第三章 电性材料

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可用作耐腐蚀导体和导电填料等。
3.1.4 半导体材料
本征半导体
元素半导体
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
杂质半导体
半导体材料 (按结构形态)
晶态半导体 非晶态半导体
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
锗比硅的金属性更为显著 硅、锗都溶解于HF-HNO3混合酸。
非晶
多晶
单晶
一、本征半导体——化学成分纯净的半导体。
制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,常 称为“九个9”。
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。
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。
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。
+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)
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
+ +
+
+ -
+
+ -
+
+
纤锌矿(ZnS)结构在(010)上投影
表示晶体极性链 的两种方法
-
+ -
+ -
极 化 轴 C
+ -
+ -
+
+ -
+
+ -
+
+ -
-
+ +
-
+
-
例2:由热运动引起的自发极化
铁电体的位移性理论: 自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置, 使单位晶胞中出现了偶极矩,偶极矩之间的相互作用 使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来,同时 晶体结构发生了畸变。
数为空穴。杂质能级—受主能级
p
n
p
n
Conduction Band
Conduction Band
electrons
Conduction Band Band gap
Conduction Band electrons
EFp
Band gap holes Valence Band
Band gap Valence Band
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
本征激发和复合的过程 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现 的,称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到 空穴中去,称为复合。 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强,温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素,这是半导体的一 大特点。
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。
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
禁带:允许带之间的范围是不允许电子占据的,此范围称
为禁带。导带的底能级为 Ec,价带的顶能级为 Ev, Ec和 Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。
体块硅的能带示意图
GaN能带图
3.1.2 导体、半导体和绝缘体区别的能带论解释
导体的能带结构: 价带部分填入
价带被填满
绝缘体的能带结构:
价带为满带,
禁带较宽 Δ Eg≈3~6 eV
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Hale Waihona Puke Baidu
(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。
+ +
+ -
+
+ -
±
+
+
-
+
-
+
-
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
Ge
Si
通过一定的工艺过程,可以将半导体制成晶体。
形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个, 构成稳定结构。
+4 +4
+4
+4
共价键有很强的结合力,使原子规 则排列,形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为 束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以 本征半导体的导电能力很弱。
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:
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
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。
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
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。
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)
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;
第三章 电性材料
• 导体、半导体和绝缘体材料
• 超导材料 • 铁电、压电、热释电和介电材料
3.1 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
3.1.1导体、半导体和绝缘体的区别 ——能带理论
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
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