半导体材料以及其应用

半导体特性及应用
2. 温度特性

温度特性：半导体的导电能力随温度升高而迅速增加， 不同于金属的正的电阻温度系数。 热敏电阻(thermosensitive resistance) 。用途：电子线路

元件的温度补偿或专用检测元件。
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扩散运动
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半导体材料
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。
漂移运动
内电场使空穴从N区向 P区、自由电子从P区 向N 区运动。 因电场作用所产生的运 动称为漂移运动。
半导体特性及应用
3. 光电导特性

光电导现象：半导体导电能力随光照而发生变化。例如： 半导体硒，它的电阻值有随光强的增加而急剧减小的现 象。 光敏电阻(photosensitive resistance)。用途：光控开关， 自动控制。

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半导体材料
半导体特性及应用 半导体的发展趋势
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半导体的发展趋势
1. 半导体的发展历程

第一代半导体：元素半导体，代表是硅基和锗基半导体； 硅和硅基材料是当代微电子技术的基础，其半导体器件的


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半导体材料
7. PN结及其单向导电性
(1) PN结的形成 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液 体、固体均有之。
P区空穴浓 度远高于N 区。 N区自由电 子浓度远高 于P区。
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半导体材料
2. 什么是半导体
根据物体导电能力的不同，来划分导 体、绝缘体和半导体。
• 导 体：ρ<10－4Ω·cm； • 绝缘体：ρ>109Ω·cm； • 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。
半导体材料结构： 三维材料--薄膜--量子 线、量子点。
基于量子力学原理的新一代半导体微电子器件，将 彻底改变人类经济生活方式。
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PN结的电流方程为
i I S (e
u UT
1)
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频率较低，只能做到10GHz，但预计到21世纪中叶之前都不会 被淘汰。
硅质圆晶
集成芯片
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半导体的发展趋势
第二代半导体：化合物半导体，代表是砷化镓（GaAs ）、 磷化铟（InP）和氮化镓(GaN)等。 电子迁移率较硅半导体快许多，适用于高频传输，在无 线电通讯如手机、无线区域网络、卫星通讯等皆有应用；具 有直接带隙，适用发光领域，如发光二极管 (LED)、激光二 极管(LD)、太阳能电池等产品。
半导体材料
6. 问题小结

几个基本概念：（1）本征半导体、杂质半导体；（2） 两种载流子“ 自由电子、空穴”；（3）N型半导体、P 型半导体；（4）多数载流子、少数载流子。 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成导电性 能极差的本征半导体，又将其掺杂，改善导电性能？ 既然P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是自 由电子，所以，P型半导体带正电。此说法是否正确？
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(1) 半导体中电子导电
+ + + + + + +

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在外电场作用下，电子的定向移动形成电流。
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(1) N型半导体
多数载流子
N型半导体中，自由电子是多 数载流子，空穴是少数载流子。 N型半导体主要靠自由电子导电， 掺入杂质越多，自由电子浓度越 高，导电性越强。
磷（P）
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(2) 半导体中空穴导电
+ + + + + + +

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在外电场作用下，空穴的定向Baidu Nhomakorabea动形成电流。
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5. 杂质半导体
杂质半导体：掺入杂质的本征半导体。
(2) 有机半导体材料: 有机物、聚合物、给体-受体 络合物。
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4. 本征半导体
本征半导体：纯净的单晶半导体。
以单晶硅为例：
单晶硅受热 激发
半导体中载流子：自由电子和空穴。一定温度下， 自由 电子和空穴的浓度达到一定，形成动态平衡。
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半导体的发展趋势
2. 半导体的发展方向
半导体材料体系： 硅基材料作为微电子器件的基础在21世纪中叶之 前不会改变； 化合物半导体在光电子器件，光电集成等领域作 用会越来越大。
半导体材料
培训测试部 胡晨
2016年1月13日
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半导体材料
半导体特性及应用 半导体的发展趋势
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半导体材料
1. 半导体材料－现代信息社会的基础
人们的生活离不开半导 体材料。

•
GaAs半导体激光器发明使人 类进入光纤通信和高速、宽 带信息网的时代。
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半导体的发展趋势
• 汽车防撞雷达 系统
第二代半导体砷化镓还不会取代硅成为主流的半导 体材料。其原因：(1)大多数的电子产品还不需要砷 化镓电路那么快的速度；(2)砷化镓生产工艺时间更 长和产量也更低。
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(2) P型半导体
多数载流子
P型半导体中，空穴是多数载流 子，自由电子是少数载流子。 杂质半导体主要靠多数载流子 导电。掺入杂质越多，多子浓 度越高，导电性越强，实现导 电性可控。
硼（B）
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内建电场E
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡， 就形成了PN结（空间电荷区、耗尽层）。
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(2) PN结的单向导电特性
正向特性 反向特性 反向击穿
三者的能带结
构不同：
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3. 半导体材料的分类
半导体按化学成分：
(1) 无机半导体材料: • 元素半导体：Si、Ge、Se等；
• 化合物半导体：GaAs、InSb、 SiC、InGaAs等；
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半导体特性及应用
1. 掺杂特性

掺入微量的杂质（简称掺杂）能显著地改变半导体的导 电能力。杂质含量改变能引起载流子浓度变化，实现半 导体导电性能的可控性。
制成P型或N型半导体
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半导体材料
半导体材料生产总值很大，应用领 域非常广泛。
半导体材料的发展使国民经济和及 科技等领域出现了巨大的进步，改 变了我们的生活。
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5. 整流特性

整流：半导体电阻率与所加电场方向有关。 硅单晶材料和晶体管的发明，硅集成电路 的研制成功，导致了电子工业革命。
dY8087 晶体二级管 三级管 大规模集成 电路
信息时代
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4. 光生伏特效应

光生伏特：光照在PN结上，产生电子-空穴对，在内建电 场作用下，产生光生电势。可用于太阳能电池的制造。
•
p
•
+ _
° n°
光
太阳能电池及原理
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