第一章 半导体材料绪论
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《半导体材料》
李斌斌 南京航空航天大学
《半导体材料》教材
教材： 《半导体材料》，邓志杰等编，化学工业出版社 参考书目： 1. 《半导体材料》杨树人 等编，科学出版社
2. 《半导体物理学》刘思科等编，国防工业出版社
讲课内容
第一章 绪论 第二章 半导体材料的基本性质 第三章 元素半导体材料 第四章 化合物半导体材料 第五章 固溶体半导体材料 第六章 非晶、有机和微结构半导体材料 第七章 半导体器件基础 第八章 半导体电子材料 第九章 半导体光电子材料 第十章 其他半导体材料 第十二章 半导体材料的制备
光生伏特效应是半导体材料的特有性质 之四
照片
光生伏特效应
1.1.6 半导体的特有性质－霍尔效应
1879年，霍尔(E.H. Hall) 在研究通有电流的导 体在磁场中受力，发现在垂直于磁场和电流 的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为 “霍尔效应”。 “霍尔效应”就是为纪念霍尔而命名的。 利用“霍尔效应”可以测量半导体材料的载 流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重 要参数。 霍尔效应是半导体材料的特有性质之五
第一章 绪论
1.1 半导体材料的发展简史
1.2 半导体材料的发展趋势 1.3 半导体材料的分类
1.1.1 首次报道半导体
伏特 A. Volta (1745~1827)，意大利物理学家 国际单位制中,电压的单位伏即为纪念他而命 名。 1800年，他发明了世界上第一个伏特电池， 这是最早的直流电源。从此，人类对电的研 究从静电发展到流动电，开拓了电学的研究 领域。 他利用静电计对不同材料接地放电，区分了 金属，绝缘体和导电性能介于它们之间的 “半导体”。 他在给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用 了“Semiconductor”（半导体）一词。
正、负电阻温度系数
R R
T
T
负电阻温度系数
正电阻温度系数
1.1.3 半导体的特有性质－光电导 效应
1873年，英国史密斯W.R. Smith用光照 在硒的表面，发现了硒的光电导效应， 它开创了半导体研究和开发的先河。
所谓光电导效应，是指由辐射引起被照 射材料电导率改变的一种物理现象。
1.1.2 半导体的特有性质－负电阻温度 系数
法拉第 M. Faraday (1791~1867)，英国英国物 理学家、化学家，现代电工科学的奠基者之 一。
电容的单位法（拉）即为纪念他而命名。 法拉第发明了第一台电动机，另外法拉第的 电磁感应定律是他的一项最伟大的贡献 。 1833年，法拉第就开始研究Ag2S半导体材料， 发现了负的电阻温度系数，即随着温度的升 高，电阻值下将。 负电阻温度系数是半导体材料的特有性质之 一
为了从理论上总结热辐射规律，19世纪物理学家 导出了热辐射物体的能量按发光波长分布的两个 公式：维恩公式和瑞利一金斯公式。
然而，这两个公式算出的结果，不是在长波方面 就是在短波方面与实验结果不符，物理学家为此 伤透了脑筋。
这两朵乌云给物理学界带来了革命风暴，使物理 学家发现了“新大陆”——“量子论”和“相对 论”，将人类对物质世界的认识向前推进了一大 步。
辐射能量和温度的关系
爱因斯坦的光子量子说
1905年，爱因斯坦发展了普朗克的量子说，提出 光在空间的传播也像粒子一样，称为光子或者光 量子。
单个光子的能量为
hv
玻尔的原子量子模型
1913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建 立起原子的量子理论 。
原子中的电子只能在分立的轨道上运动，原子具 有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”； 原子在这些轨道上不辐射能量 只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态，才能 吸收或辐射能量。
（1）半导体理论的发展背景
首先取得突破的是半导体理论的发展
19世纪末，英国物理学家汤姆生在展望20世纪物 理学前景时，他指出在物理学晴朗的天空里出现 了两朵令人不安的“乌云”，第一朵“乌云”出 现在光的波动理论上，第二朵“乌云”就是黑体 辐射。
黑体辐射
被加热的物体开始时会发出红光，随着温度上升， 光的颜色逐渐由红变黄又向蓝白色过渡，这种以 电磁波的形式向外传递能量的现象就叫热辐射。
照片
光电导探测器在军事和国民经济的各个 领域有广泛用途。
光电导效应是半导体材料的特有性质之 二
光电导示意图
1.1.4 半导体的特有性质－整流效应
布劳恩 K.F. Braun (1850~1918)，德国物 理学家。 布劳恩与马可尼共同获得1909年度诺贝 尔奖金物理学奖。 1874年，他观察到某些硫化物的电导与 所加电场的方向有关，在它两端加一个 正向电压，它是导通的；如果把电压极 性反过来，它就不导通，这就是半导体 的整流效应。 整流效应是半导体材料的特有性质之三
照片
霍尔效应示意图
BZ z y
b
fB x d
fE
v Ix
L
P型半导体薄片：长度为L，宽度为b，厚度为 d 磁场方向 (z方向）与薄片垂直，电流方向为x方向
1.1.7 半导体发展的限制
在1880年就发现了半导体材料的五大特性： 整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光 生伏特效应和霍尔效应 但半导体科学却没有取得迅猛的发展，主要原 因在于： 1. 半导体材料的不纯 2. 半导体物理理论的不完善
照片
伏安特性
I 电流
正向
反向
0
V 电压
1.1.5 半导体特有性质－光生伏特 效应
1876年，英国物理学家亚当斯(W.G. Adams)发现晶体硒和金属接触在光照射 下产生了电动势，这就是半导体光生伏 打效应。
光生伏特效应最重要的应用就是把太阳 能直接转换成电能，称为太阳能电池。
1954年美国贝尔实验室制成了世界上第 一个实用的太阳能电池，效率为4%。
量子论－－－半导体的能带理论密切相关
普朗克的辐射量子说
1900年，普朗克提出辐射量子假说
假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量 子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比 例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量 分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。
E nhv（n=1,2,3…..）
李斌斌 南京航空航天大学
《半导体材料》教材
教材： 《半导体材料》，邓志杰等编，化学工业出版社 参考书目： 1. 《半导体材料》杨树人 等编，科学出版社
2. 《半导体物理学》刘思科等编，国防工业出版社
讲课内容
第一章 绪论 第二章 半导体材料的基本性质 第三章 元素半导体材料 第四章 化合物半导体材料 第五章 固溶体半导体材料 第六章 非晶、有机和微结构半导体材料 第七章 半导体器件基础 第八章 半导体电子材料 第九章 半导体光电子材料 第十章 其他半导体材料 第十二章 半导体材料的制备
光生伏特效应是半导体材料的特有性质 之四
照片
光生伏特效应
1.1.6 半导体的特有性质－霍尔效应
1879年，霍尔(E.H. Hall) 在研究通有电流的导 体在磁场中受力，发现在垂直于磁场和电流 的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为 “霍尔效应”。 “霍尔效应”就是为纪念霍尔而命名的。 利用“霍尔效应”可以测量半导体材料的载 流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重 要参数。 霍尔效应是半导体材料的特有性质之五
第一章 绪论
1.1 半导体材料的发展简史
1.2 半导体材料的发展趋势 1.3 半导体材料的分类
1.1.1 首次报道半导体
伏特 A. Volta (1745~1827)，意大利物理学家 国际单位制中,电压的单位伏即为纪念他而命 名。 1800年，他发明了世界上第一个伏特电池， 这是最早的直流电源。从此，人类对电的研 究从静电发展到流动电，开拓了电学的研究 领域。 他利用静电计对不同材料接地放电，区分了 金属，绝缘体和导电性能介于它们之间的 “半导体”。 他在给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用 了“Semiconductor”（半导体）一词。
正、负电阻温度系数
R R
T
T
负电阻温度系数
正电阻温度系数
1.1.3 半导体的特有性质－光电导 效应
1873年，英国史密斯W.R. Smith用光照 在硒的表面，发现了硒的光电导效应， 它开创了半导体研究和开发的先河。
所谓光电导效应，是指由辐射引起被照 射材料电导率改变的一种物理现象。
1.1.2 半导体的特有性质－负电阻温度 系数
法拉第 M. Faraday (1791~1867)，英国英国物 理学家、化学家，现代电工科学的奠基者之 一。
电容的单位法（拉）即为纪念他而命名。 法拉第发明了第一台电动机，另外法拉第的 电磁感应定律是他的一项最伟大的贡献 。 1833年，法拉第就开始研究Ag2S半导体材料， 发现了负的电阻温度系数，即随着温度的升 高，电阻值下将。 负电阻温度系数是半导体材料的特有性质之 一
为了从理论上总结热辐射规律，19世纪物理学家 导出了热辐射物体的能量按发光波长分布的两个 公式：维恩公式和瑞利一金斯公式。
然而，这两个公式算出的结果，不是在长波方面 就是在短波方面与实验结果不符，物理学家为此 伤透了脑筋。
这两朵乌云给物理学界带来了革命风暴，使物理 学家发现了“新大陆”——“量子论”和“相对 论”，将人类对物质世界的认识向前推进了一大 步。
辐射能量和温度的关系
爱因斯坦的光子量子说
1905年，爱因斯坦发展了普朗克的量子说，提出 光在空间的传播也像粒子一样，称为光子或者光 量子。
单个光子的能量为
hv
玻尔的原子量子模型
1913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建 立起原子的量子理论 。
原子中的电子只能在分立的轨道上运动，原子具 有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”； 原子在这些轨道上不辐射能量 只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态，才能 吸收或辐射能量。
（1）半导体理论的发展背景
首先取得突破的是半导体理论的发展
19世纪末，英国物理学家汤姆生在展望20世纪物 理学前景时，他指出在物理学晴朗的天空里出现 了两朵令人不安的“乌云”，第一朵“乌云”出 现在光的波动理论上，第二朵“乌云”就是黑体 辐射。
黑体辐射
被加热的物体开始时会发出红光，随着温度上升， 光的颜色逐渐由红变黄又向蓝白色过渡，这种以 电磁波的形式向外传递能量的现象就叫热辐射。
照片
光电导探测器在军事和国民经济的各个 领域有广泛用途。
光电导效应是半导体材料的特有性质之 二
光电导示意图
1.1.4 半导体的特有性质－整流效应
布劳恩 K.F. Braun (1850~1918)，德国物 理学家。 布劳恩与马可尼共同获得1909年度诺贝 尔奖金物理学奖。 1874年，他观察到某些硫化物的电导与 所加电场的方向有关，在它两端加一个 正向电压，它是导通的；如果把电压极 性反过来，它就不导通，这就是半导体 的整流效应。 整流效应是半导体材料的特有性质之三
照片
霍尔效应示意图
BZ z y
b
fB x d
fE
v Ix
L
P型半导体薄片：长度为L，宽度为b，厚度为 d 磁场方向 (z方向）与薄片垂直，电流方向为x方向
1.1.7 半导体发展的限制
在1880年就发现了半导体材料的五大特性： 整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光 生伏特效应和霍尔效应 但半导体科学却没有取得迅猛的发展，主要原 因在于： 1. 半导体材料的不纯 2. 半导体物理理论的不完善
照片
伏安特性
I 电流
正向
反向
0
V 电压
1.1.5 半导体特有性质－光生伏特 效应
1876年，英国物理学家亚当斯(W.G. Adams)发现晶体硒和金属接触在光照射 下产生了电动势，这就是半导体光生伏 打效应。
光生伏特效应最重要的应用就是把太阳 能直接转换成电能，称为太阳能电池。
1954年美国贝尔实验室制成了世界上第 一个实用的太阳能电池，效率为4%。
量子论－－－半导体的能带理论密切相关
普朗克的辐射量子说
1900年，普朗克提出辐射量子假说
假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量 子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比 例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量 分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。
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