半导体及其基本特性-PKU
电工电子技术-半导体的基本特性
热敏性：是指半导体的导电能力随着温度的升高而迅 速增加的特性。利用这种特性可制成各种热敏元件，如热 敏电阻等。
光敏性：是指半导体的导电能力随光照的变化有显著 改变的特性。利用这种特性可制成光电二极管、光电三极 管和光敏电阻等。
掺杂性：是指半导体的导电能力因掺入微量杂质而发 生很大变化的特性。利用这种特性可制成二极管、三极管 和场效应管等。
9.1质大体可分为导体、 绝缘体和半导体三大类。其中，容易导电、电阻率小于 10-4Ω·cm的物质称为导体，如铜、铝、银等金属材料；很 难导电、电阻率大于104Ω·cm的物质称为绝缘体，如塑料、 橡胶、陶瓷等材料；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 称为半导体，如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物等。
半导体材料的物理特性和应用
半导体材料的物理特性和应用半导体是现代电子技术中最为重要的材料之一，广泛应用于MOSFET、LED、太阳能电池等领域。
在半导体产业方面，我国的技术水平与国际差距逐渐缩小，成为全球半导体市场的重要力量。
本文将重点讨论半导体材料的物理特性和应用。
1.半导体材料的基本特性半导体是介于导体和绝缘体之间的一种材料，其导电性能介于导体和绝缘体之间。
在纯净的半导体中，电子处于价带中，能带上方存在空位，称为导带。
当外界电场或其它物理量的作用下，电子可以跃迁到导带中形成导电，这就是半导体导电的机制。
半导体材料的导电性能受控于载流子浓度的大小。
在半导体中，有两种载流子：电子和空穴。
杂质掺杂可以使半导体中的载流子浓度增加，从而影响材料的导电性。
因此，掺杂是半导体材料制备中非常重要的一个环节。
常见的掺杂元素有硼、磷、氮等。
硼掺杂的半导体为p型半导体，磷、氮掺杂的半导体为n型半导体。
2.半导体器件的应用随着半导体技术的不断进步，半导体器件的种类和功能也越来越多样化。
下面主要介绍三种半导体器件的应用。
（1）MOSFET金属-氧化物-半导体场效应晶体管，即MOSFET，是一种非常重要的半导体器件。
MOSFET具有低功耗、体积小等优势，被广泛应用于数字电路中。
在CPU、存储器、显示器等电子设备中，MOSFET作为关键器件应用非常广泛。
（2）LED发光二极管，即LED，是一种发光器件，通过电子与空穴复合，发射出光线。
LED具有节能、寿命长、环保等特点，被广泛应用于广告牌、交通灯、室内照明等领域。
随着技术的不断发展，LED的颜色、亮度也在不断提高。
（3）太阳能电池太阳能电池是将光能转换成电能的一种器件，主要适用于人迹罕至、自然条件恶劣的环境。
太阳能电池的基底材料之一就是单晶硅，因为单晶硅纯度高，杂质少，电性稳定。
目前，太阳能电池已经成为可再生能源领域中的重要代表，并被广泛应用于宇航领域、家庭用电系统等。
综上所述，半导体材料的物理特性和应用涉及到物理学、化学、材料科学、电子学等多个领域。
高二物理竞赛半导体及其基本特性课件(共15张PPT)
第一章 半导体中的电子状态
半导体的晶 格结构
半导体的 能带
半导体中的 电子运动
晶体，晶格，原 胞，单胞，基本
晶体结构
能带理论，
原子能级与能带，
固体的能带图，
半导体的能带填充
群速度，
加速度，
导 体: 106~104(cm)-1
不同材料的电导率
不同材料的电导率
所有晶体的结构可以用晶格来描述，这种晶格的每个格点上附有一群原子，这样的一个原子群称为基元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。
所有晶体的结构可以用晶格来描述，这种晶格的每个格点上附有一群原子，这样的一个原子群称为基元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。
1.基元、格点和晶格
任何两个基元中相应原子周围的情况是相同的，而每一个基元中不同原子周围情况则不相同。
导 体: 106~104(cm)-1
第一章 半导体中的电子状态
石墨烯, MoS2, etc.
一个理想的晶体是由完全相同的结构单元在空间周期性重复排列而成的。
一个理想的晶体是由完全相同的结构单元在空间周期性重复排列而成的。
格点可以代表基元重心的位置，也可以代表基元中任意的点子。
(a) (b) (c) 在晶体中适当选取某些原子作为一个基本结构单元，这个基本结构单元称为基元，基元是晶体结构中最小的重复单元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。
石墨烯, MoS2, etc.
所有晶体的结构可以用晶格来描述，这种晶格的每个格点上附有一群原子，这样的一个原子群称为基元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。
半导体知识点总结
半导体知识点总结半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，它具有一些特殊的电子性质，因此在现代电子技术中具有重要的应用。
本文将对半导体的基本概念、特性、原理以及应用进行详细的介绍和总结。
一、半导体的基本概念1、半导体材料半导体材料是一类电阻率介于导体和绝缘体之间的材料，它具有一些特殊的电子能带结构。
常见的半导体材料包括硅(Si)、锗(Ge)、GaAs等。
2、半导体的掺杂半导体材料经过掺杂后，可以改变其电子结构和导电性质。
常见的掺杂有N型和P型两种类型，分别通过掺入杂质原子，引入额外的自由电子或空穴来改变半导体的导电性质。
3、半导体的结构半导体晶体结构通常是由大量的晶格排列组成，具有一定的晶格参数和对称性。
在半导体器件中，常见的晶体结构有晶体管、二极管、MOS器件等。
二、半导体的特性1、能带结构半导体的能带结构是其特有的性质，它决定了半导体的导电性质。
半导体的能带结构通常包括价带和导带，其中价带中填充电子的能级较低，而导带中电子的能级较高，两者之间的能隙称为禁带宽度。
2、电子迁移和载流子在外加电场的作用下，半导体中的自由电子和空穴可以在晶体内迁移，并形成电流。
这些移动的载流子是半导体器件工作的基础。
3、半导体的导电性半导体的导电性是由自由电子和空穴共同贡献的，通过掺杂和外加电场的调制，可以改变半导体的导电性。
三、半导体的原理1、P-N结P-N结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型半导体和N型半导体组成。
P-N结具有整流、放大、开关等功能，是二极管、光电二极管等器件的基础。
2、场效应器件场效应器件是一类利用外加电场控制半导体导电性质的器件，包括MOS场效应管、JFET场效应管等。
场效应器件具有高输入电阻、低功耗等优点，在数字电路和模拟电路中得到广泛应用。
3、半导体光电器件半导体光电器件是一类利用光电效应将光能转化为电能的器件，包括光电二极管、光电导电器件等。
光电器件在光通信、光探测、光伏等领域有着重要的应用。
半导体物理归纳总结高中
半导体物理归纳总结高中半导体物理是高中物理中的重要内容之一，是学生们理解电子学和光电子学等深入领域的基础。
本文将对半导体物理的主要概念和原理进行归纳总结，帮助高中学生们更好地理解和应用这一知识。
一、半导体的基本特性半导体是一类电导率介于导体和绝缘体之间的固体材料。
其电导率随温度的变化而变化，体现了其特殊的电学性质。
半导体具有以下几个基本特性：1.1 带隙半导体的带隙是指其原子结构中包含的能带之间的能量差。
带隙越小，半导体中的电子越容易被激发到导带中，电导率越高。
常见的半导体材料如硅、锗等具有较小的带隙，因而被广泛应用。
1.2 频带理论频带理论是解释半导体电导率的重要理论基础。
在这一理论中，半导体的电子结构被描述为能带的形式，其中包含价带和导带。
价带中的电子处于低能态，不易被激发，而导带中的电子具有较高的能量，可以参与导电。
1.3 掺杂掺杂是指在半导体材料中加入少量的杂质，从而改变其电学性质。
掺杂可以使半导体呈现n型或p型的性质，分别对应电子主导的导电和空穴主导的导电。
二、半导体器件半导体器件是基于半导体材料制造的电子元件，广泛应用于各类电子设备中。
常见的半导体器件包括二极管、晶体管和集成电路等。
以下对其中几种常见的器件进行介绍：2.1 二极管二极管是由p型和n型半导体材料构成的器件，其具有单向导电性。
在导通状态下，电流可以从p区域流向n区域，而在反向偏置时，电流几乎无法通过。
二极管广泛应用于电源、信号调理、光电转换等领域。
2.2 晶体管晶体管是一种用于放大、开关、调制等功能的半导体器件，由n-p-n或p-n-p三层结构构成。
晶体管的工作原理基于控制栅极电压来改变集电极和发射极间的电流。
它的小体积、低功耗和高可靠性使其成为现代电子技术中不可或缺的元件。
2.3 集成电路集成电路是将数百万个晶体管和其他电子元件集成在一块芯片上的器件，是现代电子技术的重要组成部分。
集成电路的制造工艺和设计技术不断发展，使其性能和功能大幅提升。
半导体材料基础_基本特性
为直接跃迁。相当于电子由价带竖直地跃迁到导带，所以也
称为垂直跃迁。对应的材料为直接带隙半导体。k = k'+ hv
间接跃迁
c
若导带底和价带顶位于k空间的不同位置，则任
何竖直跃迁所吸收的光子能量都应该比禁带宽
度大。但实验指出，引起本征吸收的最低光子
能量还是约等于Eg。
——推论：除竖直跃迁，还存在另一类跃迁过
激子吸收不会改变半导体的导 电性。
Eenx
=
1
2 r
m* m
13.6 n2 (eV )
iii) 杂质吸收
杂质可以在半导体的禁带中引入杂质能级，占据杂质 能级的电子或空穴的跃迁可以引起光吸收，这种吸收 称为杂质吸收，可以分为下面三种类型： a.吸收光子可以引起中性施主上的电子从基态到激发 态或导带的跃迁； b.中性受主上的空穴从基态到激发态或价带的跃迁； c.电离受主到电离施主间的跃迁；
自由载流子吸收也需要声子参与， 因此也是二级过程，与间接跃迁过 程类似。但这里所涉及的是载流子 在同一带内不同能级间的跃迁。
自由载流子吸收不会改变半导体的 导电性。
v) 子带间的跃迁
电子在价带或导带中子带（sub-band）之间的跃迁。 在这种情况下，吸收曲线有明显的精细结构，而不同 于由自由载流子吸收系数随波长单调增加的变化规律 。
由于杂质能级是束缚态，因而动量没有确定的值，所 以不必满足动量守恒的要求，因此跃迁几率较大。
杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长。杂质 吸收会改变半导体的导电性，也会引起光电效应。
电子在杂质能级及杂质能级与带间的跃迁
浅能级杂质：红外区 深能级杂质：可见、紫外区
iv) 自由载流子吸收
当入射光的波长较长，不足以引起 带间跃迁或形成激子时，半导体中 仍然存在光吸收，而且吸收系数随 着波长的增加而增加。这种吸收是 自由载流子在同一能带内的跃迁引 起的，称为自由载流子吸收。（准 连续、长波长段）
半导体的基本特征
半导体的基本特征半导体是一种具有特殊电性质的材料，其具备一些独特的特征。
本文将介绍半导体的基本特征，包括导电性、能带结构、载流子、禁带宽度以及掺杂等方面。
一、导电性半导体的导电性介于导体和绝缘体之间。
它的导电性来源于其晶格中的原子或离子。
在晶格中，半导体的原子或离子排列紧密，但并非十分紧密，因此其导电性比金属导体差。
半导体在常温下，其电子处于能带中，无法自由移动。
只有在施加外界电场或加热的情况下，电子才能克服能带间隙的能量差，从而跃迁到导带中，实现电导。
二、能带结构半导体的能带结构是其导电性的重要依据。
能带是指电子能量的分布区域，包括价带和导带。
价带是指电子处于低能态的能带，其电子难以自由移动；而导带是指电子处于高能态的能带，电子能够自由移动。
半导体的能带结构中，导带与价带之间存在一段能量间隙，称为禁带。
禁带宽度决定了半导体的导电特性，禁带宽度较小的半导体更易导电。
三、载流子在半导体中，载流子是指能够携带电荷的粒子，包括自由电子和空穴。
自由电子是指从价带跃迁到导带中的电子，它们带有负电荷，能够自由移动。
而空穴是指在价带中留下的缺电子的位置，它们带有正电荷，也能够自由移动。
半导体的导电性与载流子的数量和移动性息息相关。
四、禁带宽度禁带宽度是半导体的一个重要参数，它决定了半导体的导电性能。
禁带宽度越小，半导体的导电性越好。
当外界电场或加热作用下，电子能够克服禁带宽度的能量差，跃迁到导带中，形成自由电子。
因此，禁带宽度的大小直接影响了半导体的导电特性。
五、掺杂掺杂是指在半导体中加入少量的杂质元素，以改变其导电性能。
掺杂分为N型和P型两种。
N型半导体是指通过掺杂杂质元素，使半导体中的电子数目增加，导电性变强。
而P型半导体是指通过掺杂杂质元素，使半导体中的空穴数目增加，导电性变强。
通过N型和P型半导体的结合，可以形成PN结，进一步扩展了半导体材料的应用。
半导体的基本特征包括导电性、能带结构、载流子、禁带宽度以及掺杂等方面。
《半导体》 讲义
《半导体》讲义一、半导体的定义与基本特性半导体，顾名思义，是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
它具有独特的电学特性，使得其在现代电子技术中扮演着至关重要的角色。
半导体的导电性可以通过控制杂质的掺入浓度和外界条件（如温度、光照等）来调节。
这种特性使得半导体能够实现对电流和电压的精确控制，从而成为制造各种电子器件的理想材料。
常见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）以及化合物半导体如砷化镓（GaAs）等。
其中，硅是目前应用最为广泛的半导体材料，因为它在地球上储量丰富，且具有良好的物理和化学性质。
二、半导体的晶体结构半导体材料通常具有晶体结构。
以硅为例，其晶体结构为金刚石结构。
在这种结构中，每个硅原子与周围四个硅原子形成共价键，构成一个稳定的晶格。
晶体结构的完整性对于半导体的性能有着重要影响。
晶体中的缺陷和杂质会干扰电子的运动，从而影响半导体器件的性能和可靠性。
三、半导体中的载流子在半导体中，存在两种主要的载流子：电子和空穴。
电子是带负电荷的粒子，其运动形成电流。
而空穴则是电子离开原子后留下的空位，可以看作是带正电荷的“准粒子”，空穴的运动也能产生电流。
半导体的导电性取决于载流子的浓度和迁移率。
载流子浓度可以通过掺杂来改变，而迁移率则受到晶体结构、温度等因素的影响。
四、半导体的掺杂为了改变半导体的电学性质，通常会进行掺杂操作。
掺杂是指在纯净的半导体中掺入少量杂质原子。
常见的掺杂类型有两种：施主掺杂和受主掺杂。
施主杂质（如磷）能够提供多余的电子，增加电子浓度，使半导体成为 N 型半导体。
受主杂质（如硼）能够接受电子，形成空穴，使半导体成为P 型半导体。
通过控制掺杂的类型和浓度，可以制造出具有不同电学性能的半导体材料，为制造各种电子器件奠定基础。
五、半导体器件基于半导体材料的特性，人们制造出了各种各样的半导体器件。
1、二极管二极管是最简单的半导体器件之一，它由一个 P 型半导体和一个 N 型半导体组成。
半导体材料的基本特性 ppt课件
PPT课件
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芯片可靠性
芯片可靠性致力于趋于芯片寿命的功能的能力，通过严格 的诸如无颗粒空气净化间的使用以及控制化学试剂的纯度 来控制玷污
PPT课件
23
降低芯片价格
由于特征尺寸的减小使得硅片上集成的晶体管增多降低了 成本。 半导体产品市场大幅度增长引入了制造的规模经济
PPT课件
24
微电子技术发展展望
PPT课件
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提高芯片的性能
关键尺寸 芯片上的最小物理尺寸 芯片上器件尺寸的相应缩小是按比例进行的，仅减小一个 尺寸是不可接受的。
PPT课件
20
每块芯片上的元件数 减小一块芯片的关键尺寸使得可 以在硅片上制造更多的元件 ，由于芯片数增加性能也得 到提高。
摩尔定律
PPT课件
21
功耗 真空管耗费很大功率，而半导体器件确实耗用很 小的功率，随着器件的微型化，功耗相应减小，尽管晶体 管数以惊人的速度增为什么有如此的发展速度
第一：集成电路业属于非资源耗尽型的环保类产业，原始材 料是地壳中的二氧化硅。
第二：集成电路的设计与制造技术中高新技术含量和技术赋 加值极高 ，产出效益好。
第三：集成电路的设计与制造业是充满技术驱动的效益驱动 的高活性产业
PPT课件
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半导体的趋势
★ 提高芯片性能 ★ 提高芯片的可靠性 ★ 降低芯片的成本
★衬底必须是纯净的 ★单晶硅片 ★晶体的基本形态
单晶 多晶 非晶 ★综合指标要求 导电类型 N型或P型
PPT课件
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集成电路的制造步骤
★硅片制造 ★硅片制备 ★硅片测试/拣选 ★装配与封装 ★终测
PPT课件
31
★硅片制备 在这一阶段，将硅从沙中提炼并纯化，经过特 殊工艺生产适当直径的硅锭，然后将硅锭切割。
第一节 半导体的特性(“半导体”相关文档)共10张
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空位为电中性。
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空位
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第一节 半导体的特性
硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，
杂质原子成为负离子，
+4
硅原子的共价键中产生一个空穴。
少数
载流子
+4
+4
原子在空间排列成规则的晶格。
在硅或锗晶体中掺入少量的3价杂质元素，
在室温下仍有电子 – 空穴对的 半导体(semiconductor)
第一节 半导体的特性
第一节 半导体的特性
本征半导体
杂质半导体
1
下页 总目录
第一节 半导体的特性
一、本征半导体(intrinsic semiconductor)
1. 半导体(semiconductor) 半导体的定义：
将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。
大多数半导体器件所
价
+4
+4
在少室数温 价下电仍子有将电挣子脱共– 价空键穴束对缚的成产为生自和由复电合子。。
+4
晶体中的价电子与共价键
杂质原子与周围四个硅原子组成共价键时多余一个电子。
则原来晶格中的某些硅原子将被杂质原子代替。
+3
+4
+4
+4
多数
载流子
P型半导体主要依靠空穴导电，所以又称为空穴型半导体。
3价的杂质原子产生多余的空穴，起着接受电子的作用
用途各异的半导体器件。
半导体的基本知识和特性介绍
用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。
正极 引线
SiO 2
P型 硅 N型 硅
负极 引线
半导体二极管的型号
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
2AP9
用数字代表同类器件的不同规格。 代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。 代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge， C为N 型Si， D为P型Si。 2代表二极管，3代表三极管。
多子—空穴
多子—电子
P型半导体
N型半导体
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
少子—电子
少子—空穴
少子浓度——与温度有关 多子浓度——与温度无关
三. PN结及其单向导电性
1 . PN结的形成
PN结合 因多子浓度差 多子的扩散 空间电荷区
形成内电场 阻止多子扩散，促使少子漂移。 内电场E
二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿
电压UBR。
在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。 硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极 管在微安(A)级。
四、稳压二极管
稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管
＋+
反偏电压≥UZ
UZ-
－
DZ
反向击穿
稳定 电压
限流电阻
UZ
当稳压二极管工作在
E=200lx E=400lx -50
UD / V
光敏二极管的符号
光电二极管的PN结特性曲线
半导体材料基础_基本特性
硅 检波器
硅 晶体管
1950年G.K.Teel 直拉法
较大的锗单晶
进 入 成 长 期 1950
1952年H.Welker 发现Ⅲ-Ⅴ族化 合物
1957年 第一颗砷化镓
单晶诞生
1960
1952年G.K.Teel 直拉法
第一根硅单晶
1955年德国西门子 氢还原三氯硅烷法
制得高纯硅
1958年 W.C.Da sh无位 错硅单
硅外延 技术
成 熟 期
1960
1963年 用液相外延法生长 砷化镓外延层，
半导体激光器
And then?
1970
1963年砷化镓 微波振荡效应
1965年 J.B.Mullin发 明氧化硼液封 直拉法砷化镓
单晶
分子束外延MBE 金属有机化学汽相沉积MOCVD 半导体超晶格、量子阱材料
杂质工程
能带工程
杂质半导体 在纯净的单晶体硅中，掺入微量的五价杂质元素，如磷、砷、
锑等，使原来晶格中的某些硅原子被五价杂质原子所取代，便
构成N型半导体。在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素，
如硼、镓、铟等，便构成P型半导体。
＋4
＋4
本征半导体 纯净的单晶半导体称为本征半导体，即不含任何杂质，结构完 整的半导体。绝对零度下，本征半导体相当于绝缘体；室温下， 一部分价电子挣脱共价键束缚，形成电子-空穴对。本征激发 很弱。
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＋4
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价电子
共价键
空穴
自由
电子
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半导体材料的特性与应用
半导体材料的特性与应用半导体材料是一类具有特殊电导特性的材料，其独特的物理和化学性质使其在现代电子技术中发挥着重要的作用。
本文将介绍半导体材料的特性和应用，并探讨其在各个领域的潜在应用。
一、半导体材料的特性1. 带隙能带隙是半导体材料的重要特性之一。
它是在固体中电子能量分布的差异，代表了电子穿越能量障碍所需的最小能量。
半导体材料的带隙大小决定了其导电性能，大带隙材料为绝缘体，小带隙材料为导体，而介于两者之间的材料为半导体。
2. 载流子半导体材料中的载流子是电荷的载体，一般包括电子和空穴两种。
电子是带负电荷的载流子，空穴则被视为存在一个正电荷，是缺电子的位置。
材料中载流子的浓度和流动性决定了其导电性能。
3. 禁带能隙半导体材料中的禁带是指带隙两侧的能量区域。
在禁带中，材料的电子无法自由地处于其中。
当半导体材料受到外界激发时，电子可以接收到足够的能量以克服禁带并跃迁到传导带中。
4. PN结半导体材料通过掺杂可以形成PN结。
其中P区域富含正电荷，N区域则富含负电荷。
PN结具有整流特性，仅允许电流在特定方向通过。
这种特性使得PN结在电子器件中得到广泛应用。
二、半导体材料的应用1. 电子器件半导体材料在电子制造业中具有重要地位。
典型的应用包括晶体管、集成电路和光电器件等。
晶体管是现代电子设备的核心组件，其通过控制电流和放大电信号实现了电子设备的功能。
2. 光电子器件半导体材料对光的特殊响应使其在光电子器件中得以应用。
光电二极管将光信号转化为电信号，广泛应用于光通信、显示技术和光电传感器等领域。
此外，半导体激光器是激光技术的重要组成部分，用于医疗、通信、激光刻录等领域。
3. 太阳能电池半导体材料的光电转换特性使其成为太阳能电池的重要组件。
太阳能电池通过将光能转化为电能，为可再生能源领域做出了重要贡献。
随着对可再生能源需求的不断增长，太阳能电池的应用前景十分广阔。
4. 传感器半导体材料的特性使其在传感器技术中得到广泛应用。
工程学概论-半导体基本特性02
半导体的能带结构
导带
Eg
价带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
半导体的能带 (价带、导带和带隙)
量子态和能级
原子能级 能带
固体的能带结构
能带
禁带
3． 热平衡载流子的浓度
在本征半导体中不断地进行着激发与复合两种相反的过程， 当温度一定时， 两种状态达到动态平衡，即本征激发产生的电子空穴对，与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为热平衡状 态。
＋4
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空穴
自由
电子
＋4
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图 1-3 电子-空穴对的产生和空穴的移动
半导体中的载流子：能够导电的自由粒子
电子：Electron，带负电的导电载流 子，是价电子脱离原子束缚 后 形成的自由电子，对应于导带 中占据的电子
空穴：Hole，带正电的导电载流子， 是价电子脱离原子束缚 后形成 的电子空位，对应于价带中的 电子空位
半导体中自由电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载
流子的数目）ni和pi来表示。处于热平衡状态下的本征半导体，其 载流子的浓度是一定的， 并且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。
根据半导体物理中的有关理论，可以证明
ni pi K3/T 2eE g0/2 (k)T
（1-1）
式中，浓度单位为cm-3，K是常量（硅为3.88×1016 cm-3K-3/2，锗 为 1.76×1016cm-3K-3/2 ） ， T 为 热 力 学 温 度 ， k 是 玻 尔 兹 曼 常 数 （8.63×10-5 ev/K），Eg0 是T=0 K（即-273℃）时的禁带宽度 （硅为1.21 ev， 锗为0.785 ev）。
半导体的特性及应用
半导体的特性及应用半导体是指介于导体和绝缘体之间的一类材料，具有一些特殊的电学、热学和光学性质。
半导体材料的特性决定了其在电子行业等领域的广泛应用。
以下将详细介绍半导体材料的特性及应用。
首先，半导体材料的主要特性之一是能带结构。
半导体材料的能带结构在能量与电子态分布之间建立了关系。
简单来说，半导体材料的能带分为价带和导带。
在绝缘体中，价带和导带之间的能量差很大，因此绝缘体无法导电。
而在导体中，价带和导带之间存在重叠，因此导体可以自由导电。
而在半导体材料中，价带和导带之间的能量差较小，介于绝缘体和导体之间，因此半导体的导电性介于两者之间。
其次，半导体材料的电导率可以通过外加电场或温度变化来进行调节。
当半导体材料施加一定的电场或者加热时，电子会跃迁到导带中，导致半导体材料的电导率增加。
这种现象被称为载流子激发。
半导体的载流子激发可以通过掺杂来调节。
掺杂是指在半导体晶体中加入一些其他材料，形成掺杂材料。
掺杂有两种类型：N型和P型。
N型半导体是通过向半导体材料中掺入杂质原子，如磷或砷，来增加导电性能。
这些杂质原子会提供过多的电子，从而导致额外的电子在导带中移动，增加电导率。
相反，P型半导体是通过向半导体材料中掺入杂质原子，如硼或铟，来增加导电性能。
这些杂质原子会提供过少的电子，从而创建空穴在价带中移动，增加电导率。
半导体材料的特性决定了其在电子行业领域的广泛应用。
首先，半导体器件广泛应用于电子集成电路（IC）中。
集成电路是将大量电子器件，如晶体管和二极管等，集成到单一的芯片上。
半导体器件的小尺寸和高可靠性使得IC具有高集成度、高速度和低功耗的特点。
IC的应用范围非常广泛，包括计算机、通信、军事、汽车等。
其次，半导体材料在光电子领域也有重要应用。
半导体材料具有独特的光电特性，能够通过外界激发或电场激发发光。
利用这种特性，半导体材料制备了各种光电子器件，如发光二极管（LED）、激光器和光电二极管等。
这些器件在照明、通信、显示和医疗等领域发挥着重要作用。
06微电子学概论B03半导体及其基本特性
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分：
不同电阻特性
不同输运机制
导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1
1. 半导体的结构
原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 构 成 一 个正四 面体， 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B
施主和受主浓度：ND、NA
杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态
施主能级
受主能级
5. 本征载流子
本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子
载流子浓度
电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p
半导体的结合和晶体结构
金刚石结构
半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS
2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子
本征半导体：n=p=ni
电子：Electron，带负电的导电载流 子，是价电子脱离原子束缚 后 形成的自由电子，对应于导带 中占据的电子
空穴：Hole，带正电的导电载流子， 是价电子脱离原子束缚 后形成 的电子空位，对应于价带中的 电子空位
作业
➢载流子的输运有哪些模式，对这 些输运模式进行简单的描述
➢设计一个实验：首先将一块本征 半导体变成N型半导体，然后再 设法使它变成P型半导体。
第一次作业
• 列举出你见到的、想到的不 同类型的集成电路及其主要 作用
• 用你自己的话解释微电子学、 集成电路的概念
第二次作业
半导体的基本特性
半導體的基本特性自然界的物質依照導電程度的難易，可大略分為三大類：導體、半導體和絕緣體。
顧名思義，半導體的導電性介於容易導電的金屬導體和不易導電的絕緣體之間。
半導體的種類很多，有屬於單一元素的半導體如矽（Si）和鍺（Ge）,也有由兩種以上元素結合而成的化合物半導體如砷化鎵（GaAs）和砷磷化鎵銦（GaxI n1-xAsyP1-y ）等。
在室溫條件下，熱能可將半導體物質內一小部分的原子與原子間的價鍵打斷，而釋放出自由電子並同時產生一電洞。
因為電子和電洞是可以自由活動的電荷載子，前者帶負電，後者帶正電，因此半導體具有一定程度的導電性。
電子在半導體內的能階狀況，可用量子力學的方法加以分析。
在高能量的導電帶內（Ec以上），電子可以自由活動，自由電子的能階就是位於這一導電帶內。
最低能區（Ev 以下）稱為「價帶」，被價鍵束縛而無法自由活動的價電子能階，就是位於這一價帶內。
導電帶和價帶之間是一沒有能階存在的「禁止能帶」（或稱能隙，Eg）,在沒有雜質介入的情況下，電子是不能存在能隙裡的。
在絕對溫度的零度時，一切熱能活動完全停止，原子間的價鍵完整無損，所有電子都被價鍵牢牢綁住無法自由活動，這時所有電子的能量都位於最低能區的價帶，價帶完全被價電子占滿，而導電帶則完全空著。
價電子欲脫離價鍵的束縛而成為自由電子，必須克服能隙Eg,提升自己的能階進入導電帶。
熱能是提供這一能量的自然能源之一。
近導電帶，而游離後的施體離子則帶正電。
這種半導體稱為n 型半導體，其費米能階EF比較靠近導電帶。
一般n型半導體內的電子數量遠比電洞為多，是構成電流傳導的主要載子（或稱多數載子）。
半導體的原理1. 導電性介於導體和半導體之間的物體,稱為半導體2. 此物體需要高溫和高電量才能通電的物體. 3.在溫度是0和電導率是0,當溫度上升後,價能帶內的電子,由於熱激發躍進到導帶,致使導帶內充滿一些電子,導電率隨之增加 ----------- 這就是半導體.#半導體的特性:1. 溫度上升電阻下降的特性2. 整流效應3 光伏特效應4. 光電導效應半導體的摻雜摻雜物哪種材料適合作為某種半導體材料的摻雜物需視兩者的原子特性而定。
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静电势由本征费米 能级Ei的变化决定
Ei
q
能带向下弯， 静电势增加
北京大学 微电子学研究所
方程的形式1 2x, t
s 0
方程的形式2 E 1 xdx
s0 s
电荷 密度
(x)
可动的 －载流子（n,p) 固定的 －电离的施主、受主
特例：
均匀Si中， 无外加偏 压时，
方程RHS ＝0，
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
北京大学 微电子学研究所
7. 电中性条件: 正负电荷之和为0
p + Nd – n – Na = 0
施主和受主可以相互补偿
p = n + Na – Nd n = p + Nd – Na
北京大学 微电子学研究所
n型半导体：电子 n Nd 空穴 p ni2/Nd
p ni
重点
• 半导体、N型半导体、P型半导体、本征 半导体、非本征半导体
• 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非 平衡载流子、过剩载流子
• 能带、导带、价带、禁带 • 掺杂、施主、受主 • 输运、漂移、扩散、产生、复合
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B
施主和受主浓度：ND、NA
北京大学 微电子学研究所
杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态
施主能级
受主能级
北京大学 微电子学研究所
5. 本征载流子
本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子
北京大学 微电子学研究所
9. 载流子的输运
载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动
漂移电流 J Deift qnvd qnE 引 入 迁 移 率 的 概 念
迁移率
单位电场作用下载流子获得平均速度
反映了载流子在电场作用下输运能力
q
m
影响迁移率的因素
电阻率
1
qnn qpp
北京大学 微电子学研究所
本征半导体：n=p=ni
北京大学 微电子学研究所
电子：Electron，带负电的导电载流 子，是价电子脱离原子束缚 后 形成的自由电子，对应于导带 中占据的电子
空穴：Hole，带正电的导电载流子， 是价电子脱离原子束缚 后形成 的电子空位，对应于价带中的 电子空位
北京大学 微电子学研究所
3. 半导体的能带 (价带、导带和带隙)
p型半导体：空穴 p Na 电子 n ni2/Na
北京大学 微电子学研究所
8. 过剩载流子
由于受外界因素如光、电的作用，半导 体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这 些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子 载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消
失的过程 电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合
公式 np ni2 不成立
载流子浓度
电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p
本征载流子浓度： n=p=ni
np=ni2
ni与禁带宽度和温度有关
北京大学 微电子学研究所
6. 非本征半导体的载流子
热平衡时:
np ni2
在非本征情形: n p
N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n
北京大学 微电子学研究所
多子：多数载流子
北京大学 微电子学研究所
电子和空穴的有效质量m*
半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与 真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的 等效粒子
有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用
北京大学 微电子学研究所
4.半导体的掺杂
B
受主掺杂
As
施主掺杂
北京大学 微电子学研究所
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As
影响迁移率的因素： 有效质量 平均弛豫时间（散射〕
体现在：温度和 掺杂浓度
半导体中载流子的散射机制： 晶格散射（ 热 运 动 引 起） 电离杂质散射
北京大学 微电子学研究所
载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动
扩散电流
电子扩散电流： J n,diff
qDn
dn dx
空穴扩散电流：
J p,diff
半导体及其基本特性
北京大学
北京大学 微电子学研究所
？什么是半导体
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分：
不同电阻特性
不同输运机制
导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1
北京大学 微电子学研究所
1. 半导体的结构
漂移项
扩散项
北京大学 微电子学研究所
爱因斯坦关系
Dn
kBT q
n
Dp
kBT q
p
波耳兹曼关系
n nieq( f )/ kT p nieq( f )/ kT
费米势
f
EF q
方程形式2
Jn qnnn
J p qn pp
电子和空穴的准费米势：
n
kT q
ln
n ni
北京大学
p
微
电
子
学
kT ln q 研究所
qDp
dp dx
爱因斯坦关系:
D kT
q
北京大学 微电子学研究所
过剩载流子的扩散和复合 过剩载流子的扩散过程
扩散长度Ln和Lp: L=(D)1/2 过剩载流子的复合机制：
直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合
北京大学 微电子学研究所
描述半导体器件工作的基本方程
泊松方程
高斯定律
描述半导体中静电势的变化规律
量子态和能级 固体的能带结构
原子能级
能带
北京大学 微电子学研究所
共价键固体中价电子的量子态和能级 共价键固体：成键态、反键态
原子能级
反成键态
成键态
北京大学 微电子学研究所
半导体的能带结构
导带
Eg
价带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
静电势为 常数
q
ND
N
A
p
n
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电流连续方程
可动载流 子的守恒
电子：
n t
1 q
jn
G
R
空穴
p t
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 q
jp
G
R
热平衡时： 产生率＝复合率 np=ni2
北京大学 微电子学研究所
电流密度方程
载流子的输运方程
方程形式1
在漂移－扩散模型中
jn qnn E qDnn
jp q p p E qDpp
原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 构 成 一 个正四 面体， 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构
北京大学 微电子学研究所
半导体的结合和晶体结构
金刚石结构
半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS
北京大学 微电子学研究所
2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子