武汉理工材料物理学9PPT学习教案

1、会计学1 武汉理工材料物理学武汉理工材料物理学9 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 第第5章章 导电物理导电物理 2个学时 10个学时 第1页/共32页 5.4半导体物理 半导体与p-n结 半导体的物理效应 能带理论在半导体中的应 用 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 第2页/共32页 半导体与p-n结 本征半导体与非本征半导体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，纯硅和纯锗属于本征半导体。这里，“本征本征” 是具有是具有“原本特征原本特征”的意思。这些半导体的禁的意

2、思。这些半导体的禁 带带Eg比较小，具有足够热能的电子能够越过比较小，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。来占据的价带的能级上则留下一个空穴。 第3页/共32页 如果一个电子过来填充这个空穴，那么它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

3、的空，导带上的电子朝正极移动，价带上的空 穴则向负极移动穴则向负极移动 第4页/共32页 图图5.4-1在外加电压作用下在外加电压作用下,半导体中的电子在半导体中的电子在 导带中移动导带中移动,空穴则在价带中朝相反方向移动空穴则在价带中朝相反方向移动 第5页/共32页 第6页/共32页 第7页/共32页 本征半导体中，通过控制温度来控制载流本征半导体中，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，电子占据导带都是空的。当温度升高时，电子占据导带

4、 能级的可能性也增加，半导体的导电性也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。性是随着温度升高而降低的。 第8页/共32页 在实际应用中，本征半导体由于两种载流在实际应用中，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。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、温度的件。但是本征半导体对光、射线、温度的 作用非常

5、敏感，使半导体的载流子数量随作用非常敏感，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之发生明显变化，因此可用来制作一些探 测器。测器。 第9页/共32页 锗比硅容易提纯，所以最初发明的半导体锗比硅容易提纯，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（）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质能级，所以后来硅半导体逐

6、渐取代了锗 半导体。硅取代锗的另一个主要原因是在半导体。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硅的表面能够形成一层极薄的SiO2绝缘膜绝缘膜 ，从而能够制备，从而能够制备MOS型三极管。型三极管。 第10页/共32页 除了硅和锗以外，还出现了像砷化镓（除了硅和锗以外，还出现了像砷化镓（ GaAs）这样由）这样由族元素和族元素和族元素组成族元素组成 的化合物半导体。在化合物半导体中，载的化合物半导体。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。够制备更加高速的大规模集成电路。 第11页/共32页

7、 由于温度会影响本征半导体的导电性，所以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。围内与温度关系不大。 第12页/共32页 型半导体和型半导体和p型半导体型半导体 如果在硅或锗中添加的施主是像锑或磷一样如果在硅或锗中添加的施主是像锑或磷一样 的的5价元素，那么锑或磷中的

8、价元素，那么锑或磷中的4个价电子会参个价电子会参 加共价键结合。富余的那个价电子有可能进加共价键结合。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，所以称为为载流子，所以称为n（negative，表示负，表示负 电荷的意思）型半导体。电荷的意思）型半导体。 n n型半导体型半导体 第13页/共32页 施主的富余价电子所处的杂质原子的电子能级低施主的富余价电子所处的杂质原子的

9、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原子束缚得很紧，只要有一个很小的能量Ed就可就可 以使这个电子进入导带。施主的这个价电子进入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高，越来越多的施主电子越过禁带Ed进入导带，进入导带， 最后所有的施主的电子都进入导带，此时称为施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，电导率将维持一个主耗尽。如果温度继续升高，电导

10、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常量。在更高的温度下，才会出现本征半导体产 生的导电性。生的导电性。 第14页/共32页 图图5.4-2 n型半导体型半导体 a）掺杂）掺杂 b）能级图）能级图 第15页/共32页 如果在硅或锗中添加的杂质是像镓（如果在硅或锗中添加的杂质是像镓（Ga）一样）一样 的的3价元素，没有足够的电子参与共价键的结合价元素，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，。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。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

11、杂质元素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。，表示正电荷的意思）型半导体。 价带上的电子只有获得能量价带上的电子只有获得能量Ea，才能跃迁上去，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。的空穴可以移动，传导电流。 p型半导体型半导体 第16页/共32页 a）掺杂）掺杂b）能级图）能级图 图图5.4-3p型半导体

12、型半导体 第17页/共32页 表表5.4硅与锗中的施主能级硅与锗中的施主能级Ed(eV)和受主的能和受主的能 级级Ea(eV) 掺杂元素掺杂元素硅硅Ed硅硅Ea锗锗Ed锗锗Ea P0.0450.0120 As0.0490.0127 Sb0.0390.0096 B0.0450.0104 Al0.0570.0102 Ga0.0650.0108 In0.1600.0112 第18页/共32页 图半导体的电图半导体的电 导率与温度的导率与温度的 关系关系 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 第19页/共32页 本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的本征半导体中的电子载流子和空穴载流子

13、的 数量相等，而非本征半导体中的电子载流子数量相等，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。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。为少数载流子。 本征半导体和非本征半导体的主要区别本征半导体和非本征半导体的主要区别 第20页/共32页 化合物半导体通常具有与硅

14、和锗相似的能带化合物半导体通常具有与硅和锗相似的能带 结构。周期表的结构。周期表的族元素和族元素和族元素是典型族元素是典型 的例子。的例子。族元素镓（族元素镓（Ga）和）和族元素砷（族元素砷（ As）结合在一起形成化合物砷化镓。在砷化）结合在一起形成化合物砷化镓。在砷化 镓中，每个原子平均有镓中，每个原子平均有4个价电子。镓的个价电子。镓的 4s24p1 能级与砷的能级与砷的 4s24p3 的能级形成的能级形成2个个 杂化能带。每个能带能够容纳杂化能带。每个能带能够容纳4N个电子。价个电子。价 带和导带之间的禁带宽度为带和导带之间的禁带宽度为1.35eV。砷化镓。砷化镓 半导体掺杂后也可以形成

15、半导体掺杂后也可以形成p型半导体或型半导体或n型半型半 导体。化合物半导体的禁带较大，所以耗尽导体。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。的移动速率较大，所以它的导电性比较好。 第21页/共32页 离子化合物半导体又称为缺陷半导体。在离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子化合物半导体中，如果含有多余的阴离子 ，则为，则为p型半导体；含有多余的阳离子，则为型半导体；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型半导体。许多

16、氧化物和硫化物都有这种半 导体性能。导体性能。 第22页/共32页 图型半导体图型半导体ZnO的形成的形成 第23页/共32页 半导体热电仪。半导体的导电性与温度有关半导体热电仪。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。利用这一特性可以制成半导体热电仪，用 于火灾报警器。于火灾报警器。 压力传感器。能带结构和禁带结构与材料中压力传感器。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小，电导率增大

17、。所以通过测量电导率的变 化，就可以测量压力。化，就可以测量压力。 半导体的应用半导体的应用 第24页/共32页 结结 图结的导电行为图结的导电行为 第25页/共32页 图结的伏安特性图结的伏安特性 第26页/共32页 图结的整流效应图结的整流效应 第27页/共32页 p-n结的反向击穿结的反向击穿 在在p-n结处于反向偏压时，一般只有很小的结处于反向偏压时，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，通穴引起的。但是，如果反向偏压太大，通 过过p-n结的绝缘区的漏电流的载流子将会被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。致在反向偏压下也产生一个很大的电流。 这种现象称为这种现象称为p-n结的反向击穿结的反向击穿 第28页/共32页 可以通过调节半导体掺杂和可以通过调节半导体掺杂和p-n结的结构结的结构 来改变来改变p-n结的反向许可电压。当电路上结的反向许可电压。当电路上 的电压超过反向许可电压时，的电压超过反