半导体材料的基本性质
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.。
半导体材料的性质和制备
半导体材料的性质和制备半导体材料是一种具有特殊性质的材料，具有电学性质介于导体和绝缘体之间。
它的电学性质具有温度敏感、电阻率渐进式降低、半导带型式可控等特点。
因此，半导体材料在现代电子技术领域的应用非常广泛，例如计算机芯片、太阳能电池板、LED灯等众多高新技术产品都需要半导体材料。
一、半导体材料的性质半导体材料的性质决定了它可以用来制作何种电子器件。
其中最关键的属性是它的电阻率。
半导体材料的电阻率介于导体和绝缘体之间，用Ohm*cm或Ohm*m表示，一般在10^-2 ~10^8之间，通过杂质掺杂可以将半导体材料的电阻率调节到所需要的范围内。
其次，半导体材料的温度敏感性是其独特性质之一。
当半导体材料温度上升时，其电导率会随之增加。
这种性质被广泛用于制造高精度温度测量器和温度控制器。
半导体材料的导带和价带之间的带隙能量也是其重要的性质。
带隙能量越小，材料的电导率越高，反之则越低。
通过控制半导体材料的带隙能量可以改变其电学性质。
半导体材料具有电学性质介于导体和绝缘体之间，与导体不同的是，半导体材料中的电子不能自由传导，但与绝缘体不同的是，半导体材料中的电子可以被激发到导电状态。
二、半导体材料的制备半导体材料的制备主要通过控制杂质掺入来改变其电学性质。
这种方法被称为半导体掺杂。
半导体材料的制备通常有以下几种方法：1. 气相扩散法这种方法是将一种气体制成相对静止的状态，使其扩散到待制成半导体材料的样品中。
杂质通过热扩散的方式将杂质掺入到半导体材料中。
这种方法制造的材料质量较高，但加工比较复杂。
2. 原位合成法这种方法是通过化学气相沉积、分子束外延等技术将杂质掺入到半导体材料中。
这种方法可以制造出高品质的单晶薄膜。
3. 离子注入法这种方法是利用离子束将杂质注入到半导体材料中。
这种方法精度高、效率高，但可能会造成杂质的残留，对杂质掺入量的控制不够精细。
4. 液相扩散法这种方法是利用化学反应，在液相中将杂质掺入到半导体材料中。
半导体材料的性质及应用
半导体材料的性质及应用半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有导电性和绝缘性。
它的导电性介于金属和非金属之间，而它的绝缘性则取决于材料中载流子的浓度。
半导体材料的性质：1. 阻带半导体材料中存在着能级间隔，其中从价带到导带的能隙被称为阻带。
在纯半导体中，电子在价带中，因此材料不能导电。
只有当外界施加功率，激发电子跃迁至导带中才会导电。
电子跃迁时释放的能量通过热传导或辐射传导，使半导体温度升高，这也被称为耗能。
2.载流子半导体的导电性能够体现出载流子的特性。
通常材料中含有非常少的自由电子和空穴，初始不具有导电性。
在加入掺杂物后，形成了n型和p型半导体。
n型半导体由元素（例如磷、氮）掺入，导致一些额外的电子存储在晶格中。
p型半导体由元素（例如铝、硼）掺入，导致一些额外的空穴存储在晶格中。
3. p-n结p-n结是半导体材料中一个非常重要的结构。
它由一个p型区域和一个n型区域组成，中间夹着一个非常薄的界面。
p-n结的导电性能够由正向偏置和反向偏置控制。
在正向偏置时，电子和空穴在结附近重新结合，导致电流的流动。
反向偏置时，由于存在阻挡电场，电流几乎不会流动。
p-n结的应用广泛，如发光二极管（LED）、太阳能电池等。
半导体材料的应用：半导体材料是当今很多电子设备的核心材料，如晶体管、集成电路、光电传感器和太阳能电池等。
这些设备的应用是基于半导体电子与光学性质之间的相互作用。
1. 晶体管晶体管是一种用于放大电信号的半导体器件。
在晶体管中，控制信号的电压可以控制大量电子或空穴的流量，从而可以控制电路的运行。
晶体管经常用于放大器和开关，可广泛应用于电视机、收音机、计算机等各种电子设备中。
2. 集成电路集成电路平均只占从前一堆晶体管和元件的约四分之一的面积，但其中蕴藏着复杂的电子电路。
集成电路可以分为数字集成电路（Digital IC）和模拟集成电路（Analog IC）。
数字集成电路通常用于计算和逻辑电路，在计算机和控制电子设备中用于控制和计算。
半导体材料的基本性质及应用前景
半导体材料的基本性质及应用前景随着人类科技的不断发展，半导体技术得到了广泛的应用。
半导体材料作为半导体技术的基础，其基本性质和应用前景也逐渐引起了人们的注意。
一、半导体材料的基本性质半导体材料具有包括导电性、光电性、热电性、感应光电性、压电性、光致发光性等在内的多种物理特性。
其中最核心的特性是导电性和不导电性。
半导体材料导电性的变化，可以通过控制半导体中杂质或缺陷的数量和类型实现。
杂质或缺陷的引入可以增强或减弱半导体的导电性。
例如，硅与锗纯净材料的导电性很弱，但加入P、N、B、As等DONOR或ACCEPTOR型杂质后，可以制备出p型或n型半导体材料。
半导体材料还具有光电性，它们与化学元素周期表上的光电发射材料相似。
半导体材料可以吸收光，电荷在导带和价带之间跃迁，从而导致光电效应。
常见的应用包括太阳能电池、光电探测器和紫外线灯等。
半导体材料的热电性可以用来制备热电材料，这种材料能够将热转换成电。
它的应用主要涉及节能和环境保护，例如，通过热电材料可以将热能转化为电能，应用于废气排放泄露的能量回收。
二、半导体材料的应用前景半导体技术以其稳定的性能、小型化的尺寸、易制备的成本、低功耗的特点等，日益成为信息技术、光电技术、新材料技术、环境保护技术等领域的重要基础材料。
以下几个方向是半导体材料未来的主要应用领域：1、新型显示屏随着信息技术的不断发展，显示屏在我们的生产和生活中发挥着越来越重要的作用。
半导体材料的光电性和导电性使其成为新一代显示技术的必需品。
例如，OLED技术已经得到了广泛的应用，其特点是超薄、超亮、超清、超省电，非常适合移动设备、电视以及广告牌等领域。
2、光电器件光电探测器、半导体激光器、光电开关、光电晶体管、光电倍增管等光电器件的应用正迅速扩展。
半导体材料的光电性使其非常适合用于制造光电器件，以便高效地转换光和电。
3、太阳能电池半导体材料的光电性是太阳能电池得以进行光电转换的重要基础材料。
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。
半导体材料的性质及在电子行业的应用
半导体材料的性质及在电子行业的应用半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有一些独特的性质和特点，因而在电子行业中有着广泛的应用。
本文将简要介绍半导体材料的性质和应用。
一、半导体材料的性质1.导电性能。
半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。
与导体相比，半导体的导电性能较弱，但比绝缘体要强。
通常情况下，半导体的导电性能受温度、掺杂浓度等因素的影响，可以通过控制这些因素来改变半导体材料的导电性能。
2.禁带宽度。
半导体材料中能带的能量范围称为禁带，禁带中间的能量范围称为禁带宽度。
半导体材料的禁带宽度通常较窄，约为1eV左右，这使得半导体材料在连通和断开电路方面比绝缘体更加灵活。
3.热电性能。
半导体材料还具有一些特殊的热电性能。
例如，热电效应使得半导体材料可以将温度变化转化为电压输出。
这种特性在温度传感器方面有着广泛的应用。
二、半导体材料应用于电子行业1.半导体芯片。
半导体芯片是半导体材料最重要的应用之一。
半导体材料可以制成各种芯片，如处理器芯片、内存芯片、传感器芯片等。
这些芯片是电子设备的核心，它们的性能直接影响到设备的整体性能。
2.光电设备。
半导体具有较好的光电特性，如光电转换和发光等。
在光电设备方面，半导体材料可以用于制造光电二极管、太阳能电池板、LED灯等。
这些设备在通信、光学、能源等领域有着广泛的应用。
3.传感器。
半导体材料的热电、光电等特性使得其可以用于制造各种传感器。
例如，压力传感器、温度传感器、光传感器等。
这些传感器在工业生产、汽车行业、医疗行业等多个领域都有广泛的应用。
4.功率器件。
功率器件是电子行业中必不可少的元器件，半导体材料可以制成各种功率器件，如三极管、场效应管、晶闸管等。
这些器件在电力、电动车、电子制造等领域有着广泛的应用。
总体而言，半导体材料具有独特的性质和特点，可以制成各种电子器件，应用于多个领域。
随着半导体技术的不断发展和进步，半导体材料在电子行业中的应用也会越来越广泛，为我们的生活带来更多的便利和高科技体验。
半导体材料基础_基本特性
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
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋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。
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
半导体的掺杂分类
本征半导体 杂质半导体：n型、p型
受 主 掺 杂
B
受主能级
施 主 掺 杂
施主能级
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。
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。
气体传感器中半导体材料性能的研究和应用
气体传感器中半导体材料性能的研究和应用气体传感器是一种非常重要的传感器类型，在很多领域都有广泛的应用。
其中，半导体气体传感器是其中一类性能较为优异的气体传感器。
半导体气体传感器的工作原理是基于半导体材料的电学性质变化来实现对气体浓度的检测。
因此，对于半导体材料本身的性能研究具有很大的重要性，并且也直接决定了半导体气体传感器的应用性能。
一、半导体材料的基本性质半导体是介于导体和绝缘体之间的一种物质。
半导体材料具有一些独特的电学性质，如光电效应、热电效应、半导体正负载流特性、PN结等。
因此，半导体材料广泛应用于电子信息技术中。
半导体材料的基本性质可以分为以下几个方面。
1. 能带结构能带理论是描绘半导体材料电学特性的基本理论。
能带结构分别为导带和价带，其中导带带隙与价带带隙之间存在禁带宽度。
在室温下，半导体的禁带宽度一般在1.1eV-4.08eV之间。
2. 晶体结构半导体材料具有晶体结构，所有晶体结构均是在空间点阵之上所排列出的原子序列。
常用的半导体材料包括硅、锗、砷化镓等。
晶体结构对于半导体材料的电学性质以及气敏性能均有着重要影响。
3. 费米能级费米能级是描述半导体材料中电子运动的基本概念。
费米能级高度将会决定半导体材料在电学特性上表现出导体或绝缘体的性质。
费米能级还决定了半导体材料中载流子浓度的大小。
二、半导体材料在气体传感器中的应用半导体材料在气体传感器中的应用主要是基于气敏机理来实现气体浓度的检测。
气敏机理可以分为两种类型，一种是化学吸附作用，另一种是电学效应。
化学吸附作用主要是通过吸附物对半导体发生表面化学反应，从而形成半导体表面的不均匀性，进而影响电学性质。
这种气敏机理的检测方法主要是基于阈值电压或电流的变化来实现气体浓度的测量。
电学效应主要是通过半导体材料的电学特性变化实现气体浓度的检测。
电学效应的气敏机理可以分为PN结气敏电阻效应、PN结气敏电容效应、MOS气敏电容效应等几种。
在具体的应用领域中，半导体气体传感器有着很广泛的应用。
半导体的性质
半导体的性质半导体是一种特殊的材料，它具有绝对电导率和几乎绝对的绝缘性，使它成为电子器件的关键材料。
近半个世纪以来，半导体材料的研究和应用得到了蓬勃发展，并在改变着我们的生活方式。
本文将简要介绍半导体的基本性质，以及它如何影响我们的日常生活。
一、半导体的性质1.定义半导体是一种材料，具有中间的电导率，既比金属高，又比绝缘体低。
它介于绝缘体和导体之间，用于将电能传递给物理设备。
半导体由晶体结构的离子组成，其中一些离子是带电的，可以传导电流。
2.电子结构半导体由电子、孔和离子组成。
电子是组成晶体结构的最小粒子，它们在晶体结构中运动，可以传导电流。
孔是晶体结构中的空位，它们可以吸收电子，形成局域态（电子活动区域）。
离子是晶体结构中的带电粒子，它们可以吸收电子，形成另一个局域态（离子活动区域）。
3.电子能带半导体电子能带是一种电子活动区域，由电子和空位（孔）组成。
它有两个部分：电子能带总体和电子能带禁带。
电子能带总体包括从最低到最高能级的能带，它们可以传导电流，也就是电子传导性。
电子能带禁带是一个禁止电子传导的区域，其高度要低于电子能带总体，因此它们不能传导电流，也就是绝缘性。
4.半导体的类型半导体的类型可以分为半导体和半导体半导体。
半导体半导体是一种由半导体结构组成的半导体，它包括金属半导体、半导体材料，以及混合半导体材料。
金属半导体是一种由金属原子构成的半导体材料，具有较高的电导率，但具有绝缘性。
半导体材料是一种由碳原子构成的半导体材料，具有较低的电导率，但具有几乎绝缘性。
混合半导体材料是一种由金属和碳原子构成的半导体材料，具有中间的电导率，既比金属高，又比绝缘体低，可以将电能传递给物理设备。
二、半导体的应用1.晶体管晶体管是一种由金属半导体和碳半导体组成的三极管。
它是由一个金属半导体封装在一块碳半导体上，金属半导体是收集极，碳半导体是基极，晶体管可以控制电流的流向，从而控制电流的大小。
晶体管可以将一个微弱的电流放大，也可以将一个强电流压缩，是一种关键的电子器件。
半导体材料的基本性质
N型半导体的概念
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
V族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电 子并形成正电中心，称为施主杂质。
施主电离能和施主能级
2.3 半导体中的杂质和缺陷
2.3.1 本征半导体 2.3.2 n型半导体 2.3.3 p型半导体
2.3.1 本征半导体
完全纯净、结构完整的 半导体晶体称为本征半 导体。
本征半导体也存在电子 和空穴两种载流子
但电子数目n和空穴数目 p一一对应，数量相等， n＝p。
•传导电子
•导带
•空穴
电流密度
•V •E
•L
电流密度是指通过垂直于电流方向的单位 面积的电流
均匀导体，电流密度 电场强度 欧姆定律的微分形式
迁移率
假设电子平均速度为vd，电子浓度为n，电流密度为
平均速度和电场强度成正比 电流密度 电导率
称为电子迁移率，表示单位场强下电子的平均漂移 速度
2.4.2 电导率
晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原 子核势场以及其它大量电子的平均势场中运动
大量电子的平均势场也是周期性变化的，而且它的周 期与晶格的周期相同。
两者的共同点在于都有一个恒定的势场。 因而可以先分析自由电子的状态，接着再考虑加上一
个平均场后的电子状态
（1）自由电子的薛定谔方程
自由电子与时间因素无关，因而波函数可以表 示为：
•E1＝－13.6 eV
多电子原子能级
晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小，原 来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠：
半导体材料是什么
半导体材料是什么半导体材料是一种特殊的材料，具有介于导体和绝缘体之间的导电性质。
在它的基础上，可以制造出各种电子元器件，如晶体管、二极管和集成电路，广泛应用于现代电子技术领域。
本文将对半导体材料进行详细介绍。
半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间，这是因为它的能带结构与导带和价带之间的带隙相对较小。
在绝缘体中，带隙较大，导电能力很弱，而在导体中，带隙几乎不存在，所以导电能力很强。
半导体材料的导电能力可以通过控制材料成分、杂质掺入和温度等因素来调节。
半导体材料的导电性质是由其原子结构和能带结构决定的。
在半导体材料中，每个原子都有四个价电子，这四个价电子可以与相邻原子共享，形成共价键。
共价键的形成使得半导体材料中的原子形成一个有序的三维晶格结构。
在这个结构中，能带被划分为价带和导带两个部分。
价带是最高能级的带，它的电子是不自由移动的。
导带是比价带能级更高的带，它的电子可以自由移动，并且可以传递电流。
半导体材料的导电能力与其带隙的大小有关。
带隙是价带和导带之间的能量差，当带隙较小时，电子可以通过吸收辐射或热激发等方式从价带跃迁到导带，形成导电。
这种导电方式被称为本征导电。
而当带隙较大时，电子很难从价带跃迁到导带，因此导电能力很弱。
半导体材料的导电性还可以通过掺杂来调节。
掺杂是在半导体材料中加入一些掺杂原子，这些原子与半导体原子有不同的电子和空穴能级，从而改变材料的导电性质。
根据掺杂原子的电子能级，掺杂可以分为n型和p型。
n型半导体是通过掺入能够提供自由电子的杂质原子，导致导带电子浓度增加，从而增加了导电性。
p型半导体是通过掺入能够接受电子的杂质原子，导致价带空穴浓度增加，从而增加了导电性。
半导体材料在现代电子技术中有着广泛的应用。
晶体管是半导体技术最重要的应用之一，它是一种能够控制电流的电子元器件。
通过控制晶体管的电子流，可以实现放大信号、开关电路和数字逻辑运算等功能。
集成电路是将数亿个晶体管和其他电子元器件集成在一起制成一个芯片，广泛应用于计算机、手机、电视等各个领域。
半导体材料的性质与应用
半导体材料的性质与应用随着信息时代的到来，半导体材料的应用越来越广泛。
在计算机、通信、电子、光电等领域中，半导体材料已经成为必不可少的材料之一。
那么，半导体材料具有怎样的性质呢？它的应用又有哪些方面呢？本篇文章将详细介绍半导体材料的性质与应用。
一、半导体材料的性质半导体材料的电导率介于金属与非金属之间，其导电性能在低温下较差，在高温下表现出非线性的特点。
半导体材料通常具有以下性质：1. 半导体材料的电导率可由材料的掺杂（即：添加少量杂质原子）来改变。
掺杂过程中添加的杂质原子又称为施主或受主，它们可引起半导体电子或空穴的增加，从而改变材料的导电性能。
2. 半导体材料的锗、硅等常用材料存在于红、近红外光谱范围，可直接将其变为光电器件。
3. 半导体材料具有热敏特性，随着温度升高，材料电导率增大，须进行温度补偿，即根据电导率与温度之间的关系，在测量时进行数据修正。
4. 半导体材料不能像导体那样均匀地传递电子，而是只能沿着特定的方向传输电子。
该方向垂直于晶体中原子排列的基矢量方向。
这种特性被称为“整流性”。
利用半导体材料的整流特性，可以制成二极管、晶体管等电子器件。
二、半导体材料的应用1. 电子器件方面半导体材料的应用于电子器件，是半导体产业发展的重要方向之一。
电子器件主要包括二极管、三极管、场效应管、光电二极管、太阳能电池和集成电路等。
其中，集成电路是现代电子技术的核心和重点。
它是由几千万个晶体管、电容器和电阻器等元器件组成的微型电路，具有体积小、功耗低、工作可靠等特点。
集成电路技术已被广泛应用于计算机、通信、军事、医疗等领域。
2. 光电子学方面半导体材料也被广泛应用于光电子学领域。
半导体激光器、LED等光电器件已广泛应用于光通信、光储存、显示器、照明等领域。
激光器由于其具有单色性好、方向性强等特点，已成为医疗、工业、军事等领域不可或缺的光源。
3. 环保能源方面半导体材料也可应用于环保能源领域，如太阳能电池、燃料电池等。
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。
半导体材料属于什么材料类别
半导体材料属于什么材料类别半导体材料是一类非金属固体材料，在材料学中具有特殊的地位。
它同时具有导电性和绝缘性的特征，因此被称为半导体材料。
半导体材料在现代电子学和光电子学领域有着广泛的应用，例如在电子器件、光电器件等方面发挥着重要作用。
半导体材料的基本性质半导体材料的导电性介于传导性材料（金属）和绝缘性材料之间。
其导电性通常是掺杂后的结果。
半导体材料中加入掺杂物（如硼、砷等）可以改变其电子结构，从而调节其导电性。
在掺杂后，半导体材料可以呈现出n型或p型半导体的特性，也可以用于制造二极管、晶体管等电子器件。
此外，半导体材料在光电特性方面也表现出色。
通过光照或施加电场等方法，可以改变半导体材料的光电性质，例如光电导率、光电电导率等。
这使得半导体材料广泛应用于光电器件的制造中，如太阳能电池、光电导管等。
半导体材料的主要类别半导体材料根据其化学成分和晶体结构可以分为多种类别。
常见的半导体材料主要包括：1.硅（Si）：硅是最常见的半导体材料之一，具有稳定的化学性质和良好的晶体结构，广泛用于集成电路和太阳能电池等领域。
2.锗（Ge）：锗是另一种重要的半导体材料，其导电性能优于硅，也在一些特定应用中有所应用。
3.砷化镓（GaAs）：砷化镓是III-V族半导体材料，具有较高的电子迁移率和光电特性，常用于高频电子器件和光电器件。
4.硒化镉（CdSe）：硒化镉是II-VI族半导体材料，通常用于光电探测器和荧光材料等领域。
5.氮化镓（GaN）：氮化镓是一种宽禁带半导体，具有优良的电子迁移率和耐高温性能，被广泛应用于LED器件、激光器件等领域。
以上是一些常见的半导体材料类别，它们在电子学、光电子学以及新能源领域具有重要的应用价值。
结语半导体材料作为一类特殊的材料，在现代科技领域有着不可替代的作用。
其独特的导电性能和光电性质使其成为电子器件和光电器件制造中必不可少的材料之一。
随着科技的不断发展，相信半导体材料将会在更多领域展现其巨大潜力。
半导体物理学基础知识
半导体物理学基础知识半导体是一种固体材料，它的电导率介于导体和绝缘体之间，因而得名。
半导体的特殊性质使得它在电子学、光电子学、计算机科学等众多应用领域具有重要的地位。
本文将介绍半导体物理学的基础知识，包括半导体材料的结构和性质，电子在半导体中的运动和掺杂等方面。
一、半导体材料的结构和性质半导体材料的基本结构由四个元素构成：硅、锗、砷和磷。
这些元素除了硅和锗是单质以外，其余的都是化合物。
半导体材料的晶体结构通常为立方晶体或四面体晶体。
半导体材料的电性质由其晶格结构和掺杂情况决定。
在材料内的原子构成规则的晶格结构中，每个原子都有定位，并与其他原子通过化学键相互链接。
晶格结构可以分为晶格点和间隙两个部分。
如果每个原子都占据晶格点，那么该半导体材料的结构就是类似于钻石的结构，实际上就是一个绝缘体。
但是，如果一些晶格点中有缺陷，或是有一些原子没有在晶格点上占据位置，则可以导致半导体材料成为电导率介于导体和绝缘体之间的半导体。
在半导体材料中，掺杂是一种常用技术，对于改变其电性质尤其有效。
掺杂就是在半导体中加入少量的另一种元素，以改变其电子结构和电导率。
掺杂元素是指半导体材料中所加入的杂质原子。
它们可以分为两类：施主和受主。
施主原子是比半导体材料中的原子更多的元素（例如磷或硼），在它占据晶格点时，它的外层电子一般比材料中的原子多，这些电子比较容易脱离施主原子并移动到其他位置，从而形成了自由电子。
受主原子是原子数比材料中的原子少的元素（例如锑或砷），因此它会在晶体中形成一些空位。
与施主原子不同的是，受主原子会接受电子，从而形成电子空穴。
二、电子在半导体中的运动在半导体中，电子的运动可以由以下几个方面来描述：载流子流动、漂移、扩散、复合效应。
载流子是电子在半导体中运动的基本单元，携带带电粒子的特性。
在半导体中，载流子通常包括自由电子和空穴。
电子的自由运动和空穴的自由运动是载流子流动的两种形式。
载流子流动的基本原理是，施主和受主原子的掺杂，带来了半导体内部电子和空穴的浓度不平衡，因此会发生电场和电流。
半导体材料的性质和应用
半导体材料的性质和应用半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊材料，广泛应用于电子行业、光电行业、新能源行业等领域。
本文将简要介绍半导体材料的性质和应用。
一、半导体材料的性质半导体材料具有以下性质：1.导电性能不如金属和导体，但比绝缘体强；2.带电荷载体主要为电子和空穴；3.绝缘性能可以通过掺杂来改变；4.光电效应强，可转化为光学信号输出；5.半导体器件具有自主性，易于控制。
这些性质决定了半导体材料在电子行业中的广泛应用。
二、半导体材料在电子行业中的应用半导体材料在电子行业中有以下应用：1.芯片制造芯片是半导体材料的典型应用之一，制造芯片需要先把半导体材料进行掺杂、清洗、敷膜、光刻和刻蚀等工艺，然后制成不同功能的小型电路芯片，用来存储、处理和控制电子信息。
半导体芯片技术是当今计算机、通讯和控制系统的基础。
2.光电器件半导体材料的光电特性使其成为制造发光二极管、激光器、光敏器件、光电子器件和太阳能电池等光电器件的理想原材料。
发光二极管（LED）是半导体材料的重要应用领域之一，将电能转化为光能，具有节能、长寿命、无污染等优点。
LED已广泛应用于室内外照明、车灯、指示灯、显示屏等领域。
而激光器则是激光器、激光雕刻、激光打印等高科技工具的基础，广泛应用于航空、航天、军事、医学、安检和照明等领域。
除此之外，光敏器件主要应用于光通信、安防、成像等领域，而太阳能电池则是新能源行业重要的组成部分之一。
三、半导体材料在新能源行业中的应用半导体材料在新能源行业中的应用也十分广泛，如：1.光电池制造光电池是将太阳辐射能转化为电能的器件，由半导体材料组成。
半导体材料的光电性质决定了太阳能电池的效率和稳定性。
现在，太阳能电池正逐渐成为替代传统能源的重要选择。
2.电动汽车技术半导体材料在电动汽车技术中的应用越来越广泛，如：（1）电动车发动机和驱动器中的IGBT（绝缘栅双极晶体管）等功率半导体元件；（2）电池管理系统中电池的监测和控制，如锂离子电池的智能控制；（3）车载信息系统的处理器和传感器，如车载导航、车载娱乐、车路通信等；（4）智能电网的监测和控制等。
介绍半导体材料的物理学性质
介绍半导体材料的物理学性质半导体材料是当前最热门的材料之一，它的应用范围非常广泛。
半导体材料的特殊性质使得其在物理学、化学、电子学等领域得到了广泛的研究和应用。
在这篇文章中，我们将介绍半导体材料的物理学性质。
1.晶体结构半导体材料一般是以晶体形式存在的，晶体结构是其最基本的物理特性之一。
晶体结构是由空间排列有序的固体。
半导体材料的晶体结构可以分为四种：简单立方晶体、面心立方晶体、体心立方晶体和密堆积晶体。
每种晶体结构都有自己的特殊性质和应用领域。
2.能带结构在半导体材料中，电子的行为和能量是非常重要的性质。
电子的能量和位置在半导体中取决于能带结构。
一个固体的能带结构决定了它的导电性质、光学性质和吸收性质。
半导体材料中的能带结构可分为导带和价带。
导带中的电子比价带中的电子具有更高的能量，它决定半导体的导电性质。
当电子从导带跃迁至价带时，会释放出能量，同时形成光子，即半导体发光。
3.掺杂掺杂也是半导体材料的一种重要属性。
掺杂是将不同原子或分子加入到半导体材料中，以改变材料原本的电学性能。
这样可以使半导体材料的导电性质更加灵活和多样化。
掺杂可以分为两种：p型掺杂和n型掺杂。
在p型掺杂中，掺杂的原子通常是铝、硼等元素，它们会制造电子空穴，从而增加半导体的阳极区间导电性。
而在n型掺杂中，掺杂的原子通常是磷、硼等元素，它们会增加半导体电子的数目，从而增加半导体的阴极区间导电性。
4.击穿当半导体材料的电场强度足够强时，会产生击穿现象，这会导致电子流的急剧增加。
该现象通常发生在某些特殊的材料和器件中，如晶体管和LED等。
击穿通常是由于电子和空穴大量被电场加速而击穿到价带和导带之间而引起的，形成了一个极高的电流，通常可以用击穿电压来描述。
5.热引导半导体材料中的热电导性质是另一种重要的物理属性。
我们知道，在金属中，减少温度可能导致电阻率的下降。
而在半导体中，减少温度可能导致电阻率升高。
半导体材料中的热引导本质上是从混杂势导出的。
半导体材料的基本性质
a） N型半导体 b）P型半导体
对于N型半导体，其少数载流子的浓度p为
ni 2 ni 2 p n ND
对于P型半导体，其少数载流子的浓度n为
ni 2 ni 2 n p NA
1.4.4 杂质半导体的费米能级及其与杂质浓 度的关系
杂质半导体费米能级位置 a）本征半导体 b）N型半导体 c）P型半导体
vn = -
mn
vp =
mp
1.6.2 迁移率μ
迁移率定义为在单位电场作用下的载流子的漂移速度。 电子的迁移率μn（单位为cm2/Vs）为
μn = qτ mn
则
vn = -u n E
式中，μn是一个比例常数，描述了外加电场对载流子运动影响 的程度。 迁移率与平均自由时间及有效质量有关。显然，由于电子和空 穴的运动状态不同，它们的有效质量和平均碰撞时间都是 不同的，因此半导体中的电子和空穴都有不同的迁移率。
E ' FN E ' FP np n0 p0 exp T
' ' E E 2 FN FP n i exp T
N型半导体小注入前后准费米能级偏离费米能级的程度 a）小注入前 b）小注入后
1.6载流子的漂移运动
半导体导带电子和价带空穴是可以参加导电的，它 们的导电性表现在当有外加电场作用在半导体上的 时候，导带电子和价带空穴将在电场作用下作定向 运动，传导电流，我们把该运动称为载流子的漂移 运动。
不同温度下费米分布函数随(E-EF)的变化关系
a) T=0K b)T>0K(T2>T1)
下图从左到右形象描绘出了能级分布,费米分布及 本征半导体与空穴在能带中的分布情况.
a)能级分布图 b) 费米分布曲线 c) 电子与空穴的分布d) 载流子浓度
半导体材料具有哪些主要特性
半导体材料具有哪些主要特性
半导体是一种介于导体（金属）和绝缘体之间的材料，具有一些独特的特性，
使其在电子学和光电子学领域具有重要的应用。
以下是半导体材料的主要特性：
1. 带隙能量
半导体材料具有禁带宽度，即能带隙。
这是指在材料中电子能级的变化范围，
使得材料在低温下几乎是绝缘体，而在受到刺激（例如光或热）时，电子可以跨越能带隙并变得导电。
带隙能量的大小决定了半导体的导电性质，常用电子伏特（eV）作为度量单位。
2. 控制载流子浓度
半导体材料可以通过掺杂来控制载流子（电子和空穴）的浓度，这在半导体器
件的制造中至关重要。
通过引入少量的杂质原子，可以从而增加或减少载流子的浓度，从而改变材料的导电性质。
3. 半导体器件的制造
半导体材料可通过各种加工工艺来制造成各种半导体器件，如二极管、晶体管
和光电器件等。
这些器件在现代电子技术中发挥着重要作用，推动了信息技术和通信技术的快速发展。
4. 温度特性
半导体材料的电导率和带隙能量都随温度的变化而变化。
这种温度特性使得半
导体器件在一定的温度范围内工作性能更稳定，同时也为一些特定应用提供了可能，如温度传感器等。
5. 光电特性
半导体材料在受到光照射后会产生光生载流子，这种光电性质使得半导体器件
在光电子学领域有广泛的应用，如太阳能电池、发光二极管（LED）和激光器等。
总的来说，半导体材料具有能带隙、控制载流子浓度、器件制造、温度特性和
光电特性等一系列独特的特性，使得其在现代电子学领域具有重要的应用价值。
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半导体材料硅的基本性质一．半导体材料1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下：图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下：元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。
化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。
1)二元化合物GaAs —砷化镓SiC —碳化硅2)三元化合物As —砷化镓铝AlGa11AlInAs —砷化铟铝111.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为：本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。
非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。
1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为：施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。
如磷、砷就是硅的施主。
受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。
如硼、铝就是硅的受主。
图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。
由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。
如图1.1所示。
掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。
由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。
如图1.1所示。
二．硅的基本性质1.1 硅的基本物理化学性质硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。
表1 硅的物理化学性质（300K）1.2 硅的电学性质硅的电学性质有两大特点：一、导电性介于半导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4～1010Ω·cm二、导电率和导电类型对杂质和外界因素（光热，磁等）高度敏感。
无缺陷的、无掺杂的硅导电性极差，称为本征半导体。
当掺入极微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加，称为非本征半导体。
例如，向硅中掺入亿份之一的硼，其电阻率就降为原来的千分之一。
掺入不同的杂质，可以改变其导电类型。
当硅中掺杂以施主杂质（ⅴ族元素：磷、砷、锑等）为主时，以电子导电为主，成为N型硅；当硅中掺杂以受主杂质（Ⅲ族元素：硼、铝、镓等）为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。
硅中P型和N型之间的界面形成PN结，它是半导体器件的基本机构和工作基础。
如图所示电阻率随杂质浓度的变化1.3 硅的化学性质硅在自然界中多以氧化物为主的化合物状态存在。
硅晶体在常温下化学性质十分稳定，但在高温下，硅几乎与所有物质发生化学反应。
1.硅的热氧化反应～1100℃Si + O2 → SiO2 ～1000℃Si + 2H2O → SiO2+ H2在硅表面生成氧化层，其反应程度与温度有相当大的关系，随温度的升高，氧化速度加快。
2.硅与氯气（Cl2）或氯化物（HCl）的化学反应～300℃Si + 2Cl2 → SiCl4～280℃Si + 3HCl→ SiHCl3 + H2上面两个反应常用来制造高纯硅的基本材料—SiCl4和SiHCl3。
3.硅与酸的化学反应硅对多数酸是稳定的，硅不能被HCl、H2SO4、HNO3、HF及王水所腐蚀，但可以被其混合液所腐蚀。
（1）硅与HF—HNO3混合液的化学反应Si + 4HNO3 + 6HF → H2SiF6+ 4NO2+ 4H2OHNO3在反应中起氧化作用，没有氧化剂存在，H就不易与硅发生反应。
此反应在硅的缺陷部位腐蚀快，对晶向没有选择性。
（2）硅与HF—CrO3混合液有化学反应Si + CrO3 + 8HF → H2SiF6+ CrF2+ 3H2O此混合液是硅单晶缺陷的择优腐蚀显示剂，缺陷部位腐蚀快。
（3）硅与金属的作用硅与金属作用可生成多种硅化物，如TiSi2,W Si2,MoSi等硅化物具有良好的导电性、耐高温、抗电迁移等特性，可以用来制备集成电路内部的引线、电阻等元件。
（4）硅与SiO2的化学反应1400℃Si + SiO2→ 2SiO在直拉法（CZ）制备硅单晶时，因为使用超纯石英坩埚（SiO2），石英坩埚与硅熔体会发生上述反应。
反应生成物SiO一部分从硅熔体中蒸发出来，另外一部分溶解在熔硅中，从而增加了熔硅中氧的含量，成为硅中氧的主要来源。
在拉制单晶时，单晶炉内须采用真空环境或充以低压高纯惰性气体，这种工艺可以有效防止外界沾污，并且随着SiO蒸发量的增大而降低熔硅中的氧含量，同时，在炉腔壁上减缓SiO沉积，以避免SiO粉末影响无位错单晶生长。
1.4 硅的晶体结构和化学键1.硅的晶体结构硅晶体为金刚石结构，四个最近邻原子构成共价四面体。
如图2.1和图2.2所示。
图2.1 共价四面体图2.2 硅的晶体结构2．硅晶体的化学键硅晶体中的化学键为典型的共价键，共价键是通过价电子的共有化形成的。
具体说来，共价键是由两原子间一对自旋相反的共有电子形成的。
电子的配对是形成共价键的必要条件。
硅晶体中的每个原子都与4个最近邻原子形成四对自旋相反的共有电子，构成4个共价键。
硅原子的最外层价电子分布为3s23p2,3s能级最多能容纳2个自旋相反的电子，现已有2个自旋相反的电子配成对了。
3p能级最多可容纳6个电子，现只有2个电子。
根据洪特规则，即共价轨道上配布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。
那么，两个p电子将分别占据两个p轨道，而空出一个p轨道。
如此，硅原子的价电子配布为：3s 3p按照这种配布，s轨道的两个电子已配成对了，不能再配对。
只有p 轨道上的2个电子尚未配对，可以和最近邻原子的价电子配成两对。
这样每个原子只能和最近邻原子形成2个共价键，而实际上却是4个共价键。
这个矛盾靠轨道的杂化来解决。
硅原子的3s上的电子可以激发到3p上去，形成新的sp3杂化轨道：3s 3psp3杂化轨道有4个未配对的电子，故可以形成4个共价键。
虽然3s能级上的电子激发到3p能级上去需要一定的能量，但形成2个共价键所放出的能量更多，结果体系更趋稳定。
共价键有两个重要特性：饱和性和方向性。
所谓饱和性是1个电子和1个电子配对以后，就不能再与第3个电子配对了。
硅原子轨道杂化以后，有4个未配对的价电子。
这4个电子分别与最近邻原子中的1个价电子配成自旋相反的电子对，形成4个共价键。
因此，硅晶体中的任一原子能够形成的共价键数目最多为4。
这个特性就是共价键的饱和性。
所谓共价键的方向性是指原子只在特定的方向上形成共价键。
硅原子的四个sp3杂化轨道是等同的，各含有1/4s和3/4p成分，它们两两之间的夹角为109°28′。
所以，它们的对称轴必须指向正四面体的四角。
而且，共价键的强弱取决于形成共价键的两个电子轨道相互交叠的程度，交叠愈多，共价键愈强。
因此，硅原子结合时的4个共价键取四面体顶角方向，因为2个最近邻原子的sp3杂化轨道在四面体顶角方向重叠最大，故共价键取这些方向，这就决定了硅晶体为金刚石结构。
1.5 硅的半导体性质1. 硅原子能级图图2.3 一孤立硅原子能级图2. 硅晶体的能带结构图2.4 硅晶体的能带结构图晶体的能带代表的物理意义：反应了晶体中电子的运动状态具有介于孤立原子中电子与自由电子之间这样一种特性。
设想，固体中各个原子之间没有相互作用，相距较远，彼此孤立，那么，许多电子都处在相同的能级上。
实际上，原子通过电子，特别是外层电子的相互作用，改变了独立原子中电子的能量，N 个孤立原子的一个能级扩层或分裂成N个间隔很近的能级，组成一个能带。
如图2.5所示。
图2.5 原子能级和能带3. 导体、半导体及绝缘体的能带模型能带理论可以说明导体、半导体和绝缘体的区别，如图2.6所示。
金属导体有被电子部分占据的能带，称为导带。
在导带中，空态的能量与被占态的能量相连接。
能带填充情况很容易被外电场作用所改变，表现出良好的导电性。
半导体和绝缘体在T=0K时电子恰好填满较低的一系列能带，其余能带全空着。
最高被填充的能带与其上的空带之间隔着禁带（带隙）。
外电场很难改变其能带填充状况，因而不产生电流。
在T≠0K时，由于半导体的禁带宽度较窄，一般在1～2eV左右，会有少量电子从最高的满带（即价带）跃迁到空带（即导带），成为导电电子，同时价带中出现少量空穴，自由的电子和空穴在外电场作用下漂移运动，因此，半导体具有一定的导电性。
绝缘体的禁带较宽，这种热激发很少，所以导电性很差。
4. 硅晶体的禁带宽度Eg禁带宽度Eg是半导体材料的一个重要参数。
Eg的大小大体上和光吸收的阀值能量及光发射的光波长限相对应，即和光电应用的波长范围密切联系着。
较大的Eg有利于提高半导体器件的热稳定性。
Eg的大小还与温度有直接的关系，在一定的温度范围内Eg随T线性变化，但当T→0K 时，Eg趋于一个常数，如图2.7所示。
图2.7 Si的禁带宽度Eg随温度的变化5. 硅中杂质的能级和缺陷能级理想的硅晶体，即无缺陷无掺杂的半导体硅，禁带中没有其它能级存在，具有本征电导特性，称为本征半导体。
当掺入杂质或有缺陷时，禁带中将有杂质或缺陷能及存在，将明显影响半导体性能，对电导起主要作用。
实际半导体都会有一定的杂质，所形成有电导超过本征电导，称为杂质半导体或非本征半导体。
硅中的杂质能级如图2.8所示。
图2.8 硅中杂质能级a. 浅能级杂质在硅中的Ⅲ，Ⅴ族元素，杂质能级非常靠近价带或导带，对硅的电学性能起着关键性影响，如受主杂质硼和施主杂质磷。
b.深能级杂质在硅中，有些杂质的能级位于禁带中部，例如：金，银，铜，铁等重金属杂质。
电子和空穴可以通过这些复合中心使少数载流子寿命降低。
c.缺陷（原生缺陷和工艺诱生缺陷）半导体材料中各种缺陷也可以在禁带中产生能级，增加少子复合机率，降低少子寿命。
6. 载流子浓度载流子浓度随温度的变化如图2.9所示。
图2.9 以温度为函数且施主浓度为1015cm-3的硅样品的电子浓度7. PN结a. PN结的光生伏特效应光生伏特效应就是半导体二极管吸收光能后在PN结两端产生电动势的效应。
b. 光电转换的物理过程①吸收光能激发出非平衡电子一空穴对②非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动③非平衡电子和空穴在内建电场作用下向相反方向运动而分离，在PN结两端产生电势④将PN结用导线连接，形成电流⑤在太阳电池两端连接负载，实现了将光能向电能的转换。