第二章能带和载流子浓度1
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33
探测器的暗电流。
GaN的高介电强度（静态9.7-高频5.3）适合用 于高功率放大器、开关和二极管。 宽带隙材料的相对介电常数比常规材料的要小， 由于对寄生参数影响小，这对毫米波放大器而言 是有利用价值的。 宽带隙半导体材料的电子迁移率一般低于多数常 用半导体，其空穴迁移率一般较高。 石墨和金刚石电子迁移率则很高（15000 cm2/V· s）。
应 用 情 况 光学应用 高频性能 高温性能 发展阶段 相对制造成本
1350
无 差 中 成熟 低
8500
红外 好 差 发展中 高
900
蓝光/紫外 好 好 初期 高
29
Si
硅材料优点：储量丰富、价格低廉、热性能与机 械性能优良、易生长大尺寸高纯度晶体。
目前，硅材料仍是电子信息产业最主要的基础材 料，处在成熟的发展阶段。 95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路 (IC)是用硅材料制作的。 在21世纪，它的主导和核心地位仍不会动摇。 但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频 高功率器件上的应用。
InP具有比GaAs 更优越的高频性能，发展的速度更快；但
不幸的是，研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚 未完全突破，价格居高不下。
20
GaAs photovoltaics and optoelectronics using releasable multilayer epitaxial assemblies,Nature 465,May 2010
7
3、半导体电导率的特征： 1）、 变化范围很宽； 2）、 随温度上升明显； 3）、 随掺杂浓度增加（其中少量杂质电离， 载流子浓度剧增），电导率急剧增加）； 4）、 波长合适的光照射，光激发会使载流子 浓度和电导率增加（这实际上就是半导体的 光电导现象）。
8
半导体的电导率除了具有以上几方面特征外，
GeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTe
AsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3
金属氧化物
CuO2、ZnO、SnO2、In2O3, ITO
15
3）、多元素Hale Waihona Puke Baidu导体
可分类型：二元、三元、四元化合物 GaAs 、InP、 AlxGa1-xAs、MgZnO、 Gaxln1-xAsyP1-y、CIGS、IGZO等等
的电阻温度系数）；
在低于1K温度下，有些半导体（如GeTe、SnTe、SrTiO3 等）可显示出超导性；
纯净的半导体材料在较低温度下（低于其本征激发温度） 下就是绝缘体；
半导体材料并不仅限于固体，也有液态半导体。
24
半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光 电子器件的重要基础材料，支撑着通信、计算机、信息家
31
宽带隙半导体材料：
宽带隙半导体材料主要指的是金刚石、III族氮化物（GaN、
SiN 等）、碳化硅（ SiC ）、立方氮化硼以及 II-VI 族硫、 锡碲化物、氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、 GaN 和金刚石薄膜等材料,因具有高热导率、高电子饱和 漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功 率、耐高温、抗辐射半导体微电子器件和电路的理想材 料，在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等 方面有着广泛的应用前景。
硅、锗称为第一代半导体材料； 将砷化镓、磷化锢、磷化镓、砷化锢、砷化铝及其合金等称 为第二代半导体材料； 将宽禁带(Eg>2.3eV)的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金刚石等 称为第三代半导体材料。
半导体材料多以晶体的形式存在。
23
半导体与金属、绝缘体之间的界限也不是绝对的。
重掺杂半导体的导电性能与金属类似（可具有正
30
GaAs
GaAs材料的电子迁移率是Si的6倍多，其器件 具有硅器件所不具有的高频、高速和光电性能。 GaAs材料可在同一芯片同时处理光电信号，被 公认是新一代的通信用材料。 随着高速信息产业的蓬勃发展， GaAs材料成 为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半 导体材料。 其在军事电子系统中的应用日益广泛，并占据不 可取代的重要地位。 但是，由于SiC材料的出现，人们对GaAs的兴 趣降低了。
（3）光学敏感特性
CdS光敏 电阻
（4）磁敏感特性 霍尔效应、磁阻效应。 （5）压阻特性
6、主要半导体材料的发展现状：
Si单晶:
增大直拉硅单晶的直径仍是今后CZ-Si发展的总趋势。 8英寸，12英寸已实现大规模生产，18英寸也进入生产，27英 寸正在研制中。 GaAs和 InP单晶： 世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨（日本1999年的GaAs 单晶的生产量为 94 吨， InP为 27吨），其中以低位错密度生长 的2～3英寸的导电GaAs衬底材料为主。
英国《自然》杂志报告说，美国伊利诺伊大学等机构 研究人员研发出一种可批量生产 GaAs 晶片的技术， 克服了成本上的瓶颈，从而使 GaAs 这种感光性能 比硅更优良的材料有望大规模用于半导体和太阳能相
关产业。
21
砷化镓的感光性能比硅更优良，理论上对
阳光40%转化为电能，转化率约是硅的两倍，
因此卫星和太空飞船等多采用砷化镓作为太阳能电池板。
16
合金半导体
非晶态半导体
有机半导体
17
5、半导体材料的主要性质
（一）电阻率的杂质敏感特性
室温下 纯Si 掺入10-6（原子比）P原子 （二）温度敏感特性 ρ~ 2.14×105 Ω· cm ρ~ 0.2 Ω· cm
Eg exp k T 0
纯Si，温度每增加8度，电阻 率相应降低50%左右
电与网络技术等电子信息产业的发展。
中国电子信息产品发展讯速，在2003年中国电子信息产业 销售收入1.88万亿元，折合2200～2300亿美元，产业规模已 超过日本位居世界第二，成为中国第一大支柱产业。
25
26
现代微电子工业对硅片关键参数的要求
首批产品预计生产年份
工艺代（特征尺寸/nm）
2005
100
2008
70
2011
50
2014
30
晶片尺寸/mm
去边/mm 正表面颗粒和COP尺寸 /mm 颗粒和COP密度/mm-2
300
1 50 0.10
300
1 35 0.10
300
1 25 0.10
450
1 25 0.10
表面临界金属元素密度 /109at.mm-2
局部平整度/nm 中心氧含量/×1017cm-3
28
表1 主要半导体材料的比较
材料 禁带宽度（ev） 物 理 性 饱和速率（×10-7cm/s） 质 热导（W/c· K） 击穿电压（M/cm） Si 1.11 1.0 1.3 0.3 GaAs 1.42 2.1 0.6 0.4 GaN 3.4 2.7 2.0 5.0
电子迁移速率（cm2/V· s）
元素半导体
Ⅳ族：C,Si,Ge,Sn
Ⅴ族：P,As,Sb
Ⅵ族：N,S,Se,Te
13
1)、元素半导体
20世纪50年代初 期：锗（Ge）
周期 2 II III B
硼
IV C
炭
V N
氮
VI
60年代初期以后 ：硅（Si） 硅的优势： 室温下有较佳的 特性；生长成本 低；地表储量丰 富，仅次于氧。
3
Mg
34
宽带隙材料的高电场电子速度(饱和速度)一般较 常规半导体高得多，这就使得宽带隙材料成为毫 米波放大器的首选材料。
GaN材料的禁带宽度（3.4eV)为硅材料的3倍多 ，其器件在大功率、高温、高频、高速和光电子 应用方面具有远比硅器件和砷化镓器件更为优良 的特性，可制成蓝绿光、紫外光的发光器件和探 测器件。
≤4.9
100 ±9.0/15. 5
≤4.2
70 ±9.0/15. 5
≤3.6
60 ±9.0/15. 5
≤3.0
35 ±9.0/15. 5
Fe浓度/1010cm-3
<1
≥325
<1
≥350
<1
≥350
<1
≥400
27
复合寿命/μs
材料的物理性质是产品应用的基础，
表1列出了三种常见半导体材料的物理性质及应 用情况。 禁带宽度决定发射光的波长，禁带越大发射光波 长越短(蓝光发射)；禁带越小发射光波长越长。 其它参数数值越高，半导体性能越好。 电子迁移速率决定半导体低压条件下的高频工作 性能； 饱和速率决定半导体高压条件下的高频工作性能 。
许多半导体材料还有比金属更明显的温差电效应、 磁电效应和压电效应。 此外，半导体的pn结、金属与半导体的接触、不同 种半导体材料的接触(即异质结)等由界面所表现出 来的结特性以及电场对半导体表面的场效应等也是
半导体的一些重要特性。
这些特性是一些半导体器件工作的基础。
9
4、半导体材料的种类：
32
GaN
GaN的热导率明显高于常规半导体。
这一属性在高功率放大器和激光器中是很起作用
的。带隙大小本身是热生率的主要贡献者。在任
意给定的温度下，宽带隙材料的热生率（单位体
积的热流率）比常规半导体的小10～14个数量
级。这一特性在电荷耦合器件、新型非易失性高
速存储器中起很大的作用，并能实质性地减小光
35
目前GaN的制造技术面临的最主要挑战是：
寻找适合GaN薄膜生长的低成本衬底材料和大 尺寸的氮化镓体单晶生长工艺。
36
SiC单晶的研制已取得突破性进展。
2、3英寸的4H和6H-SiC单晶与外延片，以及4英寸的4H
SiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光 LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器 件的竟争。 其他SiC相关高温器件 的研制也取得了长足的进步。目前
半导体材料在元素周期表中位于周期表 （Periodic Table）第Ⅳ族（ Ⅳ column or family） 及其邻近的族。
按照组成分类 无机半导体
10
按结构分类
按功能分类
11
按照研究及应用时代分类
目前主要材料仍然是Si,占80%。
12
元素半导体
Ⅱ族：Zn,Cd
Ⅲ族：B,Al,Ga,In
统计学物理
固体物理
量子力学
§2.1 半导体材料
一、半导体材料分类
1、从导电性划分 固体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，可分为导体、
绝缘体和半导体。 （看P18图2.1）
半导体易受温度、光照、磁场及微量杂质原子(占10-3～10-6
之一）影响.
元素半导体：硅、锗。电阻率在10-4～108Ω •cm
然而，传统的砷化镓晶片制造技术每次只能生成一层晶片， 成本居高不下，限制了砷化镓的广泛应用。
美国伊利诺伊大学等机构研究人员说，他们开发出的新技
术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体，然后利用化
学物质使砷化镓层分离出来，可同时生成多层砷化镓晶片， 大大降低了成本。
22
在半导体产业的发展中，三代半导体材料中，有代表性的是 硅（Si）、砷化镓（GaAs)和氮化镓(GaN)。
镁
Al
铝
Si
硅
P
磷
S
硫
4 5 6
Zn
锌
Ga
镓
Ge
锗
As
砷
Se
硒
Cd
铬
In
铟
Sn
锡
Sb
锑
Te
碲
Hg
汞
Pb
铅
14
2）、化合物半导体
Ⅳ-Ⅳ族
SiC
Ⅲ-Ⅴ族
InP、GaP、GaAs、InSb、InAs,AlP,AlAs CdS、CdTe、CdSe、ZnS
化合物半导体
Ⅱ-Ⅵ族 Ⅲ-Ⅵ族 Ⅳ-Ⅵ族 Ⅴ-Ⅵ族
GaN,AlN,InN
半导体器件物理
第2章 热平衡时的能带和载流子浓度
2.1 半导体材料 2.2 基本晶体结构 2.3 基本晶体生长技术 2.4 共价键 2.5 能带 2.6 本征载流子浓度 2.7 施主与受主
2
课程知识应用领域
光电器件 传感器
集成电路
功率器件
MEMS
微电子工艺基础
微电子器件原理
半导体材料
半导体物理与器件
各种材料的电导率
108 106
102
102
106 1010
1014 1018 1022 : S / cm
金属
半导体
绝缘体
5
: S / cm
100
300
1000 T(K)
锗和铜的电导率随温度的变化
6
2、电导率随掺杂的变化：
纯硅的电导率很低，电导率约为10-3S/cm;室温时的载流 子浓度约为2×1010cm-3 。若在这种纯硅中掺入杂质磷， 并使磷原子在纯硅中的浓度达到2×1016cm-3 时，硅在室 温下的电导率可相应增加到102S/cm左右，即比纯硅的电 导率增加5个数量级。硅的原子数密度为5×1012cm-3 ，所 以浓度仅为基质硅原子数密度百万分之一的杂质就可使硅 的电导率发生惊人的变化。由于掺入半导体的杂质总量可 以精确控制，因此利用这一特点可在很宽的范围内改变半 导体的电导率，甚至改变电传导的类型，使负载流子传导 变为正载流子传导(或相反)。
探测器的暗电流。
GaN的高介电强度（静态9.7-高频5.3）适合用 于高功率放大器、开关和二极管。 宽带隙材料的相对介电常数比常规材料的要小， 由于对寄生参数影响小，这对毫米波放大器而言 是有利用价值的。 宽带隙半导体材料的电子迁移率一般低于多数常 用半导体，其空穴迁移率一般较高。 石墨和金刚石电子迁移率则很高（15000 cm2/V· s）。
应 用 情 况 光学应用 高频性能 高温性能 发展阶段 相对制造成本
1350
无 差 中 成熟 低
8500
红外 好 差 发展中 高
900
蓝光/紫外 好 好 初期 高
29
Si
硅材料优点：储量丰富、价格低廉、热性能与机 械性能优良、易生长大尺寸高纯度晶体。
目前，硅材料仍是电子信息产业最主要的基础材 料，处在成熟的发展阶段。 95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路 (IC)是用硅材料制作的。 在21世纪，它的主导和核心地位仍不会动摇。 但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频 高功率器件上的应用。
InP具有比GaAs 更优越的高频性能，发展的速度更快；但
不幸的是，研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚 未完全突破，价格居高不下。
20
GaAs photovoltaics and optoelectronics using releasable multilayer epitaxial assemblies,Nature 465,May 2010
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3、半导体电导率的特征： 1）、 变化范围很宽； 2）、 随温度上升明显； 3）、 随掺杂浓度增加（其中少量杂质电离， 载流子浓度剧增），电导率急剧增加）； 4）、 波长合适的光照射，光激发会使载流子 浓度和电导率增加（这实际上就是半导体的 光电导现象）。
8
半导体的电导率除了具有以上几方面特征外，
GeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTe
AsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3
金属氧化物
CuO2、ZnO、SnO2、In2O3, ITO
15
3）、多元素Hale Waihona Puke Baidu导体
可分类型：二元、三元、四元化合物 GaAs 、InP、 AlxGa1-xAs、MgZnO、 Gaxln1-xAsyP1-y、CIGS、IGZO等等
的电阻温度系数）；
在低于1K温度下，有些半导体（如GeTe、SnTe、SrTiO3 等）可显示出超导性；
纯净的半导体材料在较低温度下（低于其本征激发温度） 下就是绝缘体；
半导体材料并不仅限于固体，也有液态半导体。
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半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光 电子器件的重要基础材料，支撑着通信、计算机、信息家
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宽带隙半导体材料：
宽带隙半导体材料主要指的是金刚石、III族氮化物（GaN、
SiN 等）、碳化硅（ SiC ）、立方氮化硼以及 II-VI 族硫、 锡碲化物、氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、 GaN 和金刚石薄膜等材料,因具有高热导率、高电子饱和 漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功 率、耐高温、抗辐射半导体微电子器件和电路的理想材 料，在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等 方面有着广泛的应用前景。
硅、锗称为第一代半导体材料； 将砷化镓、磷化锢、磷化镓、砷化锢、砷化铝及其合金等称 为第二代半导体材料； 将宽禁带(Eg>2.3eV)的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金刚石等 称为第三代半导体材料。
半导体材料多以晶体的形式存在。
23
半导体与金属、绝缘体之间的界限也不是绝对的。
重掺杂半导体的导电性能与金属类似（可具有正
30
GaAs
GaAs材料的电子迁移率是Si的6倍多，其器件 具有硅器件所不具有的高频、高速和光电性能。 GaAs材料可在同一芯片同时处理光电信号，被 公认是新一代的通信用材料。 随着高速信息产业的蓬勃发展， GaAs材料成 为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半 导体材料。 其在军事电子系统中的应用日益广泛，并占据不 可取代的重要地位。 但是，由于SiC材料的出现，人们对GaAs的兴 趣降低了。
（3）光学敏感特性
CdS光敏 电阻
（4）磁敏感特性 霍尔效应、磁阻效应。 （5）压阻特性
6、主要半导体材料的发展现状：
Si单晶:
增大直拉硅单晶的直径仍是今后CZ-Si发展的总趋势。 8英寸，12英寸已实现大规模生产，18英寸也进入生产，27英 寸正在研制中。 GaAs和 InP单晶： 世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨（日本1999年的GaAs 单晶的生产量为 94 吨， InP为 27吨），其中以低位错密度生长 的2～3英寸的导电GaAs衬底材料为主。
英国《自然》杂志报告说，美国伊利诺伊大学等机构 研究人员研发出一种可批量生产 GaAs 晶片的技术， 克服了成本上的瓶颈，从而使 GaAs 这种感光性能 比硅更优良的材料有望大规模用于半导体和太阳能相
关产业。
21
砷化镓的感光性能比硅更优良，理论上对
阳光40%转化为电能，转化率约是硅的两倍，
因此卫星和太空飞船等多采用砷化镓作为太阳能电池板。
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合金半导体
非晶态半导体
有机半导体
17
5、半导体材料的主要性质
（一）电阻率的杂质敏感特性
室温下 纯Si 掺入10-6（原子比）P原子 （二）温度敏感特性 ρ~ 2.14×105 Ω· cm ρ~ 0.2 Ω· cm
Eg exp k T 0
纯Si，温度每增加8度，电阻 率相应降低50%左右
电与网络技术等电子信息产业的发展。
中国电子信息产品发展讯速，在2003年中国电子信息产业 销售收入1.88万亿元，折合2200～2300亿美元，产业规模已 超过日本位居世界第二，成为中国第一大支柱产业。
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26
现代微电子工业对硅片关键参数的要求
首批产品预计生产年份
工艺代（特征尺寸/nm）
2005
100
2008
70
2011
50
2014
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晶片尺寸/mm
去边/mm 正表面颗粒和COP尺寸 /mm 颗粒和COP密度/mm-2
300
1 50 0.10
300
1 35 0.10
300
1 25 0.10
450
1 25 0.10
表面临界金属元素密度 /109at.mm-2
局部平整度/nm 中心氧含量/×1017cm-3
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表1 主要半导体材料的比较
材料 禁带宽度（ev） 物 理 性 饱和速率（×10-7cm/s） 质 热导（W/c· K） 击穿电压（M/cm） Si 1.11 1.0 1.3 0.3 GaAs 1.42 2.1 0.6 0.4 GaN 3.4 2.7 2.0 5.0
电子迁移速率（cm2/V· s）
元素半导体
Ⅳ族：C,Si,Ge,Sn
Ⅴ族：P,As,Sb
Ⅵ族：N,S,Se,Te
13
1)、元素半导体
20世纪50年代初 期：锗（Ge）
周期 2 II III B
硼
IV C
炭
V N
氮
VI
60年代初期以后 ：硅（Si） 硅的优势： 室温下有较佳的 特性；生长成本 低；地表储量丰 富，仅次于氧。
3
Mg
34
宽带隙材料的高电场电子速度(饱和速度)一般较 常规半导体高得多，这就使得宽带隙材料成为毫 米波放大器的首选材料。
GaN材料的禁带宽度（3.4eV)为硅材料的3倍多 ，其器件在大功率、高温、高频、高速和光电子 应用方面具有远比硅器件和砷化镓器件更为优良 的特性，可制成蓝绿光、紫外光的发光器件和探 测器件。
≤4.9
100 ±9.0/15. 5
≤4.2
70 ±9.0/15. 5
≤3.6
60 ±9.0/15. 5
≤3.0
35 ±9.0/15. 5
Fe浓度/1010cm-3
<1
≥325
<1
≥350
<1
≥350
<1
≥400
27
复合寿命/μs
材料的物理性质是产品应用的基础，
表1列出了三种常见半导体材料的物理性质及应 用情况。 禁带宽度决定发射光的波长，禁带越大发射光波 长越短(蓝光发射)；禁带越小发射光波长越长。 其它参数数值越高，半导体性能越好。 电子迁移速率决定半导体低压条件下的高频工作 性能； 饱和速率决定半导体高压条件下的高频工作性能 。
许多半导体材料还有比金属更明显的温差电效应、 磁电效应和压电效应。 此外，半导体的pn结、金属与半导体的接触、不同 种半导体材料的接触(即异质结)等由界面所表现出 来的结特性以及电场对半导体表面的场效应等也是
半导体的一些重要特性。
这些特性是一些半导体器件工作的基础。
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4、半导体材料的种类：
32
GaN
GaN的热导率明显高于常规半导体。
这一属性在高功率放大器和激光器中是很起作用
的。带隙大小本身是热生率的主要贡献者。在任
意给定的温度下，宽带隙材料的热生率（单位体
积的热流率）比常规半导体的小10～14个数量
级。这一特性在电荷耦合器件、新型非易失性高
速存储器中起很大的作用，并能实质性地减小光
35
目前GaN的制造技术面临的最主要挑战是：
寻找适合GaN薄膜生长的低成本衬底材料和大 尺寸的氮化镓体单晶生长工艺。
36
SiC单晶的研制已取得突破性进展。
2、3英寸的4H和6H-SiC单晶与外延片，以及4英寸的4H
SiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光 LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器 件的竟争。 其他SiC相关高温器件 的研制也取得了长足的进步。目前
半导体材料在元素周期表中位于周期表 （Periodic Table）第Ⅳ族（ Ⅳ column or family） 及其邻近的族。
按照组成分类 无机半导体
10
按结构分类
按功能分类
11
按照研究及应用时代分类
目前主要材料仍然是Si,占80%。
12
元素半导体
Ⅱ族：Zn,Cd
Ⅲ族：B,Al,Ga,In
统计学物理
固体物理
量子力学
§2.1 半导体材料
一、半导体材料分类
1、从导电性划分 固体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，可分为导体、
绝缘体和半导体。 （看P18图2.1）
半导体易受温度、光照、磁场及微量杂质原子(占10-3～10-6
之一）影响.
元素半导体：硅、锗。电阻率在10-4～108Ω •cm
然而，传统的砷化镓晶片制造技术每次只能生成一层晶片， 成本居高不下，限制了砷化镓的广泛应用。
美国伊利诺伊大学等机构研究人员说，他们开发出的新技
术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体，然后利用化
学物质使砷化镓层分离出来，可同时生成多层砷化镓晶片， 大大降低了成本。
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在半导体产业的发展中，三代半导体材料中，有代表性的是 硅（Si）、砷化镓（GaAs)和氮化镓(GaN)。
镁
Al
铝
Si
硅
P
磷
S
硫
4 5 6
Zn
锌
Ga
镓
Ge
锗
As
砷
Se
硒
Cd
铬
In
铟
Sn
锡
Sb
锑
Te
碲
Hg
汞
Pb
铅
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2）、化合物半导体
Ⅳ-Ⅳ族
SiC
Ⅲ-Ⅴ族
InP、GaP、GaAs、InSb、InAs,AlP,AlAs CdS、CdTe、CdSe、ZnS
化合物半导体
Ⅱ-Ⅵ族 Ⅲ-Ⅵ族 Ⅳ-Ⅵ族 Ⅴ-Ⅵ族
GaN,AlN,InN
半导体器件物理
第2章 热平衡时的能带和载流子浓度
2.1 半导体材料 2.2 基本晶体结构 2.3 基本晶体生长技术 2.4 共价键 2.5 能带 2.6 本征载流子浓度 2.7 施主与受主
2
课程知识应用领域
光电器件 传感器
集成电路
功率器件
MEMS
微电子工艺基础
微电子器件原理
半导体材料
半导体物理与器件
各种材料的电导率
108 106
102
102
106 1010
1014 1018 1022 : S / cm
金属
半导体
绝缘体
5
: S / cm
100
300
1000 T(K)
锗和铜的电导率随温度的变化
6
2、电导率随掺杂的变化：
纯硅的电导率很低，电导率约为10-3S/cm;室温时的载流 子浓度约为2×1010cm-3 。若在这种纯硅中掺入杂质磷， 并使磷原子在纯硅中的浓度达到2×1016cm-3 时，硅在室 温下的电导率可相应增加到102S/cm左右，即比纯硅的电 导率增加5个数量级。硅的原子数密度为5×1012cm-3 ，所 以浓度仅为基质硅原子数密度百万分之一的杂质就可使硅 的电导率发生惊人的变化。由于掺入半导体的杂质总量可 以精确控制，因此利用这一特点可在很宽的范围内改变半 导体的电导率，甚至改变电传导的类型，使负载流子传导 变为正载流子传导(或相反)。