第二章_材料的导电性能3 武汉理工大学出版社
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0
k
半导体能带结构示意图
2.3.2.半导体的导电性特征
(1)温度敏感性：对于温度非 常敏感，本征导电性随温 度升高呈指数规律增强 (2)杂质敏感性：异常敏感， 是所有材料性能中对于杂 质(或掺杂)最敏感的性能 (3)光照敏感性：受电磁波辐 射 ( 波长小于吸收限的所 有电磁辐射，包括可见光、 甚至 近 红 外 线 ) ， 导电性 大幅度增加，具有光致导 电 效 应 (photoconductivity) 载流子情况：
第一项与杂质浓度无关。第二项与施主杂质浓度 N D 有关 ，因为 E g E i ，故在低温时，上式第二项起主要作用； 高温时杂质能级上的有关电子已全部离解激发，温度继续 升高时，电导率增加是属于本征电导性（即第一项起主要 作用）。本征半导体或高温时的杂质半导体的电导率与温 度的关系可简写为：
0 exp E g 2 k T
Si Si Si
Байду номын сангаас
Si
ns2np2
Si
Si
Si e Si
Si
由于热运 动，电子 从键上脱 离，留下 空穴
E
k’ 导带底 k 价带顶
导带
Eg 价带 EF
0
k
4）本征导体的电导率
本征载流子（自由电子和空穴）浓度：
本征载流子迁移率－单位场强下自由电子和空穴的平均漂移 速度
在漂移过程中，载流子不断地互相碰撞，使得大量载流 子定向漂移运动的平均速度为一个恒定值，并与电场强度E 成正比。自由电子和空穴的定向平均漂移速度分别为
P 型半导体能带示意图 受主能级 EA，对于轻度掺杂，EA 接近价带顶部
“P Type”
Conduction Band
杂质原子接受的电子能量高于价 带顶部能量，但十分接近价带。
Ea 是电子从价带跳到杂质原子能 级所需能量，称为受主能级；三 价元素原子为受主杂质。 在常温下，处于价带中的价电子 都可以进入受主 能级。所以每一 个 三价杂质元素的原子都能接受 一个价电子，而在价带中产 生一 个空穴。
微电子技术应用： Si、Ge基半导体为主
光学应用－激光器等 GaAs, InSb, InP等 信息技术中光电转换： 光电导
信息传输的基础，信息存储
光电信号转换的基础
半导体材料的发展与器件紧密相关。可以说，电子工业的发展 和半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和开拓的强 大动力；而材料质量的提高和新型半导体材料的出现，又优化 了半导体器件性能，产生新的器件，两者相互影响，相互促进。
材料制备—— 超常规条件与技术 超净室技术 区域熔化提纯技术起源 单晶体生长技术—— 完全消除晶界 低位错密度晶体生长技术 离子注入合金化技术/快速扩散掺杂
半导体材料能带特征
价带、导带及能带间隙
间接带隙与直接带隙半导体 能带间隙： Eg ＝ EC − EV 大小随温度升高小幅降低 固溶体可以调节 掺杂半导体有掺杂能级
2.3.2 半导体的导电性特征：
•室温下，半导体的电阻率介于10-2 ～ 109Ω·cm；
E
Eg
•半导体：Eg<2eV
•半导体导电率随温度按指数规律变化 • 对光照、电/磁场以及自身成分结构具有 敏感性 在绝对零度和无外界影响的条件下，半导 体的空带中无运动的电子。但当温度升高 或受光照射时，也就是半导体受到热激发 时，共价键中的价电子由于从外界获得了 能量，其中部分获得了足够大能量的价电 子就可以挣脱束缚，离开原子而成为自由 电子。
迁移率
电流密度－单位面积的电流 本征半导体在电场E作用下，空穴载流子将沿E方向作定向 漂移运动，产生空穴电流ip；自由电子将逆电场方向作定向 漂移运动，产生电子电流 in 。 总电流密度J为： J qnv
J J n J p eni vn epi v p eni n E eni p E
“N Type”
Many ELECTRONS!
Conduction Band
Eg ED
杂质原子电子 成为导电电子 所需能量 10-2ev
硅原子电子 成为导电电子 所需能量
Donor Level ND = where thermal electrons can easily go
Valence Band
2.3.5 杂质半导体的导电特性
当纯净的半导体掺入适量的杂质时，也可以提供载流子，
其导电性能有很大的改善(增大)，导电机理也有所不同，这 种半导体为杂质半导体。
－两种杂质：施主杂质（denoter) 和受主杂质 (accepter)
施主杂质：向导带提供电子的杂质，ⅤA= P, As
受主杂质：价带向其提供电子/向价带提供空穴, ⅢA= B
4）本征半导体和杂质半导体的电导率
对本征半导体，其电导率为：
ne e e n h e h
Ne
E g 2 kT
e
h e
1 2
n 型半导体电导率为：
N exp E g 2 kT e h e N C N D exp Ei 2 kT e e
3）杂质半导体中的载流子浓度
设 n 型半导体单位体积中有 N D个施主原子，施主能级 为 ED ，具有电离能 E E E
i c D
导带中的电子浓度ne 和费米能级为：
1 2
ne N c N D exp EC E D 2 kT 1 1 NC E f EC E D kT ln 2 2 ND
20 世纪 70年代以来，电子技术以前所未有的速度突飞猛进， 尤其是微电子技术的兴起，使人类从工业社会进人信息社会。 微电子技术是电子器件与设备微型化的技术，一般是指半导体 技术和集成电路技术。它集中反映出现代电子技术的发展特点， 从而出现了大规模集成电路和超大规模集成电路。这样就促使 对半导体材料提出了愈来愈高的要求，使半导体材料的主攻目 标更明显地朝着高纯度、高均匀性、高完整性、大尺寸方向发 展。
本征半导体的电阻率：
E E 1 i J eni n E eni p E eni ( n p )
本征电导率：
Eg i eni ( n p ) 0 exp 2 kT 1
本征半导体的电学特性
1)本征激发成对产生自由电子和空穴， 自由电子浓度与空穴浓度相等； 2)禁带宽度Eg 越大，载流子浓度ni 越小； 3)温度升高时载流子浓度ni 增大。 4)载流子浓度ni 与原子密度相比是极小的，所以本征半导 体的导电能力很微弱。
即使是百万分之一量级的掺杂浓度，也可使得载流子浓 度提升到 1016/cm3量级的水平，远大于本征载流子浓度， 相应地半导体的导电能力得到大幅提高。掺杂特性
然而随着温度的升高，本征载流子的浓度迅速增长，而
杂质提供的载流子则基本上不再改变了。因此，高温时， 即使是掺杂半导体，由于本征激发将占主导地位，使总体 上将表现出本征半导体的特点。从这里我们也可以理解， 为什么通常的电子器件不能在高温下使用的原因之一就是
2.3.1
半导体材料概况
(1) 依据化学组元个数，分为 • 元素半导体－Si、Ge • 化合物半导体－ III-V族 GaAs, InSb, InP 等 II-VI族 CdS, CdTe, ZnO等 (Ga1－xAlx)As, HgCdTeS等 (2) 依据电子参与成键情况 • 本征半导体 所有外层电子都成键； 所有结合键上电子都满额 • 掺杂半导体 － N型： Si(As,P) － P型： Si(B,Al,Ga)
2.3.1
半导体材料概况
• 掺杂半导体 － N型： Si(As,P)，多余电子 － P型： Si(B,Ga)，多余空穴
结构特征：代位式固溶体
2.3.1
半导体材料概况
信息技术基本环节： 产生—处理(微电子技术，计算 机)—传输(激光载体，光纤)— 存储(光、磁存储，光盘、磁盘)
信息处理的基础
(3) 主要用途
Eg
Acceptor Level
EA
Many HOLES!
Valence Band
EV
EA-EV ~ 0.04eV，极容易热激发至受主能级
J j p epp p E
价带中有来自受主提供的大量的空穴，主要载流子，多子 导带中有少数由于本征激发的电子，少量载流子，少子 p >> n, 空穴浓度大于电子浓度
到空带中，价带中就留下一些空状态，形成自由电子和空穴 导带中的电子和价带中的空穴，由热激发产生 价带中的空穴浓度（p）和导带中电子浓度（n）相等 电子和空穴是成对出现的－（人与座位）
硅或锗的晶体结构
金刚石型的结构，每个原子的最近邻有四个原子，组成正四 面体，每个硅或锗原子最外层有四个价电子。单晶硅或锗中原子 与相邻的四个原子通过共价键结合起来。
－N 型和 P 型半导体 N 型：载流子以导带电子为主，而电子主要由施主提供 P 型：载流子以价带空穴为主，而空穴主要由受主提供
1）N 型半导体
Si
Si
Si
Si
P
P
Si Si Si
五价元素如 P
电子
N 型半导体，这里的 P 提供电子
N 型半导体能带示意图
施主能级 ED，对于轻度掺杂，ED 接近导带底部
Eg-Ed ~ 0.01eV，极容易热 激发至导带
•常温下，每个掺入的五价元素原子的多余价电子都可以 进入导带成为自由电子，因而导带中的自由电子数比本征 半导体显著地增多。
2）P 型半导体
Si
Si
Si
Si
B
B
Si Si
Si
三价元素如 B
空穴
P 型半导体，这里 B 提供空穴 掺入三价杂质元素（硼， 铝，镓，铟）后，三价 元素原子只有三个价电 子，当其取代点阵中的 硅原子并与周围的硅原 子形成共价键时，必然 缺少一个价电子，形成 一个空位置。
在较高温度下本征激发了，导致器件失效。
通常一块半导体材料中往往同时含有两种类型的杂质， 这时半导体的性质主要取决于掺杂浓度高的杂质。
实际晶体的导电机构比较复杂，与温度关系如下：
图(a)中表示在该温度区间具有始终如一的电子跃迁机构； 图(b)中表示在低温区以杂质电导为主，高温区以本征电导 为主； 图(c)中表示在同一晶体中同时存在两种杂质时的电导特性 。
第二章 材料的电学性能
目录
1
2.1导体、绝缘体和半导体的划分 2.2金属的导电性 2.3半导体的电学性能
2
3
4
2.4电介质材料及其介电性能
2.5压电材料及其介电性能 2.6热释电材料及其介电性能 2.7铁电材料及其介电性能 2.8热电材料及其介电性能 2.9超导材料及其超导电性
2.3半导体材料导电性
导带电子n＋价带空穴p
本征半导体中，价带电 子激发到导带中而产生载 流子，故 n＝p 掺杂半导体中受掺杂的 影响： N 型半导体中以导 带电子为主要载流子；而 P 型半导体中以价带空穴 为主要载流子
电导率理论公式：
= ph e ＋ n e e
2.3.3.半导体结构与能带特征
晶体结构特征： 维持键合特点，保持原子比例，使平均价电子数为4； 掺杂原子代位固溶；掺杂量很少，保持基体结构不变； 纯度极高 晶体缺陷极低
p
型半导体：
Ne
E g
2 kT
e h e N V N A
1 2
Ei exp ee 2 kT
5）杂质半导体的电导率随温度的变化关系
N型半导体电导率随温度的变化
随温度的增加，越来越多的施主杂 质电子能进入导带，最后直到所有 杂质电子全部进入导带。当达到这 一温度时，称为施主耗尽。此时电 导率为常数（因为温度太低，无本 征电子及空穴的导电）。 通常选择在施主耗尽即平台温度的 范围内工作。
2.3.4半导体的本征导电
1）本征半导体－纯净的无结构缺陷半导体单晶，如单晶Si。 2）本征激发－即在一定的温度下，由于热激发的作用，一部分 价电子可以获得超过带隙（Eg）的附加能量而从价带跃迁至 导带，这种过程为本征激发 ;（而不借助掺杂，台阶）
3）本征载流子－半导体受到热激发，满带中的部分价电子跃迁
p型半导体的载流子主要为空穴，仿照上式可得：
ne N V N A exp E A EV 2 kT 1 1 NA E f EV E A kT ln 2 2 NV
式中：
1 2
NA EA Ei
——受主杂质浓度， ——受主能级， ——电离能，
Ei EA - EV
k
半导体能带结构示意图
2.3.2.半导体的导电性特征
(1)温度敏感性：对于温度非 常敏感，本征导电性随温 度升高呈指数规律增强 (2)杂质敏感性：异常敏感， 是所有材料性能中对于杂 质(或掺杂)最敏感的性能 (3)光照敏感性：受电磁波辐 射 ( 波长小于吸收限的所 有电磁辐射，包括可见光、 甚至 近 红 外 线 ) ， 导电性 大幅度增加，具有光致导 电 效 应 (photoconductivity) 载流子情况：
第一项与杂质浓度无关。第二项与施主杂质浓度 N D 有关 ，因为 E g E i ，故在低温时，上式第二项起主要作用； 高温时杂质能级上的有关电子已全部离解激发，温度继续 升高时，电导率增加是属于本征电导性（即第一项起主要 作用）。本征半导体或高温时的杂质半导体的电导率与温 度的关系可简写为：
0 exp E g 2 k T
Si Si Si
Байду номын сангаас
Si
ns2np2
Si
Si
Si e Si
Si
由于热运 动，电子 从键上脱 离，留下 空穴
E
k’ 导带底 k 价带顶
导带
Eg 价带 EF
0
k
4）本征导体的电导率
本征载流子（自由电子和空穴）浓度：
本征载流子迁移率－单位场强下自由电子和空穴的平均漂移 速度
在漂移过程中，载流子不断地互相碰撞，使得大量载流 子定向漂移运动的平均速度为一个恒定值，并与电场强度E 成正比。自由电子和空穴的定向平均漂移速度分别为
P 型半导体能带示意图 受主能级 EA，对于轻度掺杂，EA 接近价带顶部
“P Type”
Conduction Band
杂质原子接受的电子能量高于价 带顶部能量，但十分接近价带。
Ea 是电子从价带跳到杂质原子能 级所需能量，称为受主能级；三 价元素原子为受主杂质。 在常温下，处于价带中的价电子 都可以进入受主 能级。所以每一 个 三价杂质元素的原子都能接受 一个价电子，而在价带中产 生一 个空穴。
微电子技术应用： Si、Ge基半导体为主
光学应用－激光器等 GaAs, InSb, InP等 信息技术中光电转换： 光电导
信息传输的基础，信息存储
光电信号转换的基础
半导体材料的发展与器件紧密相关。可以说，电子工业的发展 和半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和开拓的强 大动力；而材料质量的提高和新型半导体材料的出现，又优化 了半导体器件性能，产生新的器件，两者相互影响，相互促进。
材料制备—— 超常规条件与技术 超净室技术 区域熔化提纯技术起源 单晶体生长技术—— 完全消除晶界 低位错密度晶体生长技术 离子注入合金化技术/快速扩散掺杂
半导体材料能带特征
价带、导带及能带间隙
间接带隙与直接带隙半导体 能带间隙： Eg ＝ EC − EV 大小随温度升高小幅降低 固溶体可以调节 掺杂半导体有掺杂能级
2.3.2 半导体的导电性特征：
•室温下，半导体的电阻率介于10-2 ～ 109Ω·cm；
E
Eg
•半导体：Eg<2eV
•半导体导电率随温度按指数规律变化 • 对光照、电/磁场以及自身成分结构具有 敏感性 在绝对零度和无外界影响的条件下，半导 体的空带中无运动的电子。但当温度升高 或受光照射时，也就是半导体受到热激发 时，共价键中的价电子由于从外界获得了 能量，其中部分获得了足够大能量的价电 子就可以挣脱束缚，离开原子而成为自由 电子。
迁移率
电流密度－单位面积的电流 本征半导体在电场E作用下，空穴载流子将沿E方向作定向 漂移运动，产生空穴电流ip；自由电子将逆电场方向作定向 漂移运动，产生电子电流 in 。 总电流密度J为： J qnv
J J n J p eni vn epi v p eni n E eni p E
“N Type”
Many ELECTRONS!
Conduction Band
Eg ED
杂质原子电子 成为导电电子 所需能量 10-2ev
硅原子电子 成为导电电子 所需能量
Donor Level ND = where thermal electrons can easily go
Valence Band
2.3.5 杂质半导体的导电特性
当纯净的半导体掺入适量的杂质时，也可以提供载流子，
其导电性能有很大的改善(增大)，导电机理也有所不同，这 种半导体为杂质半导体。
－两种杂质：施主杂质（denoter) 和受主杂质 (accepter)
施主杂质：向导带提供电子的杂质，ⅤA= P, As
受主杂质：价带向其提供电子/向价带提供空穴, ⅢA= B
4）本征半导体和杂质半导体的电导率
对本征半导体，其电导率为：
ne e e n h e h
Ne
E g 2 kT
e
h e
1 2
n 型半导体电导率为：
N exp E g 2 kT e h e N C N D exp Ei 2 kT e e
3）杂质半导体中的载流子浓度
设 n 型半导体单位体积中有 N D个施主原子，施主能级 为 ED ，具有电离能 E E E
i c D
导带中的电子浓度ne 和费米能级为：
1 2
ne N c N D exp EC E D 2 kT 1 1 NC E f EC E D kT ln 2 2 ND
20 世纪 70年代以来，电子技术以前所未有的速度突飞猛进， 尤其是微电子技术的兴起，使人类从工业社会进人信息社会。 微电子技术是电子器件与设备微型化的技术，一般是指半导体 技术和集成电路技术。它集中反映出现代电子技术的发展特点， 从而出现了大规模集成电路和超大规模集成电路。这样就促使 对半导体材料提出了愈来愈高的要求，使半导体材料的主攻目 标更明显地朝着高纯度、高均匀性、高完整性、大尺寸方向发 展。
本征半导体的电阻率：
E E 1 i J eni n E eni p E eni ( n p )
本征电导率：
Eg i eni ( n p ) 0 exp 2 kT 1
本征半导体的电学特性
1)本征激发成对产生自由电子和空穴， 自由电子浓度与空穴浓度相等； 2)禁带宽度Eg 越大，载流子浓度ni 越小； 3)温度升高时载流子浓度ni 增大。 4)载流子浓度ni 与原子密度相比是极小的，所以本征半导 体的导电能力很微弱。
即使是百万分之一量级的掺杂浓度，也可使得载流子浓 度提升到 1016/cm3量级的水平，远大于本征载流子浓度， 相应地半导体的导电能力得到大幅提高。掺杂特性
然而随着温度的升高，本征载流子的浓度迅速增长，而
杂质提供的载流子则基本上不再改变了。因此，高温时， 即使是掺杂半导体，由于本征激发将占主导地位，使总体 上将表现出本征半导体的特点。从这里我们也可以理解， 为什么通常的电子器件不能在高温下使用的原因之一就是
2.3.1
半导体材料概况
(1) 依据化学组元个数，分为 • 元素半导体－Si、Ge • 化合物半导体－ III-V族 GaAs, InSb, InP 等 II-VI族 CdS, CdTe, ZnO等 (Ga1－xAlx)As, HgCdTeS等 (2) 依据电子参与成键情况 • 本征半导体 所有外层电子都成键； 所有结合键上电子都满额 • 掺杂半导体 － N型： Si(As,P) － P型： Si(B,Al,Ga)
2.3.1
半导体材料概况
• 掺杂半导体 － N型： Si(As,P)，多余电子 － P型： Si(B,Ga)，多余空穴
结构特征：代位式固溶体
2.3.1
半导体材料概况
信息技术基本环节： 产生—处理(微电子技术，计算 机)—传输(激光载体，光纤)— 存储(光、磁存储，光盘、磁盘)
信息处理的基础
(3) 主要用途
Eg
Acceptor Level
EA
Many HOLES!
Valence Band
EV
EA-EV ~ 0.04eV，极容易热激发至受主能级
J j p epp p E
价带中有来自受主提供的大量的空穴，主要载流子，多子 导带中有少数由于本征激发的电子，少量载流子，少子 p >> n, 空穴浓度大于电子浓度
到空带中，价带中就留下一些空状态，形成自由电子和空穴 导带中的电子和价带中的空穴，由热激发产生 价带中的空穴浓度（p）和导带中电子浓度（n）相等 电子和空穴是成对出现的－（人与座位）
硅或锗的晶体结构
金刚石型的结构，每个原子的最近邻有四个原子，组成正四 面体，每个硅或锗原子最外层有四个价电子。单晶硅或锗中原子 与相邻的四个原子通过共价键结合起来。
－N 型和 P 型半导体 N 型：载流子以导带电子为主，而电子主要由施主提供 P 型：载流子以价带空穴为主，而空穴主要由受主提供
1）N 型半导体
Si
Si
Si
Si
P
P
Si Si Si
五价元素如 P
电子
N 型半导体，这里的 P 提供电子
N 型半导体能带示意图
施主能级 ED，对于轻度掺杂，ED 接近导带底部
Eg-Ed ~ 0.01eV，极容易热 激发至导带
•常温下，每个掺入的五价元素原子的多余价电子都可以 进入导带成为自由电子，因而导带中的自由电子数比本征 半导体显著地增多。
2）P 型半导体
Si
Si
Si
Si
B
B
Si Si
Si
三价元素如 B
空穴
P 型半导体，这里 B 提供空穴 掺入三价杂质元素（硼， 铝，镓，铟）后，三价 元素原子只有三个价电 子，当其取代点阵中的 硅原子并与周围的硅原 子形成共价键时，必然 缺少一个价电子，形成 一个空位置。
在较高温度下本征激发了，导致器件失效。
通常一块半导体材料中往往同时含有两种类型的杂质， 这时半导体的性质主要取决于掺杂浓度高的杂质。
实际晶体的导电机构比较复杂，与温度关系如下：
图(a)中表示在该温度区间具有始终如一的电子跃迁机构； 图(b)中表示在低温区以杂质电导为主，高温区以本征电导 为主； 图(c)中表示在同一晶体中同时存在两种杂质时的电导特性 。
第二章 材料的电学性能
目录
1
2.1导体、绝缘体和半导体的划分 2.2金属的导电性 2.3半导体的电学性能
2
3
4
2.4电介质材料及其介电性能
2.5压电材料及其介电性能 2.6热释电材料及其介电性能 2.7铁电材料及其介电性能 2.8热电材料及其介电性能 2.9超导材料及其超导电性
2.3半导体材料导电性
导带电子n＋价带空穴p
本征半导体中，价带电 子激发到导带中而产生载 流子，故 n＝p 掺杂半导体中受掺杂的 影响： N 型半导体中以导 带电子为主要载流子；而 P 型半导体中以价带空穴 为主要载流子
电导率理论公式：
= ph e ＋ n e e
2.3.3.半导体结构与能带特征
晶体结构特征： 维持键合特点，保持原子比例，使平均价电子数为4； 掺杂原子代位固溶；掺杂量很少，保持基体结构不变； 纯度极高 晶体缺陷极低
p
型半导体：
Ne
E g
2 kT
e h e N V N A
1 2
Ei exp ee 2 kT
5）杂质半导体的电导率随温度的变化关系
N型半导体电导率随温度的变化
随温度的增加，越来越多的施主杂 质电子能进入导带，最后直到所有 杂质电子全部进入导带。当达到这 一温度时，称为施主耗尽。此时电 导率为常数（因为温度太低，无本 征电子及空穴的导电）。 通常选择在施主耗尽即平台温度的 范围内工作。
2.3.4半导体的本征导电
1）本征半导体－纯净的无结构缺陷半导体单晶，如单晶Si。 2）本征激发－即在一定的温度下，由于热激发的作用，一部分 价电子可以获得超过带隙（Eg）的附加能量而从价带跃迁至 导带，这种过程为本征激发 ;（而不借助掺杂，台阶）
3）本征载流子－半导体受到热激发，满带中的部分价电子跃迁
p型半导体的载流子主要为空穴，仿照上式可得：
ne N V N A exp E A EV 2 kT 1 1 NA E f EV E A kT ln 2 2 NV
式中：
1 2
NA EA Ei
——受主杂质浓度， ——受主能级， ——电离能，
Ei EA - EV