材料物理性质解析

3.1.3 非金属导电—半导体

1、σ随温度的升高而剧烈增加电介质电导率特征（与金属对比）

2、添加杂质可有效增加σ

3、光照和辐射均能提高σ（具有光敏、热敏等性能）

4、有两种类型电子参与导电，电子和空穴。

半导体（电介质）中的传导电子是热激发产生的

σ= nq μ

本征半导体

高度提纯、结构完整的半导体单晶体。

共价键结构平面示意图硅晶体中原子空间排列

Si 1s22s22p63s23p2

价带顶部的电子由于热运动，被激发进入导带底部，形成自由电子，同时在价带顶部留下空穴。这一现象称为本征热激发。

J = J e + J p

空穴在晶格中的移动

电子浓度n e ，空穴浓度n p

μe > μp

n e = n p = n i

•

••

•

•︒︒

载流子的“产生”与“复合”

本征激发时产生电子空穴对—产生

本征激发和复合的过程

恒定温度，本征激发和复合会达到动态平衡，材料中自由电子浓度和空穴浓度保持定值。

部分自由电子也可能回到空穴中去—复合。

2g E kT

i n Ae

-

=➢本征半导体载流子浓度和温度的关系

➢温度相同时，E g 宽的材料的本征电导率低。

➢载流子浓度随温度升高按指数规律增加（电阻热敏特性）

单晶体E g (eV)n i (cm -3)自由电子迁移率(cm 2⋅V -1s -1)

Ge 0.66 2.3⨯10133900Si 1.11 1.5⨯10101450GaAs

1.43

1.1⨯107

8500

300 K

杂质半导体

在本征半导体中加入微量不同价态的其它原子，就形成杂质半导体。

掺入的杂质价态比本征原子价态高的称为施主掺杂；反之则为受主掺杂。

N

型半导体的结构示意图

施主能级、施主电离和电离能

施主杂质

化合价高于被替代元素化合价的杂质

施主杂质半导体中的自由电子浓度远远大于空穴浓度，称为N 型半导体。

N 型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子。

受主杂质

化合价低于被替代元素化合价的杂质

受主能级、受主电离和电离能

P 型半导体的结构示意图

受主杂质半导体中的空穴浓度远远大于自由电子浓度，称为P 型半导体。

P 型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。

重掺杂P型

n A=1.5⨯1018/cm3

轻掺杂P型

n A=1.5⨯1014/cm3

本征轻掺杂N型

n D=1.5⨯1014/cm3

重掺杂N型

n D=1.5⨯1018/cm3 n e(cm-3) 1.5⨯102 1.5⨯106 1.5⨯1010 1.5⨯1014 1.5⨯1018

n p(cm-3) 1.5⨯1018 1.5⨯1014 1.5⨯1010 1.5⨯106 1.5⨯102

ρ(Ωcm)10-2101061010-2

硅单晶在300K时典型掺杂情况下的载流子浓度

半导体的电导率掺杂半导体的电导率与温度的关系

σ＝n e q μe ＋n p q μ

h

施主能级、施主电离和电离能

2E kT

n Ae

-=

PN 结及其I-U 特性

在本征半导体单晶片两侧分别进行不同类型掺杂，形成N 型和P 型半导体。

PN 结的单向导电特性（整流特性）

正向偏置状态反向偏置状态低电阻状态

高电阻状态在N 型和P 型半导体界面就形成PN 结。

PN 结示意图

➢界面两端浓度差引起多子

扩散运动，形成空间电荷区

➢多子扩散和少子漂移达到

动态平衡。

➢内电场促使少子漂移，

阻止多子扩散

➢空间电荷区形成内电场

（自建电场）

扩散电流

漂移电流

PN结

正向偏置

➢外加电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了自建电场，空间电荷区变窄。

➢由多子形成的扩散电流显著增加，远高于由少子形成的漂移电流，PN结呈现低电阻效应。

PN 结反向偏置

➢外加电场方向与PN结内

电场方向相同，加强了自建

电场，空间电荷区变宽。

➢扩散电流小于少子的漂移

电流。很小的漂移电流使

PN结呈现高电阻效应。

在掺杂半导体中，少子的浓度比本征态时少很多，故少子形成的漂移电流也很小，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流称为反向饱和电流。

半导体的σ

PN结的σ

对称性

非对称性

E

J

半导体材料基本特点

➢有两类传导电子

➢引入不同电价杂质使一种传导电子占主导地位

➢PN 结电传导单向导通效应

陶瓷半导体的物理效应

陶瓷经高温烧结而成的, 以多晶聚集体为主的无机非金属固态物(包含块体、薄膜

和粉体)。

陶瓷半导体

采取一些特殊方法，如引入异价离子或

控制烧结气氛等使原来为电气绝缘的陶

瓷的电阻率显著降低，成为半导体。陶瓷半导体由于晶粒之间的界面效应，会

表现出单晶半导体所没有的一些物理效应。