第二章3-半导体和超导.ppt

2.4半导体,非金属和金属的使用时间几乎和人类文明社会一样长。石器时代和青铜时代都是利用材料的力学性能硬度和韧性,半导体的应用只有约100年的时间，而最近50年是其应用最为广泛的时期，伴随着人们对半导体的物理性能逐渐深入了解，不同级别的电子计算机被制造出来，人类进入了信息时代。,人类制造的最强大的工具是计算机，人类制造的所有的电子工具（如各种传感器、机器人）都将以电子计算机为核心，即计算机是顶级工具。人类不再直接操作各种工具，而是通过计算机来操作各种工具。,元素半导体介于金属和非金属之间，现在90的半导体器件的原材料是Si，未来化合物半导体将会有很大发展,晶体管、微电子线路、集成电路、大规模集成电路不断发展，器件越来越小，速度越来越快。,半导体材料由于奇异的导电特性，实现的最重要的两个功能是,整流：电流的单向通过（二极管）,放大：电信号的放大（三极管）,计算机各种功能的实现都以二进制数据的存储和计算为基础，整流和放大是其物理基础,2.4.1本征半导体,1、简介（以硅为例）,纯度很高（10-10），可控引入杂质，改善电性能。禁带宽度是半导体的重要指标，标志其对外界因素的敏感程度。载流子两种电子：被激发到导带，在电场下，实现导带间迁移空穴：电子激发到导带后剩下的空位，吸引其他电子前来补充，实现空穴导带电子空穴迁移,本征半导体是指纯净的半导体。,关键词：载流子迁移,元素半导体化合物半导体,硅的晶体结构属于面心立方结构,硅晶格是由两个面心立方结构嵌套而成,满带,满带中的一个电子受到激发进入空带（导带），这相当于产生了一个带正电的粒子(称为“空穴”),电子和空穴总是成对出现的。,空带,满带,空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上来,这相当于空穴向下跃迁。,满带上带正电的空穴向下跃迁也是形成电流,这称为空穴导电。,在外电场作用下,解,例,半导体CdS激发电子,光波的波长最大多长？,2、半导体载流子数量的计算,与金属、离子导体不同，半导体的载流子数量随温度变化较大,取价带顶能量为零,两种载流子的状态密度分别为,电子,空穴,量子力学证明，电子和空穴的能量分别为,电子总数,本征硅中费密能级位于禁带中，而且与导带底部距离远大于kT,所以,因此,其中,导带中的电子数是温度、电子有效质量的函数,同样，可计算空穴的数量,其中,本征半导体中,得,kT很小，因此费密能级位于禁带中央,2.4.2杂质半导体,一、n型半导体（Negative）,四价的本征半导体Si、等，掺入少量五价的杂质（impurity）元素（如P、As等）形成电子型半导体,称n型半导体。,1、施主（donor）能级：量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠导带处,ED10-2eV，极易形成电子导电。该能级称为施主（donor）能级。,以硅Si为例，本征硅禁带为1.1eV，掺P后，施主能级为0.045eV,n型半导体,2、在n型半导体中:电子为多数载流子空穴为少数载流子,3、利用氢原子模型可以估计施主能级,二、P型半导体（Positive）,四价的本征半导体Si、e等，掺入少量三价的杂质元素（如、Ga、n等）形成空穴型半导体，称p型半导体。,1、受主（acceptor）能级：同样的，量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，ED10-2eV，极易产生空穴导电。,以硅Si为例，本征硅禁带为1.1eV，掺B后，受主能级为0.045eV,P型半导体,在p型半导体中：空穴为多数载流子电子为少数载流子,三、非本征半导体的电子和空穴数,条件：本征半导体中，电子处于导带底部，而且费密能级到导带底部是kT的许多倍，同样适用于非本征半导体,半导体是电中性的,以没有占据Ed能级的电子的几率乘以Nd，就可以得到占据离子化施主的数目,对于n型半导体,施主的电子很容易成为导带电子，因此离子化的施主数目就约等于导电电子的数目,于是,解之,分三个温度区域讨论其物理意义,（1）低温,费密能级位于导带底和施主能级之间，导电电子密度,（2）较高温度,费密能级随温度升高，向本征半导体费密能级接近，施主能级的电子全部跃迁到导带,（3）更高温度，半导体除了施主能级电子全部跃迁到导带，大量满带电子也由于热激发进入导带，同时产生大量空穴，本征性质陷没了n型性质，变为本征半导体,P型半导体也可以做类似的分析,与金属不同，n型半导体费密能级随温度升高而降低，同时载流子电子数量增加,2.4.3导电性和载流子迁移率,电场作用下电子的运动称为飘移运动,1、电导率和迁移率,一维经典模型，电子在电场下做飘移，获得动量,电子与其他粒子碰撞又会失去动量，当二者平衡时，电场力和碰撞平衡（平衡才好列等式）,称为这种物质中电子的迁移率,则电流密度,电导率,本征半导体中载流子为两种，电导率为两者的贡献之合,2、迁移率和温度的关系,高温或者低密度杂质：以晶格散射为主高密度杂质：以杂质散射为主,温度增高，散射增强，迁移率降低,3、电阻率和温度的关系,与金属不同，半导体载流子数量增加，虽然迁移率降低，但总体来说半导体电导率随温度增高而增高,电子和空穴的迁移本质是都是电子在迁移，只是路径不同，半导体的原子核并没有移动,半导体的其他重要技术参数,1、少子寿命,少数载流子的寿命和复合中心的多少密切相关，是半导体“纯净度”的标志,2、少子的复合和陷阱效应,3、载流子扩散爱因斯坦关系,以n型半导体为例，其中少子为空穴，采用光激发，在简化情况下，过剩载流子浓度随时间按指数规律衰减,为衰减的时间常数，是过剩载流子的平均存在时间,能斯特爱因斯坦方程,1、结的形成,在一块n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为p型半导体。,半导体的主要应用,由于区的电子向区扩散，区的空穴向区扩散，在型半导体和型半导体的交界面附近产生了一个电场,称为内建场。,内建场大到一定程度,不再有净电荷的流动，达到了新的平衡。,在型n型交界面附近形成的这种特殊结构称为P-N结，约0.1m厚。,P-N结,n型,p型,内建场阻止电子和空穴进一步扩散，记作。,P-N结处存在电势差Uo,也阻止N区带负电的电子进一步向P区扩散。,它阻止P区带正电的空穴进一步向N区扩散；,电势曲线,电子能级,U0,考虑到P-结的存在，半导体中电子的能量应考虑进这内建场带来的电子附加势能。,电子的能带出现弯曲现象。,空带,空带,P-N结,施主能级,受主能级,满带,满带,-结的单向导电性,.正向偏压,在-结的p型区接电源正极，叫正向偏压。,阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向N区运动，电子向P区运动，形成正向电流（m级）。,外加正向电压越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的伏安特性(图为锗管)。,2.反向偏压,在-结的型区接电源负极,叫反向偏压。,阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向区运动，也不利于电子向P区运动,没有正向电流。,但是，由于少数载流子的存在，会形成很弱的反向电流，,称为漏电流（级）。,当外电场很强,反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大-反向击穿。,利用P-N结可以作成具有整流、开关等作用的晶体二极管（diode）。,2、晶体管,在实践中，放大电路的用途是非常广泛的，晶体管电流控制，把微弱的电信号增强到所要求的数值。,例如常见的扩音机就是一个把微弱的声音变大的放大电路。声音先经过话筒变成微弱的电信号，经过放大器，利用晶体管的控制作用，把电源供给的能量转为较强的电信号，然后经过扬声器(喇叭)还原成为放大了的声音。,晶体管结构,（1）发射区向基区发射电子形成电流IE,（2）电子在基区的扩散和复合，形成电流IC,（3）集电极收集电子IB,有IEICIB,基极电流IB很小，集电极电流IC较大，但在晶体管的放大工作区域，二者变化情况相同，即IB被放大为IC,1958年8月16日发明了第一个具有使用功能的集成电路,基尔比到得克萨斯仪器公司工作的时间并不长，还没有休假资格。同事们休假时，实验室里只剩下他一个人。他突然产生了一个绝妙的主意：简化线路，把晶体管、电阻和电容器集中焊在一小块具有半导性质的锗块上。,3、集成电路（IC）,集成电路的编织（Fabrication）,封装好的集成电路,集成电路的内部的集成元件线度很小，现在可以达到0.1微米，一粒灰尘就可以使其中一个电容短路，一次静电放电就可以烧毁几个电阻，因此集成电路的制造车间空气必须为超高纯净,大规模集成电路（VLIC）,集成电路的组成就是大量、但非常微小的晶体管、电容、电阻的组合，应用及其广泛。,大规模集成电路的制造（硅基片）,收音机、手机等各种电器越练越轻巧，就是各种集成电路的应用结果,最小的集成电路，用来钞票防伪,2.5超导电性,一、超导电现象,在一定低温条件下，金属（后来发现氧化物）突然失去电阻的现象转变温度：超导体电阻降为零的温度。,二、超导体的三个属性,（1）零电阻（2）迈斯纳效应完全抗磁性（3）通量量子化,发展方向：由单质向化合物，由低温向高温，理论仍有缺陷（量子力学也不能解释氧化物超导现象）,表征超导体性质的三个指标,（1）转变温度（实用在液氮温度）（2）临界磁场（3）临界电流,超导体分为I类和II类I类有一个临界磁场II类有两个临界磁场,YBaCuO在电子显微镜下,构成氧化物高温超导体的化学元素昂贵,合成的超导材料脆性大,难以加工成线材,使其应用受到极大的局限,三、BCS理论,载流子：库柏电子对,巴丁、库柏和施里弗由于提出超导电性的BCS理论获1972年诺贝尔物理学奖，但对于氧化物超导体不能很好的解释，新的理论还有待于新的诺贝尔奖获得者去发现。,BCS理论：电子在晶体中受声子的影响，在低温的情况下，两个电