第八讲 半导体的导电性.ppt

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,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；,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

2、；,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,定义：,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。,晶体半导体,非晶半导体,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,三者均为金刚石结构；禁带宽度分别为 5.4 eV、 1.2 e

3、V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,锗是一种稀散元素，在地壳中分布很分散，没有集中的矿藏。 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。 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,硅资源十分丰富，仅次于氧列第二位 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

4、半导体性质，可以稳定地制备大直径无位错的单晶。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,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。,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，如航空、航天领域等。,砷化

5、镓,GaAs多结太阳能电池,40 %,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. 导电机制,本征半导

6、体 杂质半导体,P型半导体 N型半导体,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,0 K时，导带中无电子，价带无空穴；,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；,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，,当 Eg kT 时，半导体的电导率 可以表示为,于是，本征半导体的电导率可以写成,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。,对温度十分敏感：随着温度的升高，电导率呈指数增大，

7、与金属正好相反 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,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 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 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 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

8、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+4,As+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,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,电子能量,电子浓度分布,空穴浓度分布,施主杂质电离使导带 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

9、少的能量 EA Eg 就可以产生自由空穴,B,受主杂质,被受主杂质束缚的空穴所处的能级称为受主能级 受主能级位于靠近价带EV的禁带中 空穴获得较小的能量EA后就能反向跃迁到价带成为导电空穴,电子浓度分布,空穴浓度分布,受主能级电离使导带 空穴浓度增加,电子能量,杂质半导体的特点,掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但却能使导电能力显著增强。掺杂浓度越大，其导电能力越强。 掺杂只是使一种载流子的浓度增加，杂质半导体主要靠多子导电。,N型半导体,P型半导体,多子,少子,电阻率,自由电子,空穴,自由电子,空穴,计算题,试计算本征Si在室温时的电导率，设电子和空穴迁移率分别为1350 cm2/(Vs)和5

10、00 cm2/(Vs)。当掺入百万分之一的As后，设杂质全部电离，试计算其电导率。比本征的电导率增大了多少倍？,答案：一百万倍。,杂质半导体的电阻率随温度的变化关系,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,3. 半导体PN结,PN结和肖特基结是几乎所有半导体元器件的基础。,2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动,1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动,扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动,扩散 漂移,n型,p型,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,

11、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,双极性晶体管（三极管）,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,四探针法 霍尔效应法 扩展电阻法 伏安法（I-V） 电容-电压法（C-V）,4. 半导体电学性能的测试方法,四探针法,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,令 I = C ，则,优点： 不需要制备合金电极 迅速、便捷、不破坏样

12、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,实验上称 为霍耳系数，与材料有关。,1879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 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 象称之为霍耳现象。,*实验结果,载流子的正负决定 的正负,优点： 测试速度快，精度高 不仅测试电阻，而且还 可得到迁移率、载流子 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,微电子领域 电力/电子器件领域 光电子领域 基底材料 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 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,外加正偏