电性材料分类和应用
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禁带：允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称
为禁带。导带的底能级为Ec，价带的顶能级为Ev， Ec和 Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。
体块硅的能带示意图
GaN能带图
3.1.2 导体、半导体和绝缘体区别的能带论解释
导体的能带结构： 价带部分填入 价带被填满
绝缘体的能带结构： 价带为满带，
禁带较宽 ΔEg≈3～6 eV
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
在常温下，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。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
Electron conduction in n-type semiconductors (and metals)
(-) e- e- e- e-
(+)
Hole conduction in p-type semiconductor
Байду номын сангаас
(-) e- e- e- e- e-
(+)
e- e- e- e-
e-
e- e- e-
能级：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定
的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每 个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子 按能级分布。
原子结构示意图
能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离
很近，从而导致离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使 电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似 壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去， 这种现象称为电子的共有化。电子的共有化使本来处于同一 能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩 展为能带。
非金属：如石墨、C3K、 C24S6等；
可用作耐腐蚀导体和导电填料等。
3.1.4 半导体材料
本征半导体 元素半导体
杂质半导体
无机半导体 半导体材料 （按化学成份） 有机半导体
化合物半导体
半导体材料 （按结构形态）
晶态半导体 非晶态半导体
硅和锗——第一代半导体材料
相同点：具有灰色、金属光泽的固体，硬而脆，金刚石
e- e-
PN结(PN-junction)
不同的材料，由于禁带宽度不同，导带中的电子数目不同， 从而有不同的导电性。 本征半导体， n 型半导体， p型半导体
本征半导体：是指不含杂质的半导体；通常由于载流
子数目有限，导电性能不好。
N型半导体：在本征半导体中掺入5价元素，载流子多
数为电子。杂质能级—施主能级
电性材料分类和应用
• 导体、半导体和绝缘体材料 • 超导材料 • 铁电、压电、热释电和介电材料
3.1 导体、半导体和绝缘体材料
导体的电阻率 10-5 ~ 10-4Ω·cm 半导体的电阻率 10-4 ~ 1010Ω·cm 绝缘体的电阻率 1010 ~ 1014Ω·cm
3.1.1导体、半导体和绝缘体的区别 ——能带理论
结构，间接带隙半导体材料.
不同点：
室温本征电阻率 禁带宽度
硅 2.3×105Ω·cm
1.12 eV
锗 50Ω·cm 0.66 eV
锗比硅的金属性更为显著 硅、锗都溶解于HF-HNO3混合酸。
非晶 多晶 单晶
一、本征半导体——化学成分纯净的半导体。
制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常 称为“九个9”。
H+H
H2
金属中电子的共有化
允许带：允许被电子占据的能带称为允许带，原子壳层中
的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的 外面一层的允许带。
价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级
相对应的能带称为价带。
导带：价带以上能量的最低的允许带称为导带。 满带：被电子占满的允许带称为满带； 空带：每一个能级上都没有电子的能带称为空带。
半导体的能带结构： 价带为满带，
禁带宽度 ΔEg≈0～2 eV
载流子：导体和半导体的导电作用是通过带电粒子的运动
（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。
导体的载流子是自由电子； 半导体的载流子是带负电的电子和带正电的空穴。
Electron / Hole Conductivity
Semiconductor
Band gap holes
electrons Band gap
EFp= EFn
Valence Band
Valence Band
3.1.3 导体材料
金属：如银、铜、铝等；
可用作电缆材料，电池材料，电机材料，开关材料， 辐射屏蔽材料，传感器材料等；
合金：如黄铜、镍铬合金等；
可用作电阻材料和热电偶材料；
本征激发和复合的过程
可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现 的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到 空穴中去，称为复合。 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强，温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点。
P型半导体：在本征半导体中掺入3价元素，载流子多
数为空穴。杂质能级—受主能级
p
n
p
n
Conduction Band
Band gap EFp
holes Valence Band
Conduction Band electrons EFn Band gap
Valence Band
Conduction Band Conduction Band
Ge
Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个， 构成稳定结构。
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
二、杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。
N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶 体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有 五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必 定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而 成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。 每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。
为禁带。导带的底能级为Ec，价带的顶能级为Ev， Ec和 Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。
体块硅的能带示意图
GaN能带图
3.1.2 导体、半导体和绝缘体区别的能带论解释
导体的能带结构： 价带部分填入 价带被填满
绝缘体的能带结构： 价带为满带，
禁带较宽 ΔEg≈3～6 eV
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
在常温下，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。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
Electron conduction in n-type semiconductors (and metals)
(-) e- e- e- e-
(+)
Hole conduction in p-type semiconductor
Байду номын сангаас
(-) e- e- e- e- e-
(+)
e- e- e- e-
e-
e- e- e-
能级：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定
的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每 个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子 按能级分布。
原子结构示意图
能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离
很近，从而导致离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使 电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似 壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去， 这种现象称为电子的共有化。电子的共有化使本来处于同一 能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩 展为能带。
非金属：如石墨、C3K、 C24S6等；
可用作耐腐蚀导体和导电填料等。
3.1.4 半导体材料
本征半导体 元素半导体
杂质半导体
无机半导体 半导体材料 （按化学成份） 有机半导体
化合物半导体
半导体材料 （按结构形态）
晶态半导体 非晶态半导体
硅和锗——第一代半导体材料
相同点：具有灰色、金属光泽的固体，硬而脆，金刚石
e- e-
PN结(PN-junction)
不同的材料，由于禁带宽度不同，导带中的电子数目不同， 从而有不同的导电性。 本征半导体， n 型半导体， p型半导体
本征半导体：是指不含杂质的半导体；通常由于载流
子数目有限，导电性能不好。
N型半导体：在本征半导体中掺入5价元素，载流子多
数为电子。杂质能级—施主能级
电性材料分类和应用
• 导体、半导体和绝缘体材料 • 超导材料 • 铁电、压电、热释电和介电材料
3.1 导体、半导体和绝缘体材料
导体的电阻率 10-5 ~ 10-4Ω·cm 半导体的电阻率 10-4 ~ 1010Ω·cm 绝缘体的电阻率 1010 ~ 1014Ω·cm
3.1.1导体、半导体和绝缘体的区别 ——能带理论
结构，间接带隙半导体材料.
不同点：
室温本征电阻率 禁带宽度
硅 2.3×105Ω·cm
1.12 eV
锗 50Ω·cm 0.66 eV
锗比硅的金属性更为显著 硅、锗都溶解于HF-HNO3混合酸。
非晶 多晶 单晶
一、本征半导体——化学成分纯净的半导体。
制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常 称为“九个9”。
H+H
H2
金属中电子的共有化
允许带：允许被电子占据的能带称为允许带，原子壳层中
的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的 外面一层的允许带。
价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级
相对应的能带称为价带。
导带：价带以上能量的最低的允许带称为导带。 满带：被电子占满的允许带称为满带； 空带：每一个能级上都没有电子的能带称为空带。
半导体的能带结构： 价带为满带，
禁带宽度 ΔEg≈0～2 eV
载流子：导体和半导体的导电作用是通过带电粒子的运动
（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。
导体的载流子是自由电子； 半导体的载流子是带负电的电子和带正电的空穴。
Electron / Hole Conductivity
Semiconductor
Band gap holes
electrons Band gap
EFp= EFn
Valence Band
Valence Band
3.1.3 导体材料
金属：如银、铜、铝等；
可用作电缆材料，电池材料，电机材料，开关材料， 辐射屏蔽材料，传感器材料等；
合金：如黄铜、镍铬合金等；
可用作电阻材料和热电偶材料；
本征激发和复合的过程
可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现 的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到 空穴中去，称为复合。 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强，温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点。
P型半导体：在本征半导体中掺入3价元素，载流子多
数为空穴。杂质能级—受主能级
p
n
p
n
Conduction Band
Band gap EFp
holes Valence Band
Conduction Band electrons EFn Band gap
Valence Band
Conduction Band Conduction Band
Ge
Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个， 构成稳定结构。
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
二、杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。
N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶 体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有 五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必 定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而 成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。 每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。