半导体材料基础_基本特性
半导体材料的简介
半导体材料的简介一、引言半导体材料是一类特殊的材料，具有介于导体和绝缘体之间的特性。
它在现代电子技术中扮演着重要的角色。
本文将介绍半导体材料的定义、性质、种类以及在各个领域中的应用。
二、定义和性质2.1 定义半导体材料是一种具有能带间隙的固体材料，其导电性介于导体和绝缘体之间。
半导体的导电性主要由载流子（电子和空穴）的运动决定。
2.2 性质1.导电性：半导体的电导率介于导体和绝缘体之间，它能在外加电场或热激发下传导电流。
2.温度特性：半导体的电导率随温度的变化而变化，通常是随温度的升高而增加。
三、半导体材料的种类3.1 元素半导体元素半导体是由单一元素构成的半导体材料，常见的有硅（Si）和锗（Ge）。
3.2 化合物半导体化合物半导体是由两个或更多的元素组合而成的半导体材料，例如砷化镓（GaAs）和磷化氮（GaN）。
3.3 合金半导体合金半导体是由不同元素的合金构成的半导体材料，合金的成分可以调节材料的性质。
四、半导体材料的应用4.1 电子器件半导体材料是制造各种电子器件的重要材料，如晶体管、二极管和集成电路。
这些器件被广泛应用于电子设备、通信系统等领域。
4.2 光电子学半导体材料在光电子学中有重要应用，例如激光器、光电二极管和太阳能电池。
这些器件利用半导体材料的光电转换特性，将光能转化为电能或反之。
4.3 光通信半导体材料广泛应用于光通信领域，如光纤通信和光学传感器。
半导体激光器和光电探测器在光通信中起到关键作用。
4.4 光储存半导体材料在光存储技术中发挥重要作用，如CD、DVD等光盘的制造。
这些光存储介质利用半导体材料的光电转换和可擦写性能来实现信息存储与读取。
五、总结半导体材料是一类具有重要应用价值的材料，广泛应用于电子器件、光电子学、光通信和光存储等领域。
随着科技的不断发展，对新型半导体材料的研究和应用也在不断推进。
通过不断探索和创新，半导体材料有望在未来的科技发展中发挥更加重要的作用。
参考文献1.Bhuyan M., Sarma S., Duarah B. (2018) [Introduction toSemiconductor Materials]( In: Introduction to Materials Science and Engineering. Springer, Singapore.。
半导体基本知识总结
半导体基本知识总结半导体是一种介于导体（如金属）和绝缘体（如橡胶）之间的材料。
它的电导率介于导体和绝缘体之间，可以在特定条件下导电或导热。
半导体材料通常由硅（Si）或锗（Ge）等元素组成。
半导体具有以下几个重要特性：1. 带隙: 半导体具有能带隙，在原子之间存在禁止带，使得半导体在低温状态下几乎没有自由电子或空穴存在。
当半导体受到外部能量或掺杂杂质的影响时，带隙可以被克服，进而产生导电或导热行为。
2. 导电性: 半导体的电导性取决于其材料内部的掺杂情况。
掺杂是指将杂质元素（如硼或磷）引入半导体材料中，以改变其电子特性。
N型半导体中的杂质元素会提供额外的自由电子，增加导电性；P型半导体中的杂质元素会提供额外的空穴，也可以增加导电性。
3. PN结: PN结是由P型半导体和N型半导体通过特定方式连接而成的结构。
PN结具有整流特性，只允许电流在特定方向上通过。
当正向偏置（即正端连接正极，负端连接负极）时，电流可以自由通过；而反向偏置时，几乎没有电流通过。
4. 半导体器件: 多种半导体器件被广泛使用，如二极管、晶体管和集成电路。
二极管是一种具有正向和反向导电特性的器件，可用于整流和电压稳定等应用。
晶体管是一种具有放大和开关功能的半导体器件。
集成电路是把多个晶体管、电阻和电容等器件集成在一起，成为一个小型电路单元，用于各种电子设备。
半导体的发现和发展极大地推动了现代电子技术的进步。
它不仅广泛应用于计算机、通信设备和电子产品，还在光电子学、太阳能电池和传感器等领域发挥着重要作用。
随着半导体技术的不断发展，人们对于半导体材料与器件的研究仍在进行，为电子技术的未来发展提供了无限可能性。
第二章半导体材料的基本性质
第二章半导体材料的基本性质半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电学性质和光学性质，广泛应用于电子器件和光电器件中。
本文将从电学性质和光学性质两个方面介绍半导体材料的基本性质。
一、电学性质1.带隙：半导体材料具有带隙，即价带和导带之间的能隙。
在绝缘体中，带隙较大，电子不易通过；在导体中，带隙为零，电子容易通过。
而在半导体中，带隙较小，介于绝缘体和导体之间，可以通过掺杂和加电场的方式改变其电导性能。
2.载流子：在半导体中，电子和空穴是载流子。
在纯净的半导体中，电子和空穴的数量相等，即n型和p型半导体中电子和空穴的浓度相等。
而在掺杂半导体中，通过掺杂可以使电子或空穴的浓度增加，从而改变其电导性质。
3.本征导电性：半导体材料在纯净状态下呈现本征导电性，即电导率较低。
本征导电性是由于半导体中的有限数量的载流子引起的。
n型半导体中主要是电子导电，p型半导体中主要是空穴导电。
本征导电性可以通过掺杂来改变。
4.外加电场下的导电性：在外加电场的作用下，半导体材料的导电性能发生变化。
当正电荷提供给半导体，将推动电子向正极移动，此时半导体变为n型半导体；当负电荷提供给半导体，将推动空穴向负极移动，此时半导体变为p型半导体。
这种现象被称为电场效应，也是半导体中众多器件如二极管和晶体管的基础。
二、光学性质1.吸收：半导体材料具有宽带隙能够吸收光的性质。
当光射入半导体中，部分光能会被电子吸收，使电子从价带跃迁到导带，此时光的能量将转化为电子的动能。
不同的半导体材料对不同波长的光吸收能力不同，这种特性使半导体材料成为光电器件的重要组成部分。
2.发光：除了吸收光能，有些半导体材料还可以发光。
当电子从导带跃迁到价带时，会释放出能量，部分能量以光的形式散发出来，形成发光现象。
不同的半导体材料对应不同的发光颜色，从红光到紫光等都可以通过不同材料的跃迁产生。
3.光电效应：半导体材料的光电效应是指当光照射到半导体表面时，会产生电流。
半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质
简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数，其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出，半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值，而这些参数又与温度有关， 所以电阻率灵敏的依赖于温度，这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示， 以单位面积为底，以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度，设电场E为x方 向，在电场的作用下， 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高
伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平 均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示, 约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。
半导体材料有哪些特性及应用
半导体材料特性及应用半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有特殊的电子结构和导电性质。
半导体材料具有多种独特的特性，使其在电子、光电子、光伏和光通信等领域有广泛的应用。
半导体材料的主要特性1. 能带结构：半导体材料的电子能隙较窄，介于导体和绝缘体之间，使其在一定条件下可导电。
2. 斯特克斯位：半导体材料中的离子实栅靠近导带边缘，使电子在能带中具有很大的有效质量，有利于电子迁移。
3. 自由载流子浓度调控：通过施加外电场或调控杂质，可以有效调控半导体中的自由载流子浓度，实现半导体材料的导电性能调节。
4. 温度特性：半导体材料的电导率和载流子浓度都会随温度的变化而变化，通常表现为负温度系数。
5. 光电效应：半导体材料对光具有敏感性，可以通过光照射产生电子空穴对，实现光电转换及光电控制。
半导体材料的应用电子领域应用•集成电路（IC）：半导体材料在微电子领域中广泛应用，作为IC芯片的基础材料，实现电子元器件、逻辑电路等功能。
•太阳能电池：半导体材料通过光电效应转化光能为电能，广泛应用于太阳能电池板制造。
光电子领域应用•激光器：利用半导体材料的光电效应和电子受激辐射特性，制作激光器用于光通信、医疗等领域。
•LED：利用半导体材料的电子激发辐射特性制造发光二极管，广泛应用于照明、显示等领域。
光伏领域应用•光伏电池：利用半导体材料的光电转换特性，制造光伏电池转化光能为电能，应用于太阳能发电系统。
光通信领域应用•光纤通信：利用半导体激光器和探测器构成的光通信系统，提供高速、远距离的光通信服务。
综上所述，半导体材料由于其特殊的电子结构和性质，在电子、光电子、光伏和光通信领域有着重要而广泛的应用。
随着科学技术的不断发展，半导体材料的应用前景将更为广阔。
半导体材料基础基本特性
半导体材料的电子态和光学性 质
电子态和光学性质的基本概念
电子态：半导体材料中的电子分布 状态包括能带结构、电子密度等
电子态与光学性质的关系：电子态 决定了半导体材料的光学性质如能 带结构决定了材料的吸收光谱
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
光学性质：半导体材料对光的吸收、 反射、透射等性质包括折射率、吸 收系数等
半导体材料的电子态和光学性质的 应用：在光电子学、太阳能电池、 LED等领域有广泛应用
直接和间接带隙半导体
直接带隙半导 体：电子从价 带跃迁到导带 需要吸收能量
如硅、锗等
间接带隙半导 体：电子从价 带跃迁到导带 需要吸收能量 如砷化镓、磷
化铟等
直接带隙半导 体的光学性质： 吸收光谱较宽 发光效率较高
载流子散射：影响载流子迁移率的因素 包括晶格缺陷、杂质等
载流子浓度：影响半导体材料导电性的重 要因素
载流子复合：载流子之间的相互作用影 响半导体材料的导电性
半导体材料的能带结构
金属能带结构
金属能带结构：由电子填充的能带 电子填充：电子在能带中填充形成电子云 电子云：电子在能带中的分布状态 电子填充与能带结构：电子填充影响能带结构能带结构决定电子填充
砷化镓：具有高电子迁移率、高热导率 等优点广泛应用于高速电子器件、光电 子器件等领域
磷化铟：具有高电子迁移率、高热导率 等优点广泛应用于高速电子器件、光电 子器件等领域
碳化硅：具有高热导率、高电子迁移率 等优点广泛应用于高速电子器件、光电 子器件等领域
氮化镓：具有高电子迁移率、高热导率 等优点广泛应用于高速电子器件、光电 子器件等领域
半导体的能带结构
能带：半导体材料中电子的能量分布 价带：电子能量最低的能带 导带：电子能量最高的能带 禁带：价带和导带之间的能量区域 电子跃迁：电子从价带跃迁到导带产生电流 半导体的导电性：取决于电子在能带中的分布和跃迁情况
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）
半导体基础知识
现代电子学中，用的最多的半导 体是硅和锗，它们的最外层电子 （价电子）都是四个。
Ge
Si
电子器件所用的半导体具有晶体结构，因 此把半导体也称为晶体。
2、半导体的导电特性
1）热敏性 与温度有关。温度升高，导电能力增强。 2）光敏性 与光照强弱有关。光照强，导电能力增强 3）掺杂性 加入适当杂质，导电能力显著增强。
图 二极管的结构示意图 (a)点接触型
(2) 面接触型二极管—
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
往往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。
(b)面接触型
(3) 平面型二极管—
(c)平面型 图 二极管的结构示意图
2、分类
1）按材料分：硅管和锗管 2）按结构分：点接触和面接触 3）按用途分：检波、整流…… 4）按频率分：高频和低频
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区
扩散运动 (浓度差产生)
阻挡多子扩散
2）内电场的形成及其作用{ 促进少子漂移 漂移运动
P型半导体
、所以扩散和 移这一对相反－ － － － － － 运动最终达到 衡，相当于两－ － － － － － 区之间没有电－ － － － － － 运动，空间电 区的厚度固定－ － － － － － 变。
在常温下，由于热激发，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。
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。
半导体材料有哪些基本特性
半导体材料基本特性在当今科技领域，半导体材料是一类关键的材料，在电子、光电子和通讯领域具有广泛应用。
半导体材料与金属和绝缘体都有着截然不同的特性。
下面将介绍半导体材料的一些基本特性。
导电性半导体材料的导电性介于金属和绝缘体之间。
在室温下，半导体的电导率比绝缘体高，但远远低于金属。
这是因为半导体材料具有能带结构，在绝缘体中，能带带隙很大，电子难以从价带跃迁到导带，因此导电性很差；而在金属中，能带带隙几乎为零，使得电子自由跃迁，导电性很好。
而在半导体中，能带带隙介于绝缘体和金属之间，当半导体受到外部激发（如光或热）时，电子可以跃迁到导带，形成电流，导致导电性增加。
光吸收和发射半导体材料还具有光吸收和发射的特性。
当光线照射在半导体表面时，光子能量被半导体吸收，激发半导体内的电子跃升至激发态，形成激子。
当激子重新组合时，释放出能量，发出辐射光。
这种光发射现象被广泛应用于半导体激光器、LED 等领域。
能带结构半导体的能带结构是其特有的性质之一。
能带结构包括导带和价带，两者之间的能隙是半导体的重要指标。
当传输能量较小的电子从价带跃迁到导带时，半导体呈现导电性，而当没有足够能量的光子作用时，电子则不能跃迁到导带，半导体呈现绝缘性。
温度特性半导体材料的电学性质与温度密切相关。
一般来说，在半导体中，随着温度升高，电阻率会降低，导电性将增强；而在一些特殊情况下，随温度升高，半导体的导电性也可能会降低。
这种温度特性是半导体器件稳定工作的重要因素之一。
杂质控制半导体材料的纯度对其性能有着重要影响。
在制备半导体材料时，必须严格控制杂质的含量，尤其是掺杂控制。
通过掺入不同种类的杂质元素，可以调节半导体的电学性质，如增加或减小导电性等。
因此，对杂质的控制是确保半导体器件稳定性和可靠性的关键要素。
综上所述，半导体材料具有独特的导电性、光吸收和发射特性、能带结构、温度特性和杂质控制等基本特性，这些特性使得半导体材料在现代电子、光电子和通讯领域发挥着重要作用。
半导体是啥材料
半导体材料的特性和应用
半导体材料是一类在导电性能上介于导体和绝缘体之间的材料。
它的电导率介
于金属和绝缘体之间，因此在电子学中具有重要的应用价值。
半导体材料的特性主要取决于其电子结构和晶格结构。
主要特性：
1.能带结构：半导体材料的能带结构决定了其导电性能。
在晶体中，
价带和导带之间存在一个带隙，只有当外加能量足够大时，电子才能从价带跃迁到导带。
2.载流子：半导体中存在两种载流子，即电子和空穴。
在摄氏零度时，
半导体中几乎没有自由载流子存在，而在升温时，电子和空穴会被外加电场或光照激发出来，从而形成电流。
3.掺杂：通过加入少量的杂质可以改变半导体的导电性能。
掺杂有两
种类型：N型掺杂和P型掺杂，分别用掺入施主杂质和受主杂质来增加载流
子的浓度。
应用领域：
1.电子器件：半导体材料是电子器件制造的重要基础材料，如二极管、
晶体管、集成电路等，广泛应用于电子产品中。
2.光电领域：半导体材料还可用于光电器件的制造，如太阳能电池、
激光器、LED等，对光电转换具有重要作用。
3.传感器：利用半导体材料的特性，可以制造各种传感器，如光敏传
感器、压力传感器、温度传感器等，用于检测环境中的各种信号。
4.通信：半导体材料在通信领域中应用广泛，如光通信系统、微波器
件等，为信息传输提供必要的支撑。
总的来说，半导体材料以其独特的电学特性，在现代电子领域中扮演着不可或
缺的角色，为人类社会的科技进步和生活带来了巨大便利。
半导体基础知识详细
半导体基础知识详细半导体是一种电子特性介于导体和绝缘体之间的材料。
它的电阻率介于导体和绝缘体之间，而且在外界条件下可以通过控制电场、光照、温度等因素来改变其电子特性。
半导体材料广泛应用于电子器件、太阳能电池、光电器件、传感器等领域。
1. 半导体的基本概念半导体是指在温度为绝对零度时，其电阻率介于导体和绝缘体之间的材料。
在室温下，半导体的电阻率通常在10^-3到10^8Ω·cm之间。
半导体的导电性质可以通过控制材料中的杂质浓度来改变，这种过程称为掺杂。
2. 半导体的晶体结构半导体的晶体结构分为两种：共价键晶体和离子键晶体。
共价键晶体是由原子间共享电子形成的晶体，如硅、锗等。
共价键晶体的晶格结构稳定，电子在晶格中移动时需要克服较大的势垒，因此其导电性较差。
离子键晶体是由正负离子间的静电作用形成的晶体，如氯化钠、氧化镁等。
离子键晶体的晶格结构较稳定，电子在晶格中移动时需要克服较小的势垒，因此其导电性较好。
3. 半导体的能带结构半导体的能带结构是指半导体中电子能量的分布情况。
半导体的能带结构分为价带和导带两部分。
价带是指半导体中最高的能量带，其中填满了价电子。
导带是指半导体中次高的能量带，其中没有或只有很少的电子。
当半导体中的电子受到外界激发时，可以从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
4. 半导体的掺杂半导体的掺杂是指向半导体中加入少量的杂质原子，以改变其电子特性。
掺杂分为n型和p 型两种。
n型半导体是指向半导体中掺入少量的五价杂质原子，如磷、砷等。
这些杂质原子会向半导体中释放一个电子，形成自由电子，从而提高半导体的导电性能。
p型半导体是指向半导体中掺入少量的三价杂质原子，如硼、铝等。
这些杂质原子会从半导体中吸收一个电子，形成空穴，从而提高半导体的导电性能。
5. 半导体器件半导体器件是利用半导体材料制造的电子器件，包括二极管、晶体管、场效应管、集成电路等。
二极管是一种由n型半导体和p型半导体组成的器件，具有单向导电性。
20-半导体基础知识PPT模板
电工电子技术
半导体之所以被作为制造电子器件的主要材料在于它 具有热敏性、光敏性和掺杂性。
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.1 半导体的基本特性
根据导电性能的不同，自然界的物质大体可分为导体、 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。
（2）反向偏置
给PN结加反向偏置电压，即N区接电源正极，P区接电源 负极，称PN结反向偏置，如下图所示。
由于外加电场与内电场的 方向一致，因而加强了内电场， 促进了少子的漂移运动，阻碍 了多子的扩散运动，使空间电 荷区变宽。此时，主要由少子 的漂移运动形成的漂移电流将 超过扩散电流，方向由N区指向 P区，称为反向电流。由于常温 下少子的数量很少，所以反向 电流很小。此时，PN结处于截 止状态。
（2）P型半导体
在本征半导体硅（或锗）中掺入微量三价元素硼，由 于硼原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时， 因缺少一个价电子而形成一个空穴，相邻的价电子很容易 填补这个空穴，形成新的空穴。这种半导体导电主要靠空 穴，所以称为空穴型半导体或P型半导体，如下图所示。P 型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。
2．PN结的单向导电性
（1）正向偏置
给PN结外加正向偏置电压，即P区接电源正极，N区接电 源负极，称PN结为正向偏置，如下图所示。
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。
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
价电子
共价键
空穴
自由
电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
半导体材料的基础知识
半导体材料的基础知识半导体材料是一种在现代电子学和信息技术中应用广泛的材料。
它的基础性质和应用原理可以说是当代物理学和电子技术的重要研究内容。
在本文中，我们将介绍半导体材料的基础知识。
1. 半导体材料的基本结构半导体材料通常由硅，锗，蓝宝石，碳化硅等多种材料组成。
半导体材料的结构比较复杂，但是可以分为三个主要部分：晶格结构，杂质、缺陷与材料表面。
（1）晶格结构半导体材料是由晶体结构组成的，它具有一定的周期性和对称性。
硅族元素和氮族元素晶格结构通常为立方晶系，锗和砷的晶格结构则为钻石晶系。
晶格结构的大小和组成决定了材料的物理性质。
（2）杂质、缺陷和材料表面半导体材料的表面和晶界可能存在杂质和缺陷。
杂质是指掺入半导体晶体中的不同元素，通常称为掺杂。
这种掺杂可以改变材料的特性，如电导率、热导率等，从而使其达到所需的性能。
缺陷则是材料的晶体中的结构性变化。
他们可以导致材料的导电性变化，从而影响整个电子系统的运行效果。
2. 半导体物理特性半导体材料数电子学通常被用于发展系统和设备。
因为半导体材料具有一些特殊的物理和电学特性。
（1）导电类型半导体材料的导电型别主要有p型和n型。
它们的特点在于材料中的掺杂浓度不同。
p型是指加入含有三个电子的元素，取代了材料中原来的元素。
这些三价元素可以在p型半导体中留下空位置，其中可以容纳自由电子，从而形成电子空穴。
n型半导体与p 型有所不同，它是通过向材料中掺入含有五个电子的元素来形成的，如磷、硒等元素。
这些五价元素可以提供更多的自由电子，从而导致电子流通的过程。
（2）禁带宽度半导体材料有一个固有的能带结构，这个能带称为禁带。
当材料导电时，电子从导带中被激发到价带中。
而导带和价带之间的距离称为禁带宽度。
这个宽度影响材料的电性质，并且也很重要，因为它决定了材料能否被用作半导体器件的基础。
3. 典型半导体器件半导体材料不仅可以作为电子元器件的基础材料，还可以制成各种各样的器件。
半导体基本知识
4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。 空穴的出现是半导体导电区别于导体导电的一个主要特征。
如果在本征半导体中掺入微量杂质（其他元素），形成杂质半导体，其导电 能力会显著变化。根据掺入杂质的不同，可以分为P型半导体和N型半导体。
在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的 五价元素，如磷、砷、锑等，就形成N型半 导体。杂质原子替代了晶格中的某些硅原子， 它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价 键，而多出的一个价电子很容易受激发脱离 原子核的束缚成为自由电子，但并不同时产 生空穴，相应的五价元素的原子因失去一个 电子而成为不能自由移动的带正电粒子—— 正离子，由于杂质原子可以提供电子，故也 称施主原子，如右图所示。
在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的 三价元素，如硼、铝、铟等，就形成P型半导 体。杂质原子替代了晶格中的某些硅原子， 它的三个价电子和周围四个硅原子组成共价 键，而第四个共价键因缺少一个价电子出现 空位，由于空位的存在，使邻近共价键内的 电子只需很小的激发能便能填补这个空位， 相应的三价元ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的原子因得到一个电子而成 为不能自由移动的带负电粒子——负离子， 由于杂质原子得到电子，故也称为受主原子， 如右图所示。
这种杂质半导体的多子是空穴，因空穴 带正（positive）电，所以称为P型半导体。P 型半导体中空穴的浓度比电子的浓度高得多。 当在其两端加电压时，主要由空穴定向移动 形成电流。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ii) 激子吸收
若 光 子 能 量 h<Eg, 则 跃 迁 后 的价带电子不足以跃迁到导带 ，但它可以和价带的空穴组成 电子空穴对束缚态（激子）。 即：半导体吸收光子能量，但 电子不能跃迁为自由载流子而 处于受激状态。
激子吸收不会改变半导体的导 电性。
1 m* 13.6 n E ex = 2 (eV ) 2 r m n
氧化铜、硒 整流器、曝光计
硅 检波器
1950年G.K.Teel 直拉法 较大的锗单晶
1952年H.Welker 发现Ⅲ-Ⅴ族化 合物
1957年 第一颗砷化镓 单晶诞生
进 入 成 长 期
1950 1952年G.K.Teel 直拉法 第一根硅单晶
1960
1955年德国西门子 氢还原三氯硅烷法 制得高纯硅
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） 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。
1、半导体的电子结构 (1) 能带结构 E(k)
自 由 电 子
}
-π/a
允带
}
0
π/a k
允带
}允带
绝缘体和半导体 导体
电子填充允带时,可能出现: 电子刚好填满最后一个带 最后一个带仅部分被电子占有
绝缘体、半导体和导体的能带示意图
对常见的半导体,起作用的往往是导带底附近的电子和价带顶 附近的空穴,所以主要关注带底附近和价带顶附近的能带结构. 常温下： Si：Eg=1.12ev；Ge: Eg=0.67ev； GaAs: Eg=1.43ev 绝缘体的禁带宽度：6~7ev 半导体的禁带宽度：1~3ev
As
杂质能级：杂质可以使电子在其周围 运动形成量子态
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 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。
＋4 价电子 ＋4 ＋4 共价键
整的半导体。绝对零度下，本征半导体相当于绝缘体；室温下，
＋4 空穴 ＋4
＋4 自由 电子 ＋4
导体： ρ＜10-4Ωcm 如：ρCu=10-6Ωcm 半导体：10-3Ωcm＜ρ＜108Ωcm 如：ρGe=0.2Ωcm 绝缘体：ρ＞108Ωcm 半导体
绝缘体
负的温度系数 T 电阻温度系数图
二、半导体材料的分类
微电子半导体
光电半导体 按功能和应用分： 热电半导体
微波半导体
气敏半导体 ∶ ∶ 无机半导体：元素、化合物
(1)非晶Si、非晶Ge以及非晶Te、Se元素半导体； (2)化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe非晶 半导体
3.有机半导体（组分）
有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子络合物和高 分子聚合物。 酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化脱聚丙烯 腈等导电高分子，他们都具有大π键结构。
vi) 晶格振动吸收(声子吸收)
由于光子和晶格振动的相互作用引起的中远红外谱区的光吸 收称为晶格振动吸收。直接转换为晶格振动的动能增加。
小结：以上六种吸收机制中只有本征吸收和杂质吸收能够引起非 平衡载流子，产生光电效应。其它吸收都不同程度的把辐射能转 换为热能，使器件温度升高，而不改变半导体的导电性。 带间吸收：可见~红外 波 长 增 大 方 向 激子吸收：可见~近红外 晶格振动吸收：红外~中
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
硅晶体共价键结构示意图
电子-空穴对的产生和空穴的移动
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。
按组成分：
有机半导体
按结构分：
晶体：单晶体、多晶体
非晶、无定形
1. 无机半导体晶体材料(组分)
无机半导体晶体材料包含元素、化合物及固溶体半导体。 (1) 元素半导体晶体
熔点太高、 不易制成单晶
Si
C B Te 元素 半导体
Ge Se
稀少
Sn As
低温某种固相
P
I
S
Sb
不稳定,易挥发
(2)化合物半导体及固溶体半导体
本征半导体：带隙中无能级 杂质和缺陷对能带结构的影响
在半导体的禁带中引入杂质或缺陷能级： 浅能级、深能级——影响光、电学性质
物理机制：杂质能级的产生－－晶体的势场的周期性受到破坏 而产生附加势场，使得电子或空穴束缚在杂质周围，产生局域 化的量子态即局域态，使能带极值附近出现分裂能级－－杂质 能级。
1958年 W.C.Das h无位错 硅单晶
硅外延 技术 成 熟 期
1963年 用液相外延法生长 砷化镓外延层， 半导体激光器 And then?
1960 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
1970
分子束外延MBE 金属有机化学汽相沉积MOCVD
杂质离化区 过渡区 本征激发区 n型硅中电子浓度n与温度T的关系图 （注：本征半导体ni与T是线性增加的关系）
2、半导体的电学性质 (2) 半导体的电阻率
ρ
ρ
杂质全电离， 本征激发少， 散射作用强 本征激发 为主 杂质电离， 本征激发低 T 低温 饱和 杂质半导体
本征
T
本征半导体
3、半导体的光电性质
例1 元素半导体Si、Ge
极大值
导带
极小值 导带最低能谷
价 带
硅和锗的能带结构
例2 化合物半导体GaAs
导带 禁带
(2) 半导体的掺杂 在纯净的半导体(本征半导体)中掺入一定量不同类型的杂质，并通 过对其数量和在空间的分布精确地控制，实现对电阻率和少子寿命 的有效控制，从而人为地改变半导体的电学性质，如n型半导体和p 型半导体。
c
E f = Ei E p
k ' = k q
电子的动量变化很大。而光子的动量很小， 故必须吸收或发射声子才能满足准动量守恒.
除了吸收光子之外还要吸收或发射声于的跃迁，称为间接跃 迁或非竖直跃迁。相应的材料称为间接能隙半导体材料。
间接跃迁材料的缺点
实际上在直接禁带半导体中，涉及声子发射和吸收的 间接跃迁也可能发生，即直接禁带半导体中也会发生 间接跃迁。同样，在间接禁带半导体中，也可能发生 直接跃迁。但它们不是能量最低的带间跃迁。 间接跃迁要求同时有光子和声子参加，是一个二级过 程，跃迁几率要比直接跃迁的跃迁几率小得多，相应 的吸收系数也较小。 因为光电器件一般均涉及电子的跃迁，因此间接能隙 半导体材料一般不适宜（直接）作为光电材料，尤其 不能作为发光材料。
SiC AsSe3、AsTe3、 AsS3、SbS3 Ⅳ-Ⅳ族 Ⅲ-Ⅴ族 CdS、CdTe、 CdSe、 ZnS 化合物 半导体 Ⅱ-Ⅵ族
InP、GaN、 GaAs、InSb、 InAs
Ⅴ-Ⅵ族
GeS、SnTe、 GeSe、PbS、 PbTe
Ⅳ-Ⅵ族
金 属氧化物
CuO2、ZnO、 SnO2
2. 非晶态半导体（结构）
空穴
＋4 ＋4 自由 电子 ＋4 ＋5 施主 原子 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4
＋4
＋4
＋4
空位 ＋4 ＋3 受主 原子 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4
N型半导体结构示意图
P型半导体结构示意图
2、半导体的电学性质
(1) 载流子的电导率
与半导体内的散射机制(电 离杂质、晶格振动)有关
s=se+sp s与载流子浓度和载流子迁移率有关
(1)光吸收
半导体材料中的电子吸收光子的能量，从能量较 低的状态跃迁到能量较高的状态。这种跃迁可以 发生在： 1、不同的能带之间； 2、同一能带的不同状态之间； 3、禁带中的分立能级之间； 4、禁带中的分立能级和能带之间。 以上各种吸收引起不同的吸收过程。
i) 本征吸收
定义：电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收，又 称为基本吸收。是半导体中最主要的吸收过程。 特点：伴随着电子-空穴对的产生，使半导体的电导率 增加，即产生光电导。 必要条件：引起本征吸收的光子能量必须等于或大于 禁带宽度，即 对应的波长称为本征吸收限。根据上式，可得出本征 吸收长波限的公式为
三、半导体的发展
1874年 F.Braun 金属－半导体接触 1879年Hall效应 K.Beadeker半导 体中有两种不同 类型的电荷 1870 1930
1948年 Shockley ，Bardeen, Brattain 锗晶体管 (transistor) 点接触式的
萌 芽 期
1940
1950 硅 晶体管
i) 晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动
点缺陷
缺陷的出现： 线缺陷 面缺陷 ii) 和晶体基质原子不同的杂质原子的存在 无意掺杂
空位 位错 层错
源材料和工艺 有目的控制 材料性质
杂质的出现：
有意掺杂