有广泛的应用。
随着科技的不断进步，这些材料的应用前景也会更加广阔。
半导体导电性
在电场和磁场作用下，半导体中的电子和空穴的运动会引起各种电荷的输运现象半导体的导电性强弱随温度和杂质的含量变化而变化。
1. 从能带角度理解半导体的导电性半导体在绝对零度时，被电子占据的最高能带为满带，上面临近的能带是空带，当有一定温度时，电子从满带激发到空带，原来的空带变为不满带，在电场作用下，电子的状态在布里渊区中的分布不再对称，半导体导电。
2. 从晶格角度理解半导体的导电性在一定温度下，共价键上的电子e 挣脱了价键的束缚，进入到晶格空间形成准自由电子，这个电子在外电场的作用下运动而形成电子电流。
在价键的电子进入晶格后留下空穴，当这个空穴被电子重新填充后，会在另一个位置产生新的空穴，这一过程为空穴电流3. 载流子的散射理想完整晶体中电子处于严格周期势场中，v (k )不变，实际晶体由于存在缺陷，相当于在原有严格周期性势场上叠加了附加势场，从而引起了载流子状态的改变成为载流子的散射连续两次散射间的平均自由时间，散射主要有晶格振动散射和电离杂质散射。
(1)电离杂质原因是：电离杂质因为形成库仑场，附加在周期场上，局部破坏了周期势场。
散射几率：（2）晶格振动散射：晶体中格波氛围声学支和光学支。
声学支描述原胞的整体运动，光学支描述一个原胞内两个原子的相对运动。
一个原胞有n 个原子，则三维情况下总的格波数为3n ，其中3支声学波，3(n-1)支光学波。
①声学波散射原因：纵波的振动形式使原子形成疏密分布，半导体体积在疏处膨胀，密处压缩，使能带发生振动，产生附加势。
②光学波散射原因：原子的相对运动使电荷分布形成正电荷区和负电荷区，产生电场，形成附加势。
4. 载流子的漂移运动，迁移率(1) 在有外加电场存在时，载流子沿一定方向的有规则运动，称为漂移运动。
它是引起电荷流动的原因。
考虑平均，则电子和空穴的漂移速率分别为 ετ *-=n n n m q v 和 ετ *=pp p m q v ，*p m 和p τ分别为空穴的有效质量和弛豫时间。
半导体的导电特性课件
动画1-1本征半导体的导电特性
动画1-2空穴的运动
3 杂质半导体：
N型半导体（电子型半导体）
——在本征半导体中掺入五价杂质元素， 例如磷，可形成 N型半导体,也称电子 型半导体。
因五价杂质原子中四 个价电子与周围四个 半导体原子中的价电 子形成共价键，多余 的一个价电子因无共 价键束缚而很容易形 成自由电子。
vi
RL vo
vo
t
例3：设二极管的导通电压忽略，已知
vi=10sinwt(V)，E=5V，画vo的波形。
vi 10v
5v
R
t
D
vo
vi
E
vo
5v
t
例4：电路如下图，已知v=10sin(t)(V)，
E=5V，试画出vo的波形
vi
解：
t
vD
t
例5：VA=3V, VB=0V，求VF (二极管的导 通电压忽略)
PN结区的少子在内电场的
作用下形成的漂移电流大
于扩散电流，可忽略扩散 电流，由于漂移电流是少子
外电场
形成的电流，故反向电流
非常小，PN结呈现高阻性。
在一定的温度条件下，由本征激发决定的 少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流 是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无 关，这个电流也称为反向饱和电流。
•P型半导体中空穴数>>自由电子数
•自由电子为 P型半导体的少数载流子，空穴为 P型半 导体的多数载流子
P型半导体简化图
Si
B
Si
Si
Si
Si
4 杂质对半导体导电性的影响
掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响。
一些典型的数据如下:
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
半导体与电子器件半导体的导电性与器件的工作原理
半导体与电子器件半导体的导电性与器件的工作原理半导体是一种介于导体与绝缘体之间的材料，具有较好的电导性能。
在现代电子技术中，半导体材料被广泛应用于各种电子器件中，如晶体管、二极管、集成电路等。
本文将介绍半导体的导电性及其在电子器件中的工作原理。
一、半导体的导电性半导体的导电性是由其特殊的能带结构决定的。
在半导体中，能带可以分为价带和导带。
价带中的电子是被束缚在原子核周围的，无法自由运动；而导带中的电子是能够自由移动的。
两者之间被称为禁带，即存在能量差异。
在纯净的半导体中，禁带宽度较大，导带的电子数量很少，因此半导体呈现出绝缘体的导电性质。
但通过掺杂，即向半导体中引入杂质，可以改变其导电性能。
掺杂分为两种类型：N型掺杂和P型掺杂。
N型掺杂是指向半导体中引入杂质，这些杂质的原子结构比半导体中的主体原子结构多出一个外层电子。
这些外层电子能够进入导带，形成移动自由的电子，从而增加半导体的导电性能。
P型掺杂是指向半导体中引入杂质，这些杂质的原子结构比半导体中的主体原子结构少一个外层电子。
因此，这些杂质原子会形成空穴，即正电荷载体，从而也增加了半导体的导电性能。
掺杂后的N型和P型半导体可以通过形成P-N结的方式来提高导电性能。
P-N结是将P型和N型半导体材料放置在一起形成的结构。
P-N 结横跨的区域称为耗尽层。
当施加正向偏压时，耗尽层变薄，导电性增强；当施加反向偏压时，耗尽层变厚，导电性减弱。
二、电子器件的工作原理1. 晶体管晶体管是一种用于放大和开关电路的重要电子器件。
它由三个区域构成：发射区、基区、集电区。
发射区为N型半导体，基区为P型半导体，集电区为N型半导体。
在晶体管工作时，可以通过施加适当的电压来控制电流的流动。
当在基极施加正向偏压时，基极与发射极之间形成薄的空穴层，流经发射区的电子开始与空穴复合，导电性增强。
此时晶体管处于放大状态。
当在基极施加反向偏压时，空穴被排斥，流经发射区的电子数量减少，导电性降低。
半导体的导电性.ppt
5）载流子与载流子间的散射 ——在强简并下发生
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§4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系
Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility
1. 平均自由时间和散射概率的关系
自由时间: 载流子在电场中作漂移运动时,只有连续两次 散射之间的时间内才作加速运动,这段时间称为自由时间.
载流子在半导体中运动时，不断与晶格原子或杂质离子碰撞，
速度大小和方向发生变化。或者说电子遭到散射。无规则
热运动是不断遭到散射的结果。
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自由程：相邻两次散射之间自由 运动的路程。
平均自由程：连续两次散射间自 由运动的平均路程。
平均自由 时间 连续两次散射动间的自平由均运运
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同理，对p型半导体
p p 0 q p 5
这里
空穴迁移率
p
v dp E
v dp 为空穴漂移速度
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对一般半导体
n p
nq npq p 6
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对本征半导体
因ni np
故 i n qnp qp
n iq n p 7
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温度升高，平均声子数增多，光学波的散射几率迅速增大。
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3)其它散射机构
1）等同能谷间散射
半导体中有多个极值能量相同的等能面，载流子在这些 能谷中的分布相同，这些能谷称为等同的能谷。 对这种多能谷半导体，电子可以从一个极值附近散射到另 一个极值附近，这种散射称为谷间散射。
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。
半导体的导电特性
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）。
1、本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。
共价键中的两个电子，称为价电子。
本征半导体的导电机理价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。
这一现象称为本征激发。
温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。
在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。
当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动?电子电流(2)价电子递补空穴?空穴电流自由电子和空穴都称为载流子。
自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。
在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。
注意：(1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差；(2) 温度
愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。
所以，温度对半导体器件性能影响很大。
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。
半导体物理第四章半导体的导电性
=
(−q)nvd S
J
=
I S
=
−nqvdx
欧姆定律的微分形式：
J=σE
Vd：平均漂移速度，和电场强度成正比
v=at=qE/ m* *t
半导体物理
5
迁移率-mobility
vd = μ E
μ = vd
E
迁移率：单位场强下的电子的平均漂移速度， 单位：m2/V·s, cm2/V·s
J = nqvdx = nqμE
半导体物理
37
Si, Ge：
电离杂质散射
μi
=
e m*
T 3/2 BN i
声学波散射
μa
=
e m*
1 AT 3/ 2
∴ μ= e
1
m*
AT
3/2
+
BN i T 3/2
半导体物理
ND>1017 cm-3
38
室温（300 K）下，高纯 Si、Ge、GaAs 的迁移率
Si Ge GaAs
μn (cm2/V⋅s)
P = PI + PII + PIII + ......
μi
=
e m*
T 3/2 BN i
μa
=
e m*
1 AT 3/ 2
e
hν
m=* Ao (e kT − 1)
而 1 = P = 1 + 1 + 1 + ......
τ
τ I τ II τ III
1 = 1 + 1 + 1 + ......
μ μ I μ II μ III
光学波散射几率 Po ∝ [exp(hωo kBT ) − 1]−1 平均声子数
有关半导体的概念和特征
有关半导体的概念和特征半导体是一种介于导体和绝缘体之间的物质，具有一些独特的特征和性质。
下面将详细介绍半导体的概念和特征。
一、概念半导体是指在一定条件下，其电阻介于导体和绝缘体之间的物质。
与导体相比，半导体的电子能带结构介于能量带隙较小的导带和价带之间，使得它具有在一定条件下既能导电又能阻止电流通过的特性。
半导体材料广泛应用于电子器件、集成电路等领域。
二、特征1. 导电性：半导体既能导电又能阻止电流通过，这是半导体的最基本特征之一。
当半导体中加上外加电压时，导电性取决于半导体中的载流子浓度和电荷运动的能量。
2. 元素组成：常见的半导体材料包括硅(Si)和锗(Ge)等元素，它们的能带结构适合用于制造电子器件。
此外，还有一些化合物半导体，如氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等。
3. 能带结构：半导体的电子能带结构具有导带和价带，二者之间存在能量带隙，这是半导体的一个重要特征。
它决定了载流子的行为和光学性质。
4. 控制载流子浓度：半导体的导电性质可以通过控制载流子浓度来实现。
掺杂是一种常用的方式，通过在半导体晶体中掺入杂质，可以改变其导电性能。
5. 二极管特性：半导体具有二极管特性，即只允许电流沿一个方向流动。
当半导体中的n型区域和p型区域相接触时，形成pn结，当施加正向偏置时，电流可以流动；当施加反向偏置时，由于内建电场的作用，电流很难通过。
6. 温度特性：半导体的电导率随温度变化而变化。
在绝对零度时，半导体成为绝缘体，随着温度的升高，半导体的电导率也逐渐增加。
7. 光电效应：半导体具有很好的光电效应，即能够将光信号转换为电信号。
这使得半导体能够广泛应用于光电器件和太阳能电池等领域。
8. 高纯度要求：制造半导体器件需要高纯度的材料，包括高纯度的硅原料和掺杂材料。
杂质的存在会影响半导体的性能。
总结起来，半导体具有导电性、能带结构、载流子控制、二极管特性、高纯度要求等特征。
这些特征使得半导体在现代通信、计算机、电子等领域有着广泛的应用。
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。
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：
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。
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第四章 半导体的导电性引言前几章介绍了半导体的一些基本概念和载流子的统计分布，还没有涉及到载流子的运动规律。
本章主要讨论载流子在外加电场作用下的漂移运动，讨论半导体的迁移率、电导率、电阻率随温度和杂质浓度的变化规律，以及弱电场情况下电导率的统计理论和强电场情况下的效应，并介绍热载流子的概念。
§载流子的漂移运动和迁移率一、欧姆定律 1.金属：V I R =（） lR sρ=（） 单位：m Ω•和cm Ω• 1=σρ（） 单位：/m S 和/cm S2.半导体：电流密度：通过垂直于电流方向的单位面积的电流，J=Is∆∆（） 单位：/m A 和/cm A电场强度：=Vlε（）单位：/m V 和/cm V 均匀导体：J=I s （） 所以，J==I V l s Rs Rsεεσ==（） 上式表示半导体的欧姆定律，把通过导体某一点的电流密度和改点的电导率及电场强度直接联系起来，称为欧姆定律的微分形式。
二、漂移速度和迁移率有外加电压时，导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿电场反方向作定向运动构成电流。
电子在电场力作用下的这种运动称为漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度。
电子的平均漂移速度为d v ，则其大小与电场强度成正比：d v με=（）其中，μ称为电子的迁移率，表示单位场强下电子的平均漂移速度，单位是m 2/V·s 或cm 2/V·s。
由于电子带负电，其d v 与E 反向，但μ习惯上只取正值，即dv με=（）d J nqv =-三、 半导体的电导率和迁移率型半导体：n p ，0n n q σμ=（）型半导体：pn ，0p p q σμ=（）3.本征半导体：i n p n ==，()i n p n q σμμ=+（）4.一般半导体：n p nq pq σμμ=+（）§载流子的散射一、载流子散射的概念在有外加电场时，载流子在电场力的作用下作加速运动，漂移速度应该不断增大，由式：d J nqv =-可知，电流密度将无限增大。
但是由式：J σε=可知，电流密度应该是恒定的。
因此，二者互相矛盾。
（一）没有外电场作用时 在一定温度下：半导体内部的大量载流子永不停息地做无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动；}d v με=(4.110)J nq με=-(4.111)nq σμ=-电导率与迁移率之间的关系实际中，存在破坏周期性势场的作用因素：杂质、缺陷、晶格热振动等。
一块均匀半导体，两端加以电压，在其内部形 成电场。
电子和空穴漂移运动的方向不同，但形成的电 流都是沿着电场方向的。
半导体中的导电作用应该是电子导电和空穴导 电的总和。
晶格上的原子不停地围绕格点做热振动；半导体中掺有一定的杂质(它们电离后带有电荷)；载流子在半导体中运动时，不断地与热振动的晶格原子或电离了的杂质离子发生作用(碰撞)，导致其速度的大小和方向发生改变，即载流子在半导体中输运时遭到了散射。
载流子无规则的热运动也正是这种散射的结果。
平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程。
平均自由时间：连续两次散射间自由运动的平均运动时间。
（二）有外电场作用时二、半导体的主要散射机构半导体中载流子在运动过程中遭到散射的根本原因：即周期性势场的被破坏。
如果半导体内部除了周期性势场外，又存在一个附加势场ΔV，从而使周期性势场发生变化，导致能带中的电子在不同的k状态间发生跃迁，即电子在运动过程中遭到了散射。
下面简单介绍一下产生附加势场的主要原因。
（一）电离杂质的散射即库仑散射。
电离施主或受主均为带电离子，在其周围形成一个库仑势场，这一库伦势场局部地破坏了杂质附近的周期性势场，它就是使载流子散射的附加势场。
其对载流子的散射轨迹是以施主或受主为一个焦点的双曲线。
如下图所示。
散射概率P(散射几率)：描述散射的强弱，表示单位时间内一个载流子受到散射的次数。
3/2i i P N T -∝ N i越大，载流子遭受散射的机会越多；温度越高，载流子热运动的平均速度越大，可以较快地掠过杂质离子，偏转就小，故不易被散射。
（二）晶格振动的散射（格波散射）一定温度下，晶格中的原子都各自在其平衡位置附近做微振动。
晶格中原子的振动都是由若干不同的基本波动按照波的叠加原理组合而成，这些基本波动称为格波。
与电子波相似，常用格波波数矢量q 表示格波的大小及其传播方向。
其大小为格波波长λ的倒数，即|q|＝ 1/λ，方向为格波传播的方向。
1.声学波和光学波假设晶体中有N 个原胞（三维复式格子） 格波波矢q 的数目=晶体原胞数N ；n 为原胞中的原子数，则晶体中具有3nN 支格波；硅、锗、III-V 族化合物半导体均为三维复式格子，原胞中含2个原子，因此有6N 支格波；1个q =3支光学波(高频)+3(n-1)支声学波(低频) (6个频率不同的格波) 振动方式：3个声学波=1个纵波+2个横波 3个光学波=1个纵波+2个横波（1）纵波与横波 （2）声学波与光学波的共同点 纵波：原子位移方向与波传播方向相平行。
横波：原子位移方向与波传播方向相垂直。
原子位移的方向和波传播方向之间的关系 (振动方式)都是一个纵波、两个横波。
（3） 声学波与光学波的不同点声学波：原胞中，两个原子沿同一方向振动，长波的声学波代表原胞质心的振动；光学波：原胞中,两个原子的振动方向相反，长波的光学波原胞质心不动，代表原胞中两个原子的相对振动. 在振动频率方面，在长波范围内，声学波的频率ω和波数q 成正比，所以长声学波可以近似为弹性波(即声波)。
而长光学波的频率近似为一个常数，基本上与波数q 无关，是非弹性波。
（4）声子概念：角频率为ωa 的格波能量是量子化的，以ωa 为单元，即：131()222a a a n ωωω+，，，当晶格与其他物质(如电子、光子)相作用而交换能量时，晶格原子的振动状态发生变化，格波能量也随之改变，其变化只能是 ωa 的整数倍。
因此把格波的能量子ωa 称为声子。
把能量为1()2a n ω+的格波描述为n 个属于这一格波的声子。
当格波能量减少一个ωa时，称为放出一个声子; 增加一个ωa 时，称为吸收一个声子。
引入声子的概念不仅生动地表示出格波能量的量子化。
而且在分析晶格与物质相互作用时很方便。
例如，电子在晶体中被格波散射可以看做是电子与声子的碰撞。
电子和声子的碰撞也遵守准动量守恒和能量守恒定律。
对于长声学波振动，散射前后电子能量基本不变，为弹性散射(声子速度远小于电子速度)；对于光学波，散射前后电子能量有较大的改变，为非弹性散射(声子能量h ωa 较大)。
2. 声学波散射在能带具有单一极值的半导体中，起主要散射作用的是长波，即波长比原子间距大很多倍的格波(几十个原子间距以上) 。
（1）长纵声学波散射在长声学波中，只有纵波在散射中起主要作用。
长纵声学波的传播导致原子分布的疏密变化，产生体变(原子间距的增大或减小)，即疏处体积膨胀，密处压缩。
如下图所示。
附加势场：禁带宽度随原子间距而变化，疏处减小，密处增大。
禁带宽度的改变反映出导带底和价带顶的升降，引起能带极值的改变，从而改变了ΔEc 或ΔEv ，形成附加势场。
如下图所示。
声学波对载流子的散射几率P s ：3/2s P T（2）长横声学波散射横声学波要引起—定的切变。
对具有多极值、旋转椭球等能面的锗、硅来说，该切变也将引起能带极值的变化，而且形变势常数中还应包括切变的影响，因此，对这种半导体，横声学波也参与一定的散射作用。
3. 光学波散射在离子性半导体中，如IV-Ⅵ族化合物硫化铅等，离子键占优势；Ⅲ-Ⅴ族化合物砷化镓等，除共价键外，还有离子键成分，长纵光学波有重要的散射作用。
在锗、硅等原子半导体中，温度不太低时，光学波也有相当的散射作用。
（1） 附加势场在离子晶体中，每个原胞内有正负两个离子，长纵光学波传播时，振动位移相反。
如果只看一种离子，它们和纵声学波一样，形成疏密相间的区域；由于正负离子位移相反，所以，正离子的密区和负离子的疏区相合，正离子的疏区和负离子的密区相合，从而造成在半个波长区域内带正电，另半个波长区域内带负电； 带正负电的区域将产生电场，对载流子增加了一个势场的作用，这个势场就是引起载流子散射的附加势场。
（2光学波光学波的频率较高，声子能量较大；当电子和光学声子发生作用时，电子吸收或发射一个声子，同时电子能量改变了一个ωl ；如果载流子能量低于ωl ，就不会有发射声子的散射，只有吸收声子的散射； 温度较低时，散射概率随温度的下降而很快减少，说明必须有声子才能发生吸收声子的散射，即光学波散射在低温时不起作用； 随着温度的升高，光学波散射概率概率迅速增大。
散射在低温是很小，随温度升高迅速增大。
4. 格波散射几率P cC S O P P P =+（三）其它因素引起的散射 1. 等同的能谷间散射 （1）概念硅的导带具有极值能量相同的六个旋转椭球等能面(锗有四个)，载流子在这些能谷中分纵光学波101exp 1o P k T ω∝⎛⎫- ⎪⎝⎭布相同，这些能谷称为等同的能谷。
电子在等同能谷中从一个极值附近散射到另一个极值附近的散射称为谷间散射。
散射时电子与短波声子发生作用，同时吸收或发射一个高能量的声子，故散射是非弹性的。
谷间散射低温时很小，只在高温下显著。
（2）g 散射和f 散射n 型硅有两种类型的谷间散射：从某一能谷散射到同一坐标轴上相对应的另一个能谷上的散射，称为g 散射。
例如在[]100100⎡⎤⎣⎦和方向的两个能谷间的散射；从某一个能谷散射到其余的一个能谷中的散射称为f 散射。
例如在[][]100010和方向的两个能谷间的散射。
2. 中性杂质散射低温下杂质没有充分电离，没有电离的杂质呈中性，这种中性杂质对周期性势场有一定的微扰作用而引起散射。
该散射只在低温下的重掺杂半导体中发生，起主要的散射作用(低温下晶格振动散射和电离杂质散射都很弱)。
3. 位错散射位错密度大于104cm -2时位错散射很显著，小于该值时可忽略。
4. 载流子与载流子间的散射该散射在强简并半导体中显著。
5. 合金散射多元化合物半导体混合晶体具有两种不同的结构： 一种是其中两种同族原子是随机排列的； 另一种是有序排列的。
当其中两种同族原子在其晶格中相应的位置上随机排列时，对周期性势场产生一定的微扰作用，引起对载流子的散射作用，称为合金散射。
合金散射是混合晶体所特有的散射机制，但在原子有序排列的混合晶体中，几乎不存在合金散射效应。
§迁移率与杂质浓度和温度的关系一、平均自由时间τ和散射概率P 的关系平均自由时间τ：载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射之间的时间内才作加速运动，这段时间叫做自由时间。
自由时间长短不一，去多次自由时间取得的平均值称为平均自由时间，常用τ表示。