武汉理工-材料物理学课件9.ppt

第5章导电物理,本章将介绍金属材料和半导体材料（也包括半导体陶瓷）的导电机制，着重从能带结构的角度分析材料的导电行为。本章还介绍了利用材料的导电物理特性制得的一些功能材料，例如p-n结、晶体管等。,本章提要,5.1概述,5.2材料的导电性能,5.4半导体物理,5.3金属电导,5.5超导物理,2个学时,4个学时,4个学时,第5章导电物理,2个学时,10个学时,5.4半导体物理,5.4.1半导体与p-n结,5.4.2半导体的物理效应,5.4.3能带理论在半导体中的应用,5.4.4半导体陶瓷的缺陷化学理论基础,2个学时,2个学时,2个学时,4个学时,5.4.1半导体与p-n结,5.4.1.1本征半导体与非本征半导体,纯硅和纯锗属于本征半导体。这里，“本征”是具有“原本特征”的意思。这些半导体的禁带Eg比较小，具有足够热能的电子能够越过禁带，从价带被激发到导带。被激发的电子原来占据的价带的能级上则留下一个空穴。,如果一个电子过来填充这个空穴，那么它原来的能级上又会出现一个空穴。所以空穴可以携带一个正电荷，空穴的移动也会产生电流。如果在半导体材料上加上电压，导带上的电子朝正极移动，价带上的空穴则向负极移动,图5.4-1在外加电压作用下,半导体中的电子在导带中移动,空穴则在价带中朝相反方向移动,本征半导体中，通过控制温度来控制载流子的数量及其导电性。在绝对零度时，所有的电子都处于价带，导带中的所有能级都是空的。当温度升高时，电子占据导带能级的可能性也增加，半导体的导电性也随之增加。半导体中的导电性与温度的这种关系刚好与金属相反。在金属中，导电性是随着温度升高而降低的。,在实际应用中，本征半导体由于两种载流子的数量相等，显示不出它们彼此的特性。所以不能用来制作晶体管之类的电子器件。但是本征半导体对光、射线、温度的作用非常敏感，使半导体的载流子数量随之发生明显变化，因此可用来制作一些探测器。,锗比硅容易提纯，所以最初发明的半导体三极管是锗制成的。但是，锗的禁带宽度（0.67eV）只有硅的禁带宽度（1.11eV）的大约一半，所以硅的电阻率比锗大，而且在较宽的禁带中能够更加有效地设置杂质能级，所以后来硅半导体逐渐取代了锗半导体。硅取代锗的另一个主要原因是在硅的表面能够形成一层极薄的SiO2绝缘膜，从而能够制备MOS型三极管。,除了硅和锗以外，还出现了像砷化镓（GaAs）这样由族元素和族元素组成的化合物半导体。在化合物半导体中，载流子的移动速率远远大于硅和锗，所以能够制备更加高速的大规模集成电路。,由于温度会影响本征半导体的导电性，所以很难严格控制本征半导体的性能。但是，如果在半导体材料中加入杂质，可以得到非本征半导体。非本征半导体的导电性主要取决于添加的杂质原子的数量，而在一定温度范围内与温度关系不大。,5.4.1.2n型半导体和p型半导体,如果在硅或锗中添加的施主是像锑或磷一样的5价元素，那么锑或磷中的4个价电子会参加共价键结合。富余的那个价电子有可能进入导带，参加导电。向本征半导体提供电子作为载流子的杂质元素称为施主。掺入了施主杂质的非本征半导体以负电荷（电子）作为载流子，所以称为n（negative，表示负电荷的意思）型半导体。,n型半导体,施主的富余价电子所处的杂质原子的电子能级低于半导体的导带。这个富余价电子并没有被施主原子束缚得很紧，只要有一个很小的能量Ed就可以使这个电子进入导带。施主的这个价电子进入导带后，不会在价带中产生空穴。随着温度的升高，越来越多的施主电子越过禁带Ed进入导带，最后所有的施主的电子都进入导带，此时称为施主耗尽。如果温度继续升高，电导率将维持一个常量。在更高的温度下，才会出现本征半导体产生的导电性。,图5.4-2n型半导体,a）掺杂b）能级图,如果在硅或锗中添加的杂质是像镓（Ga）一样的3价元素，没有足够的电子参与共价键的结合。如果价带上的其他电子过来填充这个空穴，在价带上就会产生一个新的空穴，参加导电。向本征半导体提供空穴作为载流子的杂质元素称为受主。掺入了受主杂质的非本征半导体以正电荷（空穴）作为载流子，所以称为p（positive，表示正电荷的意思）型半导体。,价带上的电子只有获得能量Ea，才能跃迁上去填充受主的空穴而在价带上产生空穴。价带上的空穴可以移动，传导电流。,p型半导体,a）掺杂b）能级图,图5.4-3p型半导体,表5.4硅与锗中的施主能级Ed(eV)和受主的能级Ea(eV),图5.4.4半导体的电导率与温度的关系,半导体的电导率与温度的关系,本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的数量相等，而非本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的数量是不相等的。非本征半导体中的由于杂质原子而形成的载流子称为多数载流子，虽然掺入的杂质原子的数量与半导体原子数量相比只是少数。而本征半导体中由于热激发等产生的载流子称为少数载流子。,本征半导体和非本征半导体的主要区别,化合物半导体通常具有与硅和锗相似的能带结构。周期表的族元素和族元素是典型的例子。族元素镓（Ga）和族元素砷（As）结合在一起形成化合物砷化镓。在砷化镓中，每个原子平均有4个价电子。镓的4s24p1能级与砷的4s24p3的能级形成2个杂化能带。每个能带能够容纳4N个电子。价带和导带之间的禁带宽度为1.35eV。砷化镓半导体掺杂后也可以形成p型半导体或n型半导体。化合物半导体的禁带较大，所以耗尽区平台也较宽。而且化合物半导体中载流子的移动速率较大，所以它的导电性比较好。,离子化合物半导体又称为缺陷半导体。在离子化合物半导体中，如果含有多余的阴离子，则为p型半导体；含有多余的阳离子，则为n型半导体。许多氧化物和硫化物都有这种半导体性能。,图5.4.5n型半导体ZnO的形成,半导体热电仪。半导体的导电性与温度有关。利用这一特性可以制成半导体热电仪，用于火灾报警器。,压力传感器。能带结构和禁带结构与材料中的原子之间的距离有关。处于高压下的半导体材料，其原子间距离变小，禁带也随之变小，电导率增大。所以通过测量电导率的变化，就可以测量压力。,半导体的应用,5.4.1.2p-n结,图5.4.6p-n结的导电行为,图5.4.7p-n结的伏安特性,图5.4.8p-n结的整流效应,p-n结的反向击穿,在p-n结处于反向偏压时，一般只有很小的漏电流，这是由于热激发的少量电子和空穴引起的。但是，如果反向偏压太大，通过p-n结的绝缘区的漏电流的载流子将会被大大加速，从而激发出其他的载流子，导致在反向偏压下也产生一个很大的电流。这种现象称为p-n结的反向击穿,可以通过调节半导体掺杂和p-n结的结构来改变p-n结的反向许可电压。当电路上的电压超过反向许可电压时，p-n结的