第八讲 半导体的导电性

1、中国矿业大学 材料科学与工程学院 第二章 材料的电学性能 顾修全 本章内容 金属的导电性 合金的导电性 半导体的导电性 材料的介电性 材料的超导电性 半导体的电学性能 半导体的特点及应用 n 电子和空穴同时作为载流子，并且载流子浓度 和导电类型能通过掺杂进行控制； n 禁带宽度对应着红外至可见光波段 应用：形成pn结、晶体管、MIS场效应晶体管等基本 元件，应用于集成电路工业。 应用：通过形成一系列功能器件实现光-电、电-光转 换，应用于太阳能电池、发光二极管等领域。 我国目前的半导体工业 多晶硅生产及光伏产业 集成电路（晶圆）制造产业 发光二极管（LED）及半导体照明产业 特点： 规模大，产

2、业链齐全； 资本投入大； 原料和生产线依赖进口，产品以出口为主。 第三节 半导体的导电性 半导体材料及其能带 导电机制 PN结 半导体电学性能的测试方法 应用领域 1. 半导体材料及其能带 导带和价带重叠 绝缘体的禁带一般大于 5 eV 半导体的禁带一般小 于 3 eV 半导体材料的导电性 n 定义： n 分类： 电阻率为（10-3 109 cm）或禁带宽度（0.2 3.5 eV） 的一类材料。 u 晶体半导体 u 非晶半导体 u 有机半导体 元素半导体 Si，Ge 化合物半导体 GaN，InGaN，GaAs，Cu2O，ZnO，TiO2等 金刚石、硅和锗的对比金刚石、硅和锗的对比 三者均为金刚

3、石结构；禁带宽度分别为 5.4 eV、 1.2 eV和 0.7 eV。 在硅和锗中，一些电子在一般温度下就 能受到热激发，越过禁带占据一些导电 的能级。而当施加电场作用时，占据导 带的电子就能引起电导。为半导体。 只有在0 K时，硅和锗才变得和金刚石一 样，为绝缘体。 硅和锗是两类十分重 要的元素半导体 元素半导体 锗锗 v 锗是一种稀散元素，在地壳中分布很分散， 没有集中的矿藏。 v 煤中含有微量的锗，煤燃烧后锗以 GeO2 富集在烟道灰里，但含量也不高。 v 将 GeO2 收集、氯化、还原、提纯后可以 得到金属锗。工艺流程长，不利于大批量 生产。所以应用极为有限。 硅硅 v 硅资源十分丰富

4、，仅次于氧列第二位 v 硅的制备原料主要是石英砂。 具有良好的热导率和高温力学性能、优异的半导 体性质，可以稳定地制备大直径无位错的单晶单晶。世 界上几乎所有的集成电路都是单晶硅制成的，而且 集成电路用硅占单晶硅整个用量的 80 % 以上。此外， 绝大多数的电力电子器件 (可控硅、整流器等)、功 率晶体管都是单晶硅制成的。 硅是一种天然的电子元器件材料硅是一种天然的电子元器件材料 化合物半导体化合物半导体一般是由围绕 周期表中IV族对称位置的元 素组成的。 GaAs 砷化镓具有闪锌矿结构。也就是和硅、锗具有相似的 结构。 优点：工作温度较高，承受的电压较大，可以在更高 的频率下工作，有较好的抗

5、辐射能力等 缺点：提纯和制备 GaAs 单晶比硅困难得多，GaAs 的 寿命也比较短。 GaAs目前只用于 一些特殊的场合，如航空、航天领 域等。 砷化镓 GaAs多结太阳能电池 40 % 化合物半导体化合物半导体 化合物半导体的优点是具有范围较宽的禁带和 迁移率，可以满足不同场合的特殊要求 在一些化合物半导体中，应用了非化学计量原 理来产生杂质能级，此时组分的控制特别重要 由于纯度的限制，化合物半导体发展较为缓慢。 事实上，就整个半导体工业来说，材料工艺的 限制一直是器件发展步伐缓慢的原因。尽管理 论已经非常成熟。 半导体材料的制备 体单晶材料（如Si片） 外延薄膜（如GaAs、GaN薄膜）

6、 直拉法、区熔法等 化学气相沉积法、分子束外延法等 第三节 半导体的导电性 半导体材料及其能带 导电机制 PN结 半导体电学性能的测试方法 应用领域 2. 导电机制 本征半导体 杂质半导体 P型半导体 N型半导体 本征半导体本征半导体 “纯净”的半导体单晶体，即没有杂质和缺陷。 本征激发的过程 导带导带 价带价带 n 0 K时，导带中无电子，价带无空穴； n 一定温度下，一部分价带中的电子获 得大于Eg的能量，跃迁到导带中去； n 在外电场作用下，自由电子和空穴都 能导电，统称为载流子。 禁带宽度可以用实验方法测定 在温度 T 时，被激发到导带中的电子载流子的 浓度 ne 与禁带宽度 Eg 有

7、关， kT E Nn g 0e exp 当 Eg kT 时，半导体的电导率 可以表示为 kT E Ne g 0 exp 于是，本征半导体的电导率可以写成 kT E A g exp 实验测得的 ln与 1/T 之间的关系为一直线。 由直线的斜率即可算出禁带宽度。 v对温度十分敏感：随着温度的升高，电导 率呈指数增大，与金属正好相反 v对禁带宽度十分敏感：禁带越宽，电导率 越低 半导体的性能是由导带中的电子数和价带中的 空穴数决定的 电子和空穴可以借助于热、电、磁等形式的能 量激发产生，称为本征激发；相应形成本征半 导体 电子和空穴也可以借助于引进杂质元素而激发， 称为非本征激发；相应形成非本征半

8、导体 (杂 质半导体) 杂质半导体杂质半导体 杂质半导体杂质半导体 v半导体中的载流子是电子和空穴，这两种载流子 都可以通过引进杂质的方法而获得 v如果杂质的引进导致了电子的产生，则相应形成 的杂质半导体称为 n 型半导体 v如果杂质的引进导致了空穴的产生，则相应形成 的杂质半导体称为 p 型半导体 v杂质半导体都是固溶体 n型半导体 p型半导体 杂质中的电子容易脱离其原 子的束缚而成为导电电子 如V族杂质 杂质中能够接受电子而产生 导电空穴 如III族杂质 施主 受主 对Si和Ge来说 As+4As+5 掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后，某些电子受到很弱的束 缚，只要很少的能量

9、ED (0.040.05eV)就能让它成为自由电子。 这个电离过程称为杂质电离。 施主杂质施主杂质 被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级 施主能级位于离导带很近的禁带 施主能级上的电子吸收少量的能量ED后可以跃迁到导带 施主能级施主能级 电子能量电子能量 电子浓度分布电子浓度分布 空穴浓度分布空穴浓度分布 施主杂质电离使导带施主杂质电离使导带 电子浓度增加电子浓度增加 掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量 EA 漂移 正向偏压使耗尽 区变窄 U n型型p型型 耗尽层耗尽层耗尽层 pn结二极管的整流效应 PN结的特征：正向导通，反向截止。 应用于逻辑运

10、算电路之中。 与PN结直接相关的半导体器件 太阳能电池二极管 发光二极管光探测器 与PN结间接相关的半导体器件 晶体管：可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、 信号调制 的一种固体半导体器件 u 双极性晶体管（三极管） u 场效应晶体管（MOS晶体管） 第三节 半导体的导电性 半导体材料及其能带 导电机制 PN结 半导体电学性能的测试方法 应用领域 u 四探针法 u 霍尔效应法 u 扩展电阻法 u 伏安法（I-V） u 电容-电压法（C-V） 4. 半导体电学性能的测试方法 四探针法 I U C 23 基本原理：基本原理：以小电流使样品内部产生 压降，测量其它两根探针的电压，然 后计算材料的电

11、阻率。 其中，C 为探针系数 23 U 令 I = C ，则 优点： 不需要制备合金电极 迅速、便捷、不破坏样品 精度较高 材料学院A305室 测量范围 电阻率：10-4 103cm 方块电阻： 10-4 104 电阻：10-4 105 可测半导体材料尺寸 直径： 15130 mm 长（或高）度： 400 mm 霍尔效应法 b IB V AA 实验上称 为霍耳系数，与材料有关。 k 18791879年霍耳发现把一载流导体放在年霍耳发现把一载流导体放在 磁场中，如果磁场方向与电流方向磁场中，如果磁场方向与电流方向 垂直，则在与磁场和电流二者垂直垂直，则在与磁场和电流二者垂直 的方向上出现横向电势

12、差，这一现的方向上出现横向电势差，这一现 象称之为霍耳现象。象称之为霍耳现象。 *实验结果 载流子的正负决定 的正负 AA V b IB kV AA 0 AA V0q 0q0 AA V B I q F A A + b h 优点：优点： 测试速度快，精度高测试速度快，精度高 不仅测试电阻，而且还不仅测试电阻，而且还 可得到迁移率、载流子可得到迁移率、载流子 浓度等信息。浓度等信息。 第三节 半导体的导电性 半导体材料及其能带 导电机制 PN结 半导体电学性能的测试方法 应用领域 5. 应用领域 u 微电子领域 u 电力/电子器件领域 u 光电子领域 u 基底材料 u 探测/传感器领域 如二极管、晶体管等器件 如功率器件、微波器件等 如太阳能电池、发光二极管等 如Si单晶片、GaAs单晶片等 如气敏、压敏、光敏传感器等 半导体照明（LED) 发光二极管的结构 注：出射波长通过改变MQW的参数得以调节。 超晶格 超晶格 超晶格发光二极管的核心 作用：使注入的电子和空穴在特定区域复合，从而增强作用：使注入的电子和空穴在特定区域复合，从而增强 发光效率。发光效率。 正向偏压使 pn 结形成一个增益区： 导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转 大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光 p n 外加正偏压 注入