半导体和电介质材料

不同的材料，由于禁带宽度不同，导带中的电子数目不同， 从而有不同的导电性。 本征半导体， n 型半导体， p型半导体
本征半导体：是指不含杂质的半导体；通常由于载流
子数目有限，导电性能不好。
N型半导体：在本征半导体中掺入5价元素，载流子多
数为电子。杂质能级—施主能级
P型半导体：在本征半导体中掺入3价元素，载流子多
特点：
覆盖可见光及远紫外光的范
围，可以制成从红外到紫外
三种晶体结构：闪锌矿、纤的锌发矿光和管岩或盐激矿光器，实现三
宽禁带半导体材料： 基色发光。
InN---1.9 eV，GaN---3.4 eV，AlN---6.2eV
用途：
晶体管、 发光管、激光二极管和光电探测器等器件
英国剑桥大学的研究人员发现一种生产发光 二极管（LED）的新方法，他们说能在5年中 将LED产品的成本降低多达75%。氮化镓可能 是继硅之后最重要的半导体材料。它发出灿 烂的光，将是下一代能在高温下使用的高频 高能量晶体的关键材料。”剑桥大学氮化镓 和材料科学中心(CCGN)主任科林汉弗莱斯教 授说。
1.
负电阻温度系数是半导体的特有性质之一。 Semiconductor
Chapter 1
2.
光电导效应是半导体的特有性质之二。 Semiconductor
Chapter 1
3.
整流效应是半导体的特有性质之三。 Semiconductor
Chapter 1
4.
光生伏特效应是半导体的特有性质之四。 Semiconductor
Semiconductor
6.1.3 导体材料
金属：如银、铜、铝等；可用作电缆材料，电池材料，
电机材料，开关材料，辐射屏蔽材料，传感器材料等；导电 系数依次
银---0.016 铜---0.0172 金---0.023 铝---0.028 黄铜---0.067 铁丝---0.1-0.15 锌---0.06 铅---0.21 汞---0.958
数为空穴。杂质能级—受主能级
Chapter2
✓施主杂质和施主能级
以硅中掺磷为例：
形成一个正电中心P+和 一个多余价电子；
这个多余价电子受到的 束缚很弱，使得它很容 易挣脱束缚，成为导电 电子在晶格中自由运 动——杂质电离；
Semiconductor
Chapter2
✓Ⅴ族杂质在硅、锗中电离 时，能够释放电子而产生导 电电子并形成正电中心，称
第六章 半导体和电介质材料
• 半导体材料
• 铁电、压电、热释电和介电材料
6.1 导体、半导体和绝缘体材料
导体的电阻率 10-5 ~ 10-4Ω·cm 半导体的电阻率 10-4 ~ 1010Ω·cm 绝缘体的电阻率 1010 ~ 1014Ω·cm
6.1.1导体、半导体和绝缘体的区别 ——能带理论
四Se端mic元on件ductor
Chapter2
霍尔特斯拉计（高斯计）
磁铁
霍尔元件
Semiconductor
硅和锗——第一代半导体材料
相同点：具有灰色、金属光泽的固体，硬而脆，金刚石
结构，间接带隙半导体材料.
不同点：
室温本征电阻率 禁带宽度
硅 2.3×105Ω·cm
1.12 eV
锗 50Ω·cm 0.66 eV
半绝缘砷化镓 分
类 低阻砷化镓
高温区：高于GaAs熔点，维持熔融状态； 低温区：防止As挥发损失； 中温区：调整固液界面附件温度梯度，并抑制石英舟污染
氮化镓——第三代半导体材料
氮化镓及其相关氮化物材料：
是指元素周期表中ⅢA族元素铝、镓、铟和Ⅴ族元素氮形 成的化合物(AlN、GaN、InN，)以及由它们组成的多元合金 材料(InxGa1-xN，AlxGa1-xN）等。
Semiconductor
Chapter2
✓受主杂质和受主能级 以硅中掺硼为例：形成一个负电中心B-和一个
空穴； 这个空穴受到的B-束缚很弱， 容易挣脱束缚，成为导电空 穴在晶格中自由运动——杂 质电离；
Semiconductor
Chapter2
✓Ⅲ族杂质在硅、锗中电离
时，能够接受电子而产生导 电空穴并形成负电中心，称
Electron conduction in n-type semiconductors (and metals)
(-) e- e- e- e-
(+)
Hole conduction in p-type semiconductor
(-) e- e- e- e- e-
(+)
e- e- e- e-
e-
e- e- e-
氮化镓LED的其他一些特征，也足以 让传统节能灯相形见绌。估计价格 约2英镑的氮化镓LED，能点亮10万 小时，一般说来60年才需要更换。 氮化镓LED对环境也更友好，因为它 不含水银，废弃部件的处理问题容 易解决。氮化镓LED的使用更方便， 能即时打开，它不闪烁，光线还可 以调节。
Semiconductor
6.1.2 导体、半导体和绝缘体区别的能带论解释
金属
导体的能带结构： 价带部分填入
价带被填满
Chapter2
金属、绝缘体、半导体的能带特征
金属
Eg 绝缘体
导带 Eg
价带
半导体 Semiconductor
绝缘体的能带结构： 价带为满带，
禁带较宽 ΔEg≈3～6 eV
半导体的能带结构： 价带为满带，
价带空穴
为受主杂质或p型杂质。
✓释放电子的过程叫做受主 电离；
✓施主杂质为电离时是中性
的，称为束缚态或中性态，
电离后成为正电中心年，称
为离化态。
电离受主 B－
Semiconductor
Chapter2
Ec EA Ev
EAEAEV
含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主 要是空穴——P型半导体，或空穴型半导体。
Semiconductor
共有化运动动画1 共有化运动动画
金属中电子的共有化
Chapter2
四个原子的能级的分裂
能级分裂动画
八个原子的能级的分裂
Semiconductor
Chapter2
➢当有n个原子相互靠近组成晶体 它们的能级便分裂成N个彼此靠得很 近的能级－－组成一个能带。
能 带：电子的共有化运动使本来处于
能级：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定
的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每 个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子 按能级分布。
Chapter2 Semiconductor
Chapter2
电子的共有化运动：
晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距 离很近，从而导致离原子核较远的壳层发生交叠， 壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能 转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻 原子运动到更远的原子壳层上去，因而电子可以 在整个晶体中运动，这种现象称为电子的共有化 运动。
非金属：如石墨等；可用作耐腐蚀导体和导电填料
等。
6.1.4 半导体材料
本征半导体 元素半导体
杂质半导体
无机半导体 半导体材料 （按化学成份） 有机半导体
化合物半导体
半导体材料 （按结构形态）
晶态半导体 非晶态半导体
Hale Waihona Puke Baidu
非晶 多晶 单晶
Chapter 1 Semiconductor
Chapter 1
e- e-
Chapter2
半导体中的载流子：能够导电的自由粒子
电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离
原子束缚后形成的准自由电子，对应于导带 中占据的电子
空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离
原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中 的电子空位
电子和空穴共同参与半导体的导电。
Semiconductor
Chapter 1
5.
半
光生伏特效应是半导体的特有性质之四。 Semiconductor
Chapter2
霍耳效应的应用
✓判断半导体的导电类型
✓测定载流子浓度、迁移率、电导率
✓霍尔器件（感受磁场的能力）
选用迁移率高的半导体材料，在同样电场作用 下，漂移速度大，加磁场后载流子受到的洛伦磁 力大，霍耳效应明显。 常选用锑化铟、砷化铟、锗作霍尔器件。
同一能量状态的电子产生微小的能量差 异，与此相对应的能级扩展为能带。
Semiconductor
Chapter2
由于n是一个非常大的数 值，能级又靠的很近，所 以每一个能带中的能级基 本上可视为连续的，或 “准连续能级”
N1022~1023/cm3
Semiconductor
GaN能带图
Chapter2
为施主杂质或n型杂质。
导带电子
✓释放电子的过程叫做施主 电离；
✓施主杂质为电离时是中性
的，称为束缚态或中性态，
电离后成为正电中心年，称
为离化态。
电离施主 P+
Semiconductor
Chapter2
Ec ED Ev
EDECED
含有施主杂质的半导体，其导电的 载流子主要是电子—N 型半导体， 或电子型半导体。
Semiconductor
Chapter2
霍尔元件基本结构
• 由霍尔片、引线和壳体组成, 如图所示。 • 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1′
两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为 霍尔输出引线，称为霍尔电极。 • 霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 在电路中霍尔元件可用两种符号表示。
导带电子
价带电子
空的量子态（ 空穴）
Semiconductor
Chapter2
XYZ CB A
e- e- e- e- e-
YZ CBAX
e- e- e- e-
e-
Z CB AXY
e- e- e-
e- e-
Semiconductor
Electron / Hole Conductivity
Semiconductor
{ 能级允相带对应的能带称为价带。 导带：价带以上能量的最低的允带p 称为导带。 满带：被电子占满的允许带称为满带； 空带：每{一个禁能带级上都没有电子的s能带称为空带。
禁围带称：为原允禁子许带带。能之导级间带分的的范底裂围能为是级不为能允Ec带，许价电的带子示的占意顶据能的图级，为此E范v，
Ec和Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。
大多数纯金属的导电系数 随温度升高而升高。
合金：向导电纯金属中加入其他金属元素所构成的导
电材料即为导电合金材料。此类导电材料经不同方法的 强化后，具有良好的导电性和高的机械强度、硬度、耐 蚀、耐磨、耐热等综合性能。如铜和铝的合金。
将两种或两种以上的金属通过一定的复合工艺制成 的导电材料即为复合导电金属。如铜包铝线、铝包铜线 等。此类导电材料有线、棒、板、片、管等各种型材。
另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电 池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保 护膜（如图），将反射损失减小到5％甚至更小。一个电池所能 提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是 36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。
单晶硅棒 (直拉法、区熔法)
• 扩散
锗比硅的金属性更为显著 硅、锗都溶解于HF-HNO3混合酸。
硅在太阳能电池上的应用
其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，
单晶硅 多晶硅 非晶硅
由体当于中晶半流片导动受体 ，光不电后是阻，电非PN的常结良大中导，，体损N型，耗半电也导子就体在非的通常空过大穴。p－往但nP如结型果后区在如移上果动层在，全半而部导P型 涂区上中金的属电，子阳往光N型就区不移能动通，过从，而电形流成就从不N能型产区生到，P型因区此的一电般流用。金然 属后网在格PN覆结盖中p形－成n结电（势如差图，这梳就状形电成极了）电，源以。增加入射光的面积。
• 注入
硅（111）晶面图
砷化镓——第二代半导体材料
特点： 化合物半导体，晶体结构是闪锌矿型，
禁带宽度为1.43 eV 容易制成半绝缘材料(电阻率107 ~ 109Ω·cm) 本征载流子浓度低 光电特性好 耐热、抗辐射性能好和对磁场敏感
用途： 光电材料，适合于制造高频、高速的器件和电路，
发光二极管、场效应晶体管等。
禁带宽度 ΔEg≈0～2 eV
载流子：导体和半导体的导电作用是通过带电粒子的运动
（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。
导体的载流子是自由电子； 半导体的载流子是带负电的电子和带正电的空穴。
Chapter2
本征半导体 在一定温度下，价带电子受到热激发而成为
导带电子的过程 。
激 发 前：
激 发 后：
能带图可简化成:
电 子 能 量
Ec Eg
Ev
禁带宽度 Eg EC EV
Semiconductor
Chapter2
允带：允许被电子占据的能带称为允带，原子壳层中
能的量内E层允带总是能被带电子先原占子满级，能然后再占原据子能轨道量更高
{ 的外面一层的允带。 d 价带：原子中最禁外带层的电子称为价电子，与价电子