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，产业链齐全； 资本投入大； 原料

2、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石结构；禁带宽度分别为 5.4 eV、 1.2 eV和 0.

3、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，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

4、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，

5、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）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

6、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 有关，kTENng0eexp当 Eg kT 时，半导体的电导率 可以表示为kTENeg0exp于是，本征半导体的电导率可以写成kTEAgexp实验测得的 ln与 1/T 之间的关系为一直线。由直

7、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

8、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

9、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Un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

10、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IUC23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，然后计算材料的电阻率。其中，C 为探针系数23U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bIBVAA 实验上称 为霍耳系数，与材料有关。k18791879年霍耳发现把一载

11、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 AAVbIBkVAA 0 AAV0q0q0 AAVBIqF AA+ bh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

12、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pn外