第四章第一节半导体的导电特性
1、下列描述中不属于本征半导体的基本特征是______。
A．温度提高导电能力提高
B．有两种载流子
C．电阻率很小，接近金属导体
D．参杂质后导电能力提高
2、若在本征半导体中掺入某些适当微量元素后，若以空穴导电为主的称______，若以自由电子导电为主的称______。
A．PNP型半导体／NPN型半导体
B．N型半导体／P型半导体
C．PN结／PN结
D．P型半导体／N型半导体
3、一般来说，本征半导体的导电能力______，当掺入某些适当微量元素后其导电能力______。A．很强／更强
B．很强／降低
C．很弱／提高
D．很弱／更弱
4、在P型半导体中多数载流子是______，在N型半导体中多数载流子是______。
A．空穴／自由电子
B．自由电子／空穴
C．空穴／共价键电子
D．负离子／正离子
5、N型半导体中的多数载流子是______。
A．自由电子
B．空穴
C．束缚电子
D．晶格上的离子
6、P型半导体中的多数载流子是______。
A．自由电子
B．空穴
C．束缚电子
D．晶格上的离子
7、关于P、N型半导体内参与导电的介质，下列说法最为合适的是______。
A．自由电子、空穴、位于晶格上的离子
B．无论P型还是N型半导体，自由电子、空穴都是导电介质
C．对于P型半导体，空穴是唯一的导电介质
D．对于N型半导体，空穴是唯一的导电介质
8、对于半导体材料，若______，导电能力减弱。
A．环境温度降低
B．掺杂金属元素
C．增大环境光照强度
D．掺杂非金属元素
9、金属导体的电阻率随温度升高而______；半导体的导电能力随温度升高而______。
A．升高／升高
B．降低／降低
C．升高／降低
D．降低／升高
10、关于N型半导体的下列说法，正确的是______。
A．只存在一种载流子：自由电子
B．在二极管中，N型半导体一侧接出引线后，是二极管的正极C．在纯净的硅衬底上，分散三价元素，可形成N型半导体D．在PNP型的晶体管中，基区正是由N型半导体构成
11、关于P型半导体的下列说法，错误的是______。
A．空穴是多数载流子
B．在二极管中，P型半导体一侧接出引线后，是二极管的正极C．在纯净的硅衬底上，掺杂五价元素，可形成P型半导体D．在NPN型的晶体管中，基区正是由P型半导体构成
半导体材料硅的基本性质
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 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 1.3 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。
半导体基础知识
半导体基础知识（详细篇） 2.1.1概念 根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等 2. 绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等 3. 半导体：半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。在一定条件下可 导电。 半导体的电阻率为10-3?109 cm 典型的半导体有硅 Si 和锗Ge 以 及砷化傢GaAs 等。 半导体特点： 1） 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元件、热敏元件属于此 类。 2） 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二极管、三极管属于此 类。 2.1.2本征半导体 1. 本征半导体一一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”。它在物理结构上呈单晶体形态。电子 技术中用的最多的是硅和锗。 硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其简化原子结构模型如下 图： 外层电子受原子核的束缚力最 小， 成为价电子。物质的性质是由价 电子决 定的。 2. 本征半导体的共价键结构 本征晶体中各原子之间靠得很近， 相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子 的价电子形成共价键。 外层电子受原子核的束缚力最小, 的。 使原分属于各原子的四个价电子同时受到 共价键中的价电
3.共价键 共价键上的两个电子是由相邻原子各用 一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足 够的能量，不易脱离轨道。因此，在绝对温度 T=0° K （-273° C ）时，由于共价键中的电子 被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导 电。只有在激发下，本征半导体才能导电 4. 电子与空穴 当导体处于热力学温度0°K 时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到 光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电, 成为自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位， 原子的电中 性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性 的这个空位为空穴。 电子与空穴的复合 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，如图所示。本征激发和复 合在一定温并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如下图所 硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图 空A * 电 子为这些原子所共有,
物质的导电性半导体的导电特性
neSv t t neSv t q I =??=??= 物质的导电性和半导体的导电性 知识要点 一、物质的导电性 1、金属中的电流 金属导体内的电流强度与自由电子的平均定向运动速率有关。则 由上式可估算出电子的定向运动速率是很小的，一般为s m /105 -数量级，与电子热 运动的平均速率（约s m /10 5 数量级）和“电的传播速率”（即电场的传播速率，为 s m /1038?）不能混为一谈。 2。液体中的电流 （1）液体导电包括液态金属导电与电解质导电两种。电解质导电与金属导电的机理不同，固态金属导电跟液态金属（如汞）导电的载流子是自由电子，在导电过程中，金属本身不发生化学变化，而电解质导电的载流子是正负离子，在导电过程中，伴随着电解现象，在正负极板处同时发生化学反应（即电解）。 （2）法拉第总结出了两条电解定律。 第一定律：：电解时析出物质的质量m 跟通过电解液的电量Q 成正比，用公式表示为： kIt kQ m ==式中比例恒量k 叫做电化当量，其物理意义是：通过1C 电量时，所析出 这种物质的质量。 第二定律：各种物的电化当量k 与它的化学当量成正比，即Fn M k /=,在化学中， 我们常将 n M /称为“化学当量”,F 叫法拉第常量。实验指出， 96=F mol C mol C /1064.9/4844?≈，将上式代入电解第一定律可得()Fn MQ m /= 这就是法拉第电解定律的统一表达式。当析出物质的质量m 等于该物质的化学当量，则F 与Q 在数值上相等。 3、气体中的电流 ①通常情况下，气体不导电。只有在电离剂存在或极强大的电场情况下，气体才会被电离而导电。气体导电既有离子导电，又有电子导电。气体导电不遵从欧姆定律。 ②由于引起气体电离的原因不同，可分为被激放电和自激放电。在电离剂（用紫外线、X 射线或放射性元素发出的放射线照射或者用燃烧的火焰照射气体）的作用下，发生的气体放电现象叫做被激放电。没有电离剂作用而在高电压作用下发生的气体放电现象叫做自激放电。 放电可以变成弧光放电。若电源的功率很大时，火花放电可以变成弧光放电。
半导体-金属导体平面结构导电性能的维度效应
半导体-金属导体平面界面结构导电性能的维度效应 宋太伟邹杏田璆璐 2017年3月 上海日岳新能源有限公司上海陆亿新能源有限公司上海建冶研发中心 内容摘要： 半导体-金属材料结构界面或其它由2种不同材料组成的复合材料结构界面，一般存在明显的微观扩散结势垒构造，这种扩散结对复合材料的导电性等物理性能产生明显影响。我们发现这种半导体-金属组合结构材料的导电性与半导体和金属导体的几何结构存在明显的关联效应，尤其是在体型半导体平面表面镀上金属薄膜的材料结构，表现出清晰的导电性等物理性能与材料几何结构维度的关联关系，这种材料的导电性呈现明显的二极管效应。我们用时空结构几何理论对此现象分别作了理论阐明。这种普遍存在的由半导体和金属材料的维度差异引起的复合材料的二极管效应，其理论价值与在光电工程领域的应用价值极大。 1 引言 两种不同材料的接触面，一般会产生接触势垒。由具有一定导电性能的两种材料依次排列组成的复合材料结构，由于不同材料导电电子的平均约束势能不同，在两种材料的接触界面附近，微观上呈非均衡的载流子扩散形态及电位梯度。界面附近导电电子低约束势能的材料呈现一定的正电性，相应的另一种导电电子高约束势能的材料界面附近呈现一定的负电性，复合材料内部这种不同材料界面附近的微观构造形态，是一种接触电位势垒，可称为电位势结，平面薄膜结构形态的也称为“量子泵”[3]。就导电性能来讲，这种内部界面构造，都有一定程度的二极管效应。半导体PN结是典型的界面电位势结构造形态。 我们在开发研制高效多结层硅基太阳能电池的过程中，发现不同材料界面附近的微观电位势结构造形态，对复合材料的导电性能的影响，存在明显的维度关联关系或者说尺度关联关系，也就是说，复合材料内部界面电位势结产生的二极管效应大小，与两种材料的几何维度构造明显关联，两种不同材料典型的几何维度形态结构组合是3维-2维、3维-1维、3维-0维、2维-1维、2维-0维等，见示意图1。我们重点对半导体硅晶体为3维、金属或非金属为2维薄膜的3-2维界面构造材料（示意图1中的a结构），就其光电性能变化进行了详细的实验与分析研究，使用的实验仪器设备主要包括真空镀膜系统、氙灯、单色仪、i-v曲线源表、椭圆偏振仪、显微镜等。我们运用简单的时空结构几何[1][2]模型，对3维-2维界面
半导体导电性
在电场和磁场作用下，半导体中的电子和空穴的运动会引起各种电荷的输运现象 半导体的导电性强弱随温度和杂质的含量变化而变化。 1. 从能带角度理解半导体的导电性 半导体在绝对零度时，被电子占据的最高能带为满带，上面临近的能带是空带，当有一定温度时，电子从满带激发到空带，原来的空带变为不满带，在电场作用下，电子的状态在布里渊区中的分布不再对称，半导体导电。 2. 从晶格角度理解半导体的导电性 在一定温度下，共价键上的电子e 挣脱了价键的束缚，进入到晶格空间形成准自由电子，这个电子在外电场的作用下运动而形成电子电流。在价键的电子进入晶格后留下空穴，当这个空穴被电子重新填充后，会在另一个位置产生新的空穴，这一过程为空穴电流 3. 载流子的散射 理想完整晶体中电子处于严格周期势场中，v (k )不变，实际晶体由于存在缺陷，相当于在原有严格周期性势场上叠加了附加势场，从而引起了载流子状态的改变成为载流子的散射 连续两次散射间的平均自由时间，散射主要有晶格振动散射和电离杂质散射。(1)电离杂质原因是：电离杂质因为形成库仑场，附加在周期场上，局部破坏了周期势场。散射几率： （2）晶格振动散射：晶体中格波氛围声学支和光学支。声学支描述原胞的整体运动，光学支描述一个原胞内两个原子的相对运动。一个原胞有n 个原子，则三维情况下总的格波数为3n ，其中3支声学波，3(n-1)支光学波。 ①声学波散射原因：纵波的振动形式使原子形成疏密分布，半导体体积在疏处膨胀，密处压缩，使能带发生振动，产生附加势。②光学波散射原因：原子的相对运动使电荷分布形成正电荷区和负电荷区，产生电场，形成附加势。 4. 载流子的漂移运动，迁移率 (1) 在有外加电场存在时，载流子沿一定方向的有规则运动，称为漂移运动。它是引起电 荷流动的原因。 考虑平均，则电子和空穴的漂移速率分别为 ετ *- =n n n m q v 和 ετ *=p p p m q v ，*p m 和p τ分别为空穴的有效质量和弛豫时间。
半导体的导电特性(精)
自然界的各种物质就其导电性能来说，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗等，它们的电阻率通常在之间。半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。如纯净的半导 体单晶硅在室温下电阻率约为，若按百万分之一的比例 掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率急剧下降为，几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。 1.1.1 本征半导体 图1.1.1 硅原子的简化模型 常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。
1.本征半导体的原子结构 半导体锗和硅都是四价元素，其原子结构示意图如图1.1.1所示。它们的最外层都有4个电子，带4个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核。惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。 2.本征激发 在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。每一个原子的价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构，如图1.1.2所示。 图 1.1.2 本征硅共价键结构 一般来说，共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，将这种物理现象称作为本征激发。 理论和实验表明：在常温（T＝300K）下，硅共价键中的价电子只要获得大于电离能E G（＝1.1eV）的能量便可激发成为自由电子。本征锗的电离能更小，只有0.72eV。 当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称“空穴”。当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正电荷的载流子。 在本征半导体内部自由电子与空穴总是成对出现的，因此将它们称作为电子-空穴对。当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个“电子-空穴”对，这一相反过程称为复合。 在一定温度条件下，产生的“电子—空穴对”和复合的“电子—空穴对”数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时，“电子-空穴对”维持一定的数目。 可见，在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而金属导体中只有自由电子一种载流子，这也
半导体的导电性
第四章 半导体的导电性 引言 前几章介绍了半导体的一些基本概念和载流子的统计分布，还没有涉及到载流子的运动规律。本章主要讨论载流子在外加电场作用下的漂移运动，讨论半导体的迁移率、电导率、电阻率随温度和杂质浓度的变化规律，以及弱电场情况下电导率的统计理论和强电场情况下的效应，并介绍热载流子的概念。 §载流子的漂移运动和迁移率 一、欧姆定律 1.金属：V I R = （） l R s ρ=（） 单位：m Ω?和cm Ω? 1 = σρ （） 单位：/m S 和/cm S 2.半导体： 电流密度：通过垂直于电流方向的单位面积的电流，J=I s ??（） 单位：/m A 和/cm A 电场强度：= V l ε（）单位：/m V 和/cm V 均匀导体：J= I s （） 所以，J==I V l s Rs Rs εεσ==（） 上式表示半导体的欧姆定律，把通过导体某一点的电流密度和改点的电导率及电场强度直接联系起来，称为欧姆定律的微分形式。 二、漂移速度和迁移率 有外加电压时，导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿电场反方向作定向运动构成电流。电子在电场力作用下的这种运动称为漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度。 电子的平均漂移速度为d v ，则其大小与电场强度成正比： d v με=（）其中，μ称为电子的迁移率，表示单位场强下电子的平均漂移速度，单位是
m 2 /V·s 或cm 2 /V·s。由于电子带负电，其d v 与E 反向，但μ习惯上只取正值， 即d v με = （） d J nqv =- 三、 半导体的电导率和迁移率 型半导体：n p ，0n n q σμ=（） 型半导体：p n ，0p p q σμ=（） 3.本征半导体：i n p n ==，()i n p n q σμμ=+（） 4.一般半导体：n p nq pq σμμ=+（） §载流子的散射 一、载流子散射的概念 在有外加电场时，载流子在电场力的作用下作加速运动，漂移速度应该不断增大，由式： d J nqv =-可知，电流密度将无限增大。但是由式：J σε=可知，电流密度应该是恒定的。 因此，二者互相矛盾。 （一）没有外电场作用时 在一定温度下： 半导体内部的大量载流子永不停息地做无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动； } d v με =(4.110) J nq με=-(4.111) nq σμ=-电导率与迁移率之间的关系 实际中，存在破坏周期性势场的作用因素：杂质、缺陷、晶格热振动等。 一块均匀半导体，两端加以电压，在其内部形 成电场。 电子和空穴漂移运动的方向不同，但形成的电 流都是沿着电场方向的。 半导体中的导电作用应该是电子导电和空穴导 电的总和。
第6章半导体导电性作业
第六章 半导体导电性作业 1． 一块n 型硅半导体，其施主浓度315/10cm N D =，本征费米能级i E 在禁带正中，费米能级F E 在i E 之上eV 29.0处，设施主电离能eV E D 05.0=?，试计算在K T 300=时，施主能级上的电子浓度。 2． 一块n 型硅材料，掺有施主浓度315/105.1cm N D ?=，在室温（K T 300=）时本征载流子浓度312/103.1cm n i ?=，求此时该块半导体材料的多数载流子浓度和少数载流子浓度。 3．一硅半导体含有施主杂质浓度315/109cm N D ?=，和受主杂质浓度316/101.1cm N A ?=，求在K T 300=时（310/103.1cm n i ?=）的电子和空穴浓度以及费米能级位置。
4. 若锗在300=T K 时，319101.1-?=cm N C ，3191051.0-?=cm N V ，禁带宽度为67.0=g E eV ，试计算： （1）电子和空穴的有效质量*e m 和*h m ； （2）300=T K 时的本征载流子浓度； （3）在77K 时的，C N ，V N 及本征载流子浓度（77=T K 时，70.0=g E eV ）。
5、试用能带论解释为何固体有导体，半导体和绝缘体之分？ 晶体电子的状态由分立的原子能级分裂为能带，电子填充能带的情况分为满带、不满带和空带，对于半导体和绝缘体，只存在满带和空带，最高满带称价带，最低满带称导带，导带与价带之间的间隔称带隙，一般绝缘体带隙较大，半导体带隙较小。 对于导体，出满带和空带外，还存在不满带，即导带。满带电子不导电，而不满带中的电子参与导电。半导体的带隙较小，价带电子受到激发后可以跃迁至导带参与导电，绝缘体的带隙较大，价电子须获得很大的能量才能激发，故一般情况下，不易产生跃迁现象。
半导体的导电性
半导体的导电性 1载流子的漂移运动和迁移率 欧姆定律 电流密度 指通过垂直于电流方向的单位面积的电流 漂移速度和迁移率 1.有外加电压时，导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿着电场的反方向作定向运动构成电 流。电子在电场力作用下的这种运动称为漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度。 2.当导体内部电场E恒定时，电子应具有一个恒定不变的平均漂移速度v_d。电场强度增大时， 电流密度J也相应地增大，因而，平均漂移速度v_d也随着电场强度E的增大而增大，反之亦 然。 3.电子的迁移率μ的大小反映了载流子在外电场的作用下，载流子运动能力的强弱。 半导体的电导率和迁移率 1.半导体的导电作用是电子导电和空穴导电的总和。 2.导电的电子是在导带中，它们是脱离了共价键可以在半导体中自由运动的电子；而导电的空穴 是在价带中，空穴电流实际上是代表了共价键上的电子在价键间运动时所产生的电流。 3.在相同电场作用下，导带电子平均漂移速度>价带空穴平均漂移速度，就是说，电子迁移率>空 穴迁移率。 2载流子的散射 载流子散射的概念 1.在一定温度下，半导体内部的大量载流子即使没有电场作用，它们也不是静止不动的，而是永 不停息地作着无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动。 2.载流子无规则热运动与热振动着的晶格原子、电离了的杂质离子发生碰撞，速度方向发生改 变，即电子波在传播时遭到了散射。 3.自由载流子，实际上只在两次散射之间才真正是自由运动的，其连续两次散射间自由运动的平 均路程称为平均自由程，而平均时间称为平均自由时间。 4.存在外电场时，一方面载流子受到电场力的作用，作定向漂移运动；另一方面载流子仍不断地 遭到散射，使运动方向不断发生改变。→运动方向和速度大小不断变化→漂移速度不能无限地积累→加速运动只在两次散射之间存在→平均漂移速度 半导体的主要散射机构 散射原因：周期性势场被破坏而存在附加势场。
半导体的特性
半导体的特性 大家知道：半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强。实际上，半导体与导体、绝缘体的区别在不仅在于导电能力的不同，更重要的是半导体具有独特的性能（特性）。 1．在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万倍的增加—-这是半导体最显著、最突出的特性。例如，晶体管就是利用这种特性制成的。 2．当环境温度升高一些时，半导体的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时，半导体的导电能力就显著地下降。这种特性称为“热敏”，热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的。 3．当有光线照射在某些半导体时，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光线照射时，这些半导体就像绝缘体一样不导电，这种特性称为“光敏”。例如，用作自动化控制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等，就是利用半导体的光敏特性制成的。 由此可见，温度和光照对晶体管的影响很大。因此，晶体管不能放在高温和强烈的光照环境中。在晶体管表面涂上一层黑漆也是为了防止光照对它的影响。最后，明确一个基本概验：所谓半导体材料，是一种晶体结构的材料，故“半导体”又叫“晶体” 一个PN结构成晶体二极管 P性半导体和N型半导体----前面讲过，在纯净的半导体中加入一定类型的微量杂质，能使半导体的导电能力成百万倍的增加。加入了杂质的半导体可以分为两种类型：一种杂质加到半导体中去后，在半导体中会产生大量的带负电荷的自由电子，这种半导体叫做“N型半导体”（也叫“电子型半导体”）；另一种杂质加到半导体中后，会产生大量带正电荷的“空穴”，这种半导体叫“P型半导体”（也叫“空穴型半导体”）。例如，在纯净的半导体锗中，加入微量的杂质锑，就能形成N型半导体。同样，如果在纯净的锗中，加入微量的杂质铟，就形成P型半导体。 一个PN结构成晶体二极管----设法把P型半导体（有大量的带正电荷的空穴）和N型半导体（有大量的带负电荷的自由电子）结合在一起，见图1所示。 图1
第四章第一节半导体的导电特性
1、下列描述中不属于本征半导体的基本特征是______。 A．温度提高导电能力提高 B．有两种载流子 C．电阻率很小，接近金属导体 D．参杂质后导电能力提高 2、若在本征半导体中掺入某些适当微量元素后，若以空穴导电为主的称______，若以自由电子导电为主的称______。 A．PNP型半导体／NPN型半导体 B．N型半导体／P型半导体 C．PN结／PN结 D．P型半导体／N型半导体 3、一般来说，本征半导体的导电能力______，当掺入某些适当微量元素后其导电能力______。A．很强／更强 B．很强／降低 C．很弱／提高 D．很弱／更弱 4、在P型半导体中多数载流子是______，在N型半导体中多数载流子是______。 A．空穴／自由电子 B．自由电子／空穴 C．空穴／共价键电子 D．负离子／正离子 5、N型半导体中的多数载流子是______。 A．自由电子 B．空穴 C．束缚电子 D．晶格上的离子 6、P型半导体中的多数载流子是______。 A．自由电子 B．空穴 C．束缚电子 D．晶格上的离子 7、关于P、N型半导体内参与导电的介质，下列说法最为合适的是______。 A．自由电子、空穴、位于晶格上的离子 B．无论P型还是N型半导体，自由电子、空穴都是导电介质 C．对于P型半导体，空穴是唯一的导电介质 D．对于N型半导体，空穴是唯一的导电介质 8、对于半导体材料，若______，导电能力减弱。 A．环境温度降低 B．掺杂金属元素 C．增大环境光照强度 D．掺杂非金属元素 9、金属导体的电阻率随温度升高而______；半导体的导电能力随温度升高而______。
半导体物理习题参考答案第四章
第4章 半导体的导电性 2.试计算本征Si 在室温时的电导率，设电子和空穴迁移率分别为1350cm 2/V ?s 和500 cm 2/V ?s 。当掺入百万分之一的As 后，设杂质全部电离，试计算其电导率。掺杂后的电导率比本征Si 的电导率增 大了多少倍？ 解：将室温下Si 的本征载流子密度1.5?1010/cm 3及题设电子和空穴的迁移率代入电导率公式 ()i i n p n q σμμ=+ g 算得 500克Si 单晶的体积为3214.6 cm 2.33 V ==，于是知B 的浓度 ∴18 16-32.510 1.1610 cm 214.6 A Z N V ?===? 室温下硅中此等浓度的 B 杂质应已完全电离，查表4-14知相应的空穴迁移率为400 cm 2/V ?s 。故 161911 1.35cm 1.1610 1.610400 A p N q ρμ-===Ω????? 6. 设Si 中电子的迁移率为0.1 m 2/(V .s)，电导有效质量m C =0.26m 0，加以强度为104V/m 的电场，试
求平均自由时间和平均自由程。 解：由迁移率的定义式*n c c q m τμ=知平均自由时间 *c c n m q μτ?= 代入相关数据，得 3113190.269.1100.1 1.48101.610 n s τ---???==?? 8. 0.1A 的 。 为5.3?10 cm 的施主。 10. 试求本征Si 在473K 时的电阻率。 解：由图4-13查出T=473K 时本征硅中电子和空穴的迁移率分别是 2440 cm /V s n μ=?，2140 cm /V s p μ=? 在温度变化不大时可忽略禁带宽度随温度的变化，则任意温度下的本征载流子密度可用室温下的等效态密度 N C (300)和N V (300)、禁带宽度E g (300)和室温kT=0.026eV 表示为 3/23(300)300()(300)(300)(exp() cm 3000.026g i C V E T n T N N T ?=－
半导体的导电特性
半导体的导电特性 根据物质的导电能力可分为导体、半导体和绝缘体三大类，顾名思义半导体的导电能力介于导体绝缘体之间。硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物都是半导体。 半导体的导电特性 热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等)。 1．本征半导体 本征半导体：完全纯净的、不含其它杂质的半导体通称本征半导体。 用得最多的是硅和锗，图1所示是硅和锗的原子结构图，它们都是四价元素，在原子的最外层轨道上都有四个价电子。 (a) 锗Ge (b) 硅Si 图1 硅和锗的原子结构 在本征半导体中，每个原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对，并且对两个原子所共有，因此称为共价键。由共价键结构形成的半导体其原子排列都比较整齐，形成晶体结构，因此半导体又称为晶体，如图2所示。 图2 晶体中原子的排列方式本征半导体的导电机理
在本正半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合，每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓的共价键结构，如图 3所示。 图3 硅单晶中的共价键结构 在共价键结构的晶体中，每个原子的最外层都有八个价电子，因此都处于比较稳定的状态。只有当共价键中的电子获得一定能量（环境温度升高或受到光照射）后，价电子方可挣脱原子核的束缚成为自由电子，并且在共价键中留下一个空位，称为空穴。如图4所示。 图4 空穴和自由电子的形成 在一般情况下，本征半导体中自由电子和空穴的数量都比较少，其导电能力很低。由于本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，因此在一定温度下，它们的产生和复合将达到动态平衡，使自由电子和空穴维持在一定数目上。温度愈高，自由电子和空穴的数量愈多，导电性能也愈好。所以，温度对半导体的性能影响很大。 当半导体外加电压时，在电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电流；二是有空穴的原子吸引相邻原子中的价电
第四章 半导体的导电性教案资料
第四章半导体的导电 性
第四章 半导体的导电性 引言 前几章介绍了半导体的一些基本概念和载流子的统计分布，还没有涉及到载流子的运动规律。本章主要讨论载流子在外加电场作用下的漂移运动，讨论半导体的迁移率、电导率、电阻率随温度和杂质浓度的变化规律，以及弱电场情况下电导率的统计理论和强电场情况下的效应，并介绍热载流子的概念。 载流子的漂移运动和迁移率 一、欧姆定律 1.金属：V I R =（4.1-1） l R s ρ=（4.1-2） 单位：m Ω?和cm Ω? 1=σρ （4.1-3） 单位：/m S 和/cm S 2.半导体： 电流密度：通过垂直于电流方向的单位面积的电流，J=I s ??（4.1-4） 单位：/m A 和/cm A 电场强度：=V l ε（4.1-5）单位：/m V 和/cm V 均匀导体：J=I s （4.1-6） 所以，J==I V l s Rs Rs εεσ==（4.1- 7） 上式表示半导体的欧姆定律，把通过导体某一点的电流密度和改点的电导率及电场强度直接联系起来，称为欧姆定律的微分形式。 二、漂移速度和迁移率
有外加电压时，导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿电场反方向作定向运动构成电流。电子在电场力作用下的这种运动称为漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度。 电子的平均漂移速度为d v ，则其大小与电场强度成正比： d v με=（4.1-8）其中，μ称为电子的迁移率，表示单位场 强下电子的平均漂移速度，单位是m 2/V·s 或cm 2/V·s。 由于电子带负电，其d v 与E 反向，但μ习惯上只取正值， 即d v με= （4.1-9） d J nqv =- 三、 1.n 型半导体：n p ，0n n q σμ=（4.1-12） 2.p 型半导体：p n ，0p p q σμ=（4.1-13） 3.本征半导体：i n p n ==，()i n p n q σμμ=+（ 4.1-14） 4.一般半导体：n p nq pq σμμ=+（4.1-15） §4.2载流子的散射 一、载流子散射的概念 在有外加电场时，载流子在电场力的作用下作加速运}d v με=(4.110)J nq με=-(4.111) nq σμ=-电导率与迁移率之 间的关系 实际中，存在破坏周期性势场的作用因素：杂质、 一块均匀半导体，两端加以电压，在 其内部形 成电场。 电子和空穴漂移运动的方向不同，但形成的电 流都是沿着电场方向的。 半导体中的导电作用应该是电子导电和空穴导 电的总和。
半导体导电原理
半导体导电原理(2009-03-15 14:13:07)转载▼ 标签：科技文化物理新视点 半导体的导电原理也是因为有电子通路——流通 所有物质(包括半导体)的导电原理同出一辙——流通 半导体一般是由4 价的硅（或者是锗，以下同）为主体材料，?它们的晶体结构也和金刚石一样，每个原子结合成4 个结构元在空间等距、有序环绕，构成金刚石结构，很纯的单晶硅基本不导电。 在纯硅晶体中加了少量的５价元素后，就形成了N型半导体。 在纯硅晶体中加入少量的３价元素后，就形成了P型半导体。 [分析]在上一章谈到了金属物质的导电，谈到了流通，建立了电子空位之说，论述了电压波的传导和金属的导电。有人会问：硅、锗、?金刚石等物质的原子外层仅4个价电子，还有4个空位，那它们为什么不导电？石墨也是由碳原子构成，它为什么又导电呢？ 这里需要说明的是：导电是物质的整体性能，不应以单个或几个原子的状态来认识整体，电子空位是电子在价和运动时出现的暂时效应，不能以静止的眼光来看待空位，亦不能以静止的眼光来看待物质的导电。 在硅、锗晶体中每个原子与相邻的4个原子共用外层电子组成4个结构元，四周的价和电子以均匀的速率规则绕核心而运动，从整体上看，其核外电子层是均匀饱满的，难以形成电子空位，所以它不导电(电阻很大)。 石墨是由碳原子构成，其外层有4个价电子，?但是其晶体是片状石墨晶格结构，每个原子与周边的3 个原子组成平面丫字形结构元，进而结合成平面六边形结构，而另一价电子则在两平面间作价和运转。其原子的层间间距是平面间距的二倍多，层间价和电子在途时间较长，层间电子在途时，就形成了电子空位，电压波在其间传导，电子在回路中换位移动形成电流，于是石墨就成了良好的导体，同时也构成了石墨导电体的方向性。 Ｎ型半导体在纯硅晶体中加了少量的５价元素后，就形成了N型半导体。 掺杂加入的5价元素，例如磷原子镶嵌在硅晶体中，磷原子占据了晶体中硅原子的一个位置，磷的5个价电子参与硅中的4个价和运转，尚有1个价电子无价和轨道，这多出的一个电子并不是在外老实呆着，而是稍有机会就混杂进入别的价和运转的轨道中，参与价和运转，扰乱了原硅晶体均匀的速率，使得整个晶体中的价和电子的运转出现了拥挤和等待的紊乱现象。有许多瞬时价和电子因途中紊乱而没有到位，于是晶体中出现了临时性的电子空位(临时性空位在晶体中占有一定概率)，电压波可以乘机传导，电子可以在电压波的引导下乘虚而入，形成电子的定向流动——电流。 这样，掺杂５价元素使得硅晶体的导电能力增加，形成了N型半导体。 由于N型半导体是掺杂多电子元素使规律运转的核外电子产生运动不均衡,发生混乱所形成的电子空位，而温度上升能加剧核外电子运动的混乱，所以温升能有效地增加N型半导体的导电能力，即N型半导体有较强的热敏性能。 Ｐ型半导体在硅晶体中加入少量的３价元素后，就形成了P型半导体。 ３价元素例如硼，在价和结构中顶替了一个硅原子，因硼外层只有3个价电子，使得与硼相连的4个结构元中有一个是单电子价和运转，形成了电子空位。与这个单电子结构元相连的6个结构元相继有电子进入补充，形成了更多的电子空位，电压波乘机在电子空位间传导，引导电换位移动形成电流。这样，掺杂３价元素使得硅晶体的导电能力较大地增加，形成了Ｐ型半导体。
半导体材料导电类型的测定
实验1 半导体材料导电类型的测定 1．实验目的 通过本实验学习判定半导体单晶材料导电类型的几种方法。 2．实验内容 用冷热探针法和三探针法测量单晶硅片的导电类型。 3．实验原理 3.1 半导体的导电类型是半导体材料重要的基本参数之一。在半导体器件的生产过程中经常要根据需要采用各种方法来测定单晶材料的导电类型。测定材料导电类型的方法有很多种，这里介绍常用的几种测定导电类型的方法，即冷热探针法、单探针点接触整流法和三探针法。 3.1.1 冷热探针法 冷热探针法是利用半导体的温差电效应来测定半导体的导电类型的。在图1a中，P型半导体主要是靠多数载流子——空穴导电。在P型半导体未加探针之前，空穴均匀分布，半导体中处处都显示出电中性。当半导体两端加上冷热探针后，热端激发的载流子浓度高于冷端的载流子浓度，从而形成了一定的浓度梯 度。于是，在浓度梯度的驱使下，热端的空穴就 向冷端做扩散运动。随着空穴不断地扩散，在冷 端就有空穴的积累，因而带上了正电荷，同时在 热端因为空穴的欠缺(即电离受主的出现)而带上 了负电荷。上述正负电荷的出现便在半导体内部 形成了由冷端指向热端的电场。于是，冷端的电 势便高于热端的电势，冷热两端就形成了一定的 电势差，这一效应又称为温差电效应，这个电势 差又称为温差电势。如果此时在冷热探针之间接 入检流计，那么，在外电路上就会形成由冷端指 向热端的电流，检流计的指针就会向一个方向偏 转。从能带的角度来看，在没有接入探针前，半 导体处于热平衡状态，体内温度处处相等，主能 带是水平的，费米能级也是水平的。在接入探针 以后，由于冷端电势高于热端电势，所以冷端主 能带相对于热端主能带向下倾斜，同时由于冷端 温度低于热端，故热端的费米能级相对于冷端的 费米能级来说，距离价带更远，如图1b所示。 如果我们将上述的P型半导体换成N型半导 体，则电子做扩散运动，在冷端形成积累。由于
第四章半导体的导电性
第四章半导体的导电性 引言 前几章介绍了半导体的一些基本概念和载流子的统计分布，还没有涉及到载流子的运动规律。本章主要讨论载流子在外加电场作用下的漂移运动，讨论半导体的迁移率、电导率、电阻率随温度和杂质浓度的变化规律，以及弱电场情况下电导率的统计理论和强电场情况下的效应，并介绍热载流子的概念。 §载流子的漂移运动和迁移率 一、欧姆定律 1.金属： V I R =（） l R s ρ =（）单位：m Ω?和cm Ω? 1 = σ ρ （）单位：/m S和/cm S 2.半导体： 电流密度：通过垂直于电流方向的单位面积的电流，J= I s ? ? （）单位：/m A和/cm A 电场强度：= V l ε（）单位：/m V和/cm V 均匀导体：J= I s （）所以，J== I V l s Rs Rs ε εσ ==（） 上式表示半导体的欧姆定律，把通过导体某一点的电流密度和改点的电导率及电场强度直接联系起来，称为欧姆定律的微分形式。 二、漂移速度和迁移率 有外加电压时，导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿电场反方向作定向运动构成电流。电子在电场力作用下的这种运动称为漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度。 电子的平均漂移速度为 d v，则其大小与电场强度成正比： d vμε =（）其中，μ称为电子的迁移率，表示单位场强下电子的平均漂移速度，单 位是m2/V·s 或cm2/V·s。由于电子带负电，其 d v与E反向，但μ习惯上只取正值，即d v μ ε =（） d J nqv =- 扩散运动：载流子 浓度 漂移运动：外加电 场 } d vμε = (4.110) J nqμε =-(4.111) nq σμ =- 电导率与迁移率之间的 关系 实际中，存在破坏周期性势场的作用因素：杂质、缺陷、晶格热振动等。
半导体导电类型
半导体材料电学参数测量(electric parameter measurement for semiconductor material) 电学参数是半导体材料钡0量的重要内容。它主要包括导电类型、电阻率、寿命和迁移率测量。 导电类型测量半导体的导电过程存在电子和空穴两种载流子。多数载流子是电子的称n型半导体；多数载流子是空穴的称p型半导体。测量导电类型就是确定半导体材料中多数载流子的类别。常用的方法有冷热探针法、整流法等。冷热探针法是利用温差电效应的原理，将两根温度不同的探针与半导体材料表面接触，两探针间外接检流计(或数字电压表)形成一闭合回路，根据两个接触点处存在温差所引起的温差电流(或温差电压)的方向可以确定导电类型。整流法是利用金属探针与半导体材料表面容易构成整流接触的特点，可根据检流计的偏转方向或示波器的波形测定导电类型。常用三探针或四探针实现整流接触。霍耳效应亦可测定半导体材料的导电类型。 电阻率测量电阻率是长1cm，截面积1cm2材料的电阻，它反映了半导体材料导电能力的大小。测量电半阻率的方法较多，最基本的有两探针法、直线四探针法、扩展电阻法和专门用于薄片状半导体材料的范德堡法等。两探针法是在一电阻率均匀的规则样品上通过恒定的直流电流，两根沿电流方向排列的探针与样品压触，测量两根探针间的电位差(图1)。 式中V T为探针间的电位差，mV；I为通过样品的直流电流，mA；A为样品截面积，cm2；L为探针间距，cm。直线四探针法是用一直线排列的四根探针与一相对于探针间距是半无穷大的样品表面压触，外面探针通过恒定直流电流，测定中间两根探针的电位差(图2)。
图2四探针法测量半导体电阻率示意图 样品的电阻率可用下式计算：式中S为探针系数，cm；V23为中间两根探针电位差的测量值，mV；I14。为通过样品的电流，mA；对于直线排列的四探针， 探针系数S为：式中S1、S2和S3分别为相应的探针间的距离，cm。应用直线四探针法测量时，还必须考虑样品的边界影响和由探针游移引起的误差。扩展电阻法是利用单根探针与半导体材料接触时，电流展开效应引起的扩展电阻，在接触状态不变时仅与半导体材料电阻率有关的原理： 式中R S为扩展电阻，Ω；ρ为样品电阻率，Ωcm；ɑ为有效电接触半径，cm。扩展电阻法对测量半导体材料微区电阻率尤为重要，它可以确定体积为10-10cm。区域的电阻率，分辨率可达1μm。因此适用于抛光片、单层或多层结构外延层电阻率的测量，还可依此确定外延层(或扩散层)的厚度和过渡区的宽度。范德堡法适用于薄片状样品的电阻率测试，它要求样品的厚度和电阻率均匀，且无空洞。可在样品的边缘上制备A、B、C、D 四个触点，并尽量注意。任意相邻的两点，如AB间通电流I AB，测量另一对触
导体的特性
3.2 导体的特性 1.导体的定义 2.静电场中的导体 3.恒定电场中的导体 4.导电材料的物态方程 5.导体的电导率
1. 导体的定义：含有大量可以自由移动的带电粒子的物质。导体分为两种金属导体：电解质导体：由自由电子导电。 由带电离子导电。 2. 静电场中的导体静电平衡状态的特点： （1）导体为等位体；（2）导体内部电场为零； （3）导体表面的电场处处与导体表面垂直，切向电场为零； （4）感应电荷只分布在导体表面上，导体内部感应电荷为零。 (0)V ρ=++++++ ------E 外 E 内
3. 恒定电场中的导体 将一段导体与直流电源连接，则导体内部会存在恒定电场。其平均电子速度称为漂移速度： d e E νμ=-式中：称为电子的迁移率， 其单位为。e μ2(m /V s)?如图： 单位时间内通过的电量为： d S e d d =d d q I N e S t ν=-式中：为自由电子密度。 e N 故电流密度为：C e d J N e ν=-C e e J N e E μ=可得：
C e e J N e E μ=e e N e σ μ=若设：C J E σ=则： 描述导电材料的电磁特性的物态方程。 导体的电导率 4. 导电材料的物态方程
5. 导体的电导率 电导率是表征材料导电特性的一个物理量。 电导率除了与材料性质（如，）有关外，还与环境温度有关。e N e μ(1)导体材料： 随着温度的升高，金属电导率变小。有些导体在低温条件下电导率非常大,使电阻率趋向于零，变成超导体。 如铝在时时，就呈现超导状态。1.2K 不同材料的电导率数据见教材。 (2)半导体材料： 随着温度的升高，电导率明显增大。 e e h h N e N e σμμ+=
1-1半导体特性
编号：模电长兴职教中心机电专业《模拟电子技术基础》第2次修改 编制人：一级审核人：霍永红二级审核人：联系领导：日期： 课题1 半导体的主要特性 班级：学生姓名：组别：评价： 【学习目标】 一、知识目标 1、了解半导体的特性、类型和载流子种类 2、理解半导体导电的原理 二、技能目标 1、通过小组合作讨论，提高学生解决问题、团队合作能力。 2、学生小组合作，解决问题，增加交流，增进友谊，体验学习的快乐。 三、情感目标 1、感受学习模拟电子技术的乐趣，激发学习兴趣。 2、在学会和会学的过程中体验学习的快乐，尝试成功，提升自我学习能力。 3、培养学生认真记录、勤于动手动脑的学习习惯，并养成良好的职业素养。【学习重点】 1、半导体的导电特性 2、半导体的分类、特点 【学习难点】 半导体导电的原理 【使用说明与学法指导】 1.用20分钟左右的时间，阅读探究课本的内容，熟记基础知识。自主高效预习，提升自己的阅读理解能力. 2.完成教材助读设置的问题，然后结合课本的基础知识和例题，完成预习自测题. 3.将预习中不能解决的问题标出来，并写到后面“我的疑惑”处. 教材助读： 1、从物质的导电性引入导体、绝缘体和半导体的概念； 2、金属的导电特点 3、参考课本教材：P6—P7页
【预习案】 1、半导体的定义？ 2、杂质半导体类型及导电特点 三、我的疑惑 : 【探究案】 一、基础知识探究 1、三种半导体比较 二、问题探究 1、N 型半导体本身带正电、带负电还是电中性？为什么？ 【训练案】 1、半导体与金属相比有何特点？ 2、判断分析下图中灯泡发光情况，为下节课埋下伏笔。 【我的收获】： 半导体类型 掺杂 载流子数量 多数载流子 导电性 本征半导体 N 型半导体 P 型半导体