第三章 电性材料

在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。 在常温下，使一些价电子获得足够的能量 而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价 键上留下一个空位，称为空穴。 这一现象称为本征激发，也称热激发。
氮化镓
3.3 铁电、压电、热释电和介电材料
极化 ：
在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者 极性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化。
自发极化：
在没有外电场作用时，铁电晶体或铁电陶瓷中存在着 由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为自发极 化。
自发极化
(1) 不具有自发极化特性， 但为不对称中心结构，在 外力的作用下，产生极化。
H + H
H2
金属中电子的共有化
允许带：允许被电子占据的能带称为允许带，原子壳层中
的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的 外面一层的允许带。
价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级
相对应的能带称为价带。
导带：价带以上能量的最低的允许带称为导带。 满带：被电子占满的允许带称为满带； 空带：每一个能级上都没有电子的能带称为空带。
Electron conduction in n-type semiconductors (and metals)
(-) (-)
e- e- e- e-
(+)
eeeeee-
Hole conduction in p-type semiconductor
e- ee- ee- e-
eee-
(+)
PN结(PN-junction)
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
无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱无章，使整 个晶体表现为电中性，宏观上无极性。
外电场作用时，沿电场方向极化畴长大，逆电场方 向的畴消失，其它方向分布的电畴转到电场方向， 极化强度随外加电场的增加而增加，一直到整个结 晶体成为一个单一的极化畴为止。如再继续增加电 场只有电子与离子的极化效应，和一般电介质一样。
+ +
+ -
+
+ -
±
+
+
-
+
-
+
-
未加应力
加应力产生极化， 正负电荷中心分开
加应力不产 生极化
(2) 含有对称中心的结构
+
-
+
±
-
+
+ -
结构含有正负离子
未加应力
加应力正负电荷中心不分开，不产生极化
(3) 无对称中心，且本身具有自发极化特性的结构 例1：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构
+ 固 有 偶 极 子 正 电 荷 层 与 负 电 荷 层 交 替 排 列
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。
原子结构示意图
能带：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， 这种现象称为电子的共有化。电子的共有化使本来处于同一 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。
N 型半导体
多余 电子
+4 +5
+4 +4
磷原子
P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或 铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子 的最外层有三个价电子，与相邻的
空穴
半导体原子形成共价键时，产 生一个空穴。这个空穴可能吸 引束缚电子来填补，使得硼原 子成为不能移动的带负电的离 子。由于硼原子接受电子，所 以称为受主原子。
二、杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。 P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶 体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有 五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必 定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而 成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。 每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。
EFn
holes
Band gap
EFp= EFn
Valence Band
Valence Band
3.1.3 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；
合金：如黄铜、镍铬合金等；
可用作电阻材料和热电偶材料；
非金属：如石墨、C3K、 C24S6等；
两种极性（自发极化）晶体的比较： 由极化轴引起自发极化的晶体，这种晶体的内部电 场很强，外电场的作用并不能改变晶体的极化强度， 也不能改变其方向，所有质点的偶极矩都平行，大 部分是一个电畴，这样的热释电体大部分为一个电 畴。
由热运动引起的自发极化的晶体，产生多畴，有居 里点和电滞回线等特性，这类晶体具有热释电性和 铁电性。
• •

钛、氧离子的位移 自发极化：这种极化状态并非由外电场引起，而是由 晶体的内部结构引起。在这类晶体中，每一个晶胞内 存在有固有电矩，通常将这类晶体称为极性晶体。 一般介电极化，是介质在外电场作用下引起，没有外 电场，这些介质的极化强度为0。
•
•

°
°
•
•
•

•
固 有 偶 极 子
电畴的形成：许多固有电偶极矩产生自发平行排列 形成一个畴。
结果：
氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的 余地。
较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中 心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率 相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。
温度降低，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热 振动能特别低的离子占很大比例，其能量不足以克服 氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新 平衡位置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化， 发生自发极化，使晶体顺着这个方向延长，晶胞发生 轻微畸变，由立方变为四方晶体。
三种晶体结构：纤锌矿、闪锌矿和岩盐矿
宽禁带半导体材料：
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
Wide Band Gap: ~ 3.4 eV High Break down field Large electron saturation velocity: 1.3 x 10-7 cm/s Chemically stable at high T Operate at 400 º C high temperature Short wavelength light emission and high power electronic applications
热电体：
因为原子的构型是温度的函数，所以极化状态将随温 度发生变化。这种性质称为热电性。热电性是所有呈现自 发极化的晶体的共性。具有热电性的晶体称为热电体。
铁电体：
存在自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向， 在电场作用下，其取向可以改变。
压电体：
压电效应是指材料在外力作用下发生极化而在材料两 端的表面上出现电位差的效应。具有压电性质的材料称为 压电 材料
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构
• •

•
•

° °
•
•

•
•
等轴晶系（大于120oC） ： 晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：1.32A 钛离子的半径： 0.64 钛离子处于氧八面体中， 两个氧离子间的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37 钛离子的直径：2× 0.64= 1.28
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。
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。
特点：
半导体的能带结构：
价带为满带，
禁带宽度 Δ Eg≈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。
Electron / Hole Conductivity
Semiconductor
+4
+4
+3
+4
硼原子
单晶硅棒
(直拉法)
硅在太阳能电池上的 应用
单晶硅 多晶硅 非晶硅
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)